Основная задача климатических систем зимой — эффективная выработка и сохранение тепла в помещении. Для этого используются тепловые завесы, конвекторы, инфракрасные обогреватели и иное тепловое оборудование. В данной статье мы расскажем о том, какие технологии предлагают производители оборудования, чтобы обеспечить объект теплом при минимальных энергозатратах.
Каждый вид теплового оборудования имеет свое назначение и область применения. Тепловые завесы, например, не являются отопительными приборами, они служат для сохранения тепла в помещении путем защиты открытых проемов.
Задача инфракрасных обогревателей, тепловых пушек, тепловентиляторов и конвекторов — отапливать помещение, но делают они это по-разному. Тепловые пушки и тепловентиляторы нагревают воздух и при помощи вентилятора активно его перемещают, что обеспечивает быстрый прогрев сразу во всем объеме помещения. Конвекторы нагревают воздух постепенно, не создавая сильных воздушных потоков и шума. Наконец, инфракрасные обогреватели нагревают не воздух, а предметы вокруг себя. Даже в холодном помещении человек может чувствовать себя комфортно благодаря лучистому теплу этого вида приборов.
Тепловые завесы
Тепловые завесы служат для разделения сред с разной температурой воздуха. Как правило, речь идет о том, чтобы холодный воздух с улицы не проникал зимой внутрь помещений через открытые наружные двери. В зависимости от ширины и высоты входных дверей или въездных ворот устанавливаются горизонтальные либо вертикальные тепловые завесы. Причем горизонтальные завесы могут быть смонтированы не только над проемом с выдувом воздуха вниз, но и под ним с выдувом воздуха вверх. Последняя схема особенно актуальна для въездных ворот для предотвращения попадания холодного воздуха в помещение снизу под автомобилем.
Тепловые завесы подразделяются на завесы без нагрева и завесы с нагревом. Последние делятся на завесы с водяным и электрическим нагревом.
Основные усилия производителей тепловых завес сконцентрированы на формировании равномерного потока воздуха, эффективных отсекающих струй и минимизации уровня шума. Кроме того, в завесах с нагревом внимание уделяется повышению эффективности нагрева, то есть выбору и расположению электронагревателей и профилированию поверхностей водяного теплообменника.
В компании Frico разработана технология Thermozone. Воздушные завесы с технологией Thermozone обладают оптимальными характеристиками и небольшим уровнем шума. Это достигается за счет балансирования скорости выдуваемого воздуха и его расхода.
Как отмечают в компании, завесы с одинаковым расходом воздуха могут иметь различную эффективность защиты проема (рис. 1). Например, если завесой формируется струя с большой площадью поперечного сечения, то ее дальнобойность будет мала и нижняя часть проема (если завеса установлена сверху) окажется незащищенной.
В то же время «тонкая» струя при большей дальнобойности будет подвержена двум рискам. Во-первых, она может оказаться неспособной пробить сопротивление атмосферного воздуха или же будет сильно им заторможена. Во-вторых, если струя и дойдет до пола, то она может оказаться легко продуваемой для наружных потоков холодного воздуха, так как окажется слишком тонкой. Таким образом, важно соблюдать баланс между толщиной струи и ее дальнобойностью.
Кроме того, эффективность тепловой завесы можно повысить за счет наклона испускаемого потока воздуха. Для этого струя воздуха направляется не вертикально вниз, а под некоторым углом в сторону улицы. Как показывают результаты исследований, это позволяет эффективно разделить зоны с разной температурой. Кроме того, при соответствующей наладке тепловой завесы становится возможным исключить «отапливание улицы», то есть ухода части теплого потока воздуха от завесы наружу.
Наконец, отдельное внимание специалисты Frico уделяют форме решетки, через которую выдувается воздух. Хорошо спрофилированная решетка позволяет избежать потерь кинетической энергии струи и образования турбулентности, создав при этом стабильный воздушный поток. По данным компании Frico, наилучшим решением является двухмерная стабилизация потока за счет применения решеток ячеистого типа вместо щелевого.
В большинстве тепловых завес воздухозабор осуществляется с фронтальной стороны прибора. При этом решетка и накапливающаяся на ней пыль могут иметь отталкивающий вид. В компании «Тепломаш» решили эту проблему, организовав всасывание воздуха сверху. В таких завесах решетка не видна человеку, а передняя панель всегда остается чистой (рис. 2). К таковым относятся завесы серий «Оптима», «Эллипс», «Бриллиант». Последние, кстати, отличаются различной цветовой гаммой для дизайнерских интерьеров.
Обратимся теперь к внутреннему строению тепловой завесы. Основными элементами завесы являются нагреватель, вентилятор и блок автоматики. Например, в тепловых завесах «Тропик» используются современные нагревательные элементы игольчатого типа — так называемые стич-элементы. Они состоят из тонкой ленты, к которой прикреплена проволока, изогнутая так, что образует множество иголок (рис. 3). Такой нагревательный элемент имеет малую инерцию, то есть быстро нагревается и быстро охлаждается. Кроме того, они оказывают малое сопротивление потоку воздуха, а следовательно, являются менее шумными. Так как проволока растянута по всей длине воздушного потока, обеспечивается повсеместный равномерный нагрев воздуха.
В ассортименте таких производителей, как «Тепломаш», Dantex, и некоторых других присутствуют завесы на базе электрических РТС-нагревателей — устройств на основе терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления (рис. 4).
Терморезисторы РТС-нагревателей, называемые иначе позисторами, изготавливаются из полупроводниковой керамики. Их электрическое сопротивление нелинейно зависит от температуры нагрева: оно сильно возрастает, когда температура превышает некое значение — температуру Кюри или температуру низкого сопротивления. Иными словами, при включении нагрева температура нагревающей поверхности постепенно нарастает до определенного предела. Далее сопротивление терморезистора резко увеличивается и рост температуры прекращается. Таким образом обеспечиваются автоматическая защита от перегрева и возгорания и эффективный теплосъем, поскольку температура нагревателя остается постоянной.
Значение этой температуры определяется составом применяемой керамики. В вентиляционно-отопительной технике она составляет
В завесах компании «Арктика» используются оребренные тэны из нержавеющей стали — здесь на первое место выходят низкая стоимость и высокая надежность решений. Оребренные тэны используются достаточно давно и хорошо зарекомендовали себя во времени.
В свою очередь, в компании Ballu проектирование вентиляторной секции и рабочей камеры провели совместно с компанией Punker. Punker — это немецкий производитель вентиляторов различной мощности и различного назначения, имеющий почти
Сопло тепловых завес Ballu не имеет перемычки посередине, а значит, создает непрерывную, сплошную отсекающую струю. В некоторых линейках завес, например S2, T2 L, использованы сопла Aerodynamic, отличающиеся улучшенной аэродинамической проработкой.
В завесах с электрическим нагревом Ballu применены тэны со спиральным рифленым оребрением (рис. 5), значительно увеличивающим эффективность съема тепла при достаточно низком уровне аэродинамического сопротивления.
Нагревательные элементы обоих типов — со стич-элементами и со спиральным рифленым оребрением — можно найти в продукции ИЗТТ. Более современные модели на стич-элементах имеют также различное дизайнерское исполнение — с фронтальной и верхней воздухозаборной решеткой.
Инфракрасные обогреватели
Инфракрасные (ИК) обогреватели предназначены для обогрева помещений различного назначения — жилых комнат, производственных объектов, складов… Особенность инфракрасных обогревателей в том, что они нагревают не воздух в помещении, как традиционные батареи, а предметы. Выделяемое обогревателями тепло, подобно солнечным лучам, проходит сквозь воздух и поглощается стенами, мебелью или человеком. За счет этого достигается быстрый эффект согревания, так как тепло ощущается сразу же после включения обогревателя, даже если воздух вокруг остается холодным. Кстати, воздух при данном виде отопления тоже нагревается, но во вторую очередь, то есть за счет нагретых предметов вокруг.
Технологии инфракрасных обогревателей изменяются достаточно медленно. Бума новостей о новых функциях, росте энергоэффективности и прочей маркетинговой информации на этом рынке не наблюдается. Тем не менее существует несколько видов инфракрасных обогревателей, которые различаются нагревательным элементом.
Один из них — приборы с галогеновым нагревательным элементом. ИК-волны в них генерируются галогеновой лампой. По сути, это та же осветительная лампа, адаптированная для систем отопления. Создаваемый ею свет является побочным эффектом и одним из главных недостатков данного вида оборудования.
Кварцевые и карбоновые лампы лишены этого недостатка — при нагреве они также светятся, но в невидимом человеку диапазоне волн.
Практически ни одна из областей науки и техники, связанных с высокими температурами, не обходится без приборов на основе керамики, и ИК-обогреватели — не исключение. В данных устройствах внутри керамической пластины находится металлическая нить с высоким электрическим сопротивлением. Проходящий по ней ток сильно нагревает ее, а благодаря магнитной индукции формируются волны в инфракрасном диапазоне.
В последние годы на рынке появился новый тип инфракрасных обогревателей — микатермические. Нагревательным элементом в них служит пластина из никеля, покрытая сначала оксидами олова, цинка и железа, а потом слюдой (рис. 6). Данные материалы пропускают ИК-излучение, но препятствуют теплопередаче, поэтому температура доступной человеку поверхности редко превышает 60 °C. Для сравнения: температура галогеновых нагревательных элементов составляет сотни градусов.
Тем не менее ряд производителей в целях безопасности искусственно ограничивают температуру поверхности миканитового ИК-обогревателя. Например, в обогревателях фирмы Polaris защита срабатывает при достижении 60 °C. Кроме того, данные приборы имеют термостат для регулировки степени нагрева, таймер, функции отключения при падении и опрокидывании и Antifrost. Последняя призвана поддерживать температуру в помещении не ниже 0 °C.
Инфракрасные обогреватели нагревают не все помещение, а только ту его часть, на которую попадают ИК-лучи. Поскольку лучи распространяются прямолинейно, то фактически нагревается та часть комнаты, куда направлен обогреватель. Чтобы обеспечить возможность регулирования направления излучения, обогреватели компании Ballu используют поворотные кронштейны.
Из других способов повысить зону охвата стоит отметить конфигурацию отражателя и переднего экрана. Отражатель служит для того, чтобы вернуть в помещение часть излучения, которая исходит от излучателя в противоположную сторону. Передний экран необходим для рассеивания.
Для моделей с плоским фронтом и полукруглым отражателем угол раскрытия инфракрасных волн обычно не превышает 90°. При полукруглом экране и плоском отражателе угол раскрытия составит от 90° до 120°. Трубчатые излучатели характеризуются углом рассеивания от 120° и выше.
Справедливости ради отметим, что при повышении угла раскрытия ИК-волн одновременно падает их интенсивность. Иными словами, при увеличении площади обогрева снижается степень этого обогрева.
Поскольку инфракрасные обогреватели часто используются в офисах, в компании Ballu предусмотрели вариант прибора для монтажа в подвесные потолки Armstrong (серия BIH-S, рис. 7). Внешне данные приборы практически не отличаются от светильников с матовым рассеивающим стеклом. Параллельно решается проблема подвески обогревателей. Аналогичные по внешнему виду модели есть и у компании «Арктика» (серия «Луч-термо»).
Изделия компании «Арктика», по умолчанию, выдержаны в серых тонах, однако могут быть выполнены в любом цвете по каталогу RAL. В устройствах серии «Луч» на первое место были поставлены надежность работы оборудования и проверенные технологии. Поэтому в качестве нагревательного элемента использованы хорошо зарекомендовавшие себя элементы из нержавеющей стали. Данные приборы также комплектуются поворотными кронштейнами с максимальным углом наклона 50° и шагом поворота 10°.
Высокая эффективность ИК-нагревателей «Тропик» обеспечивается применением излучателя, представляющего собой алюминиевый профиль специальной формы. Кроме того, в компании позаботились об удобстве и красоте монтажа инфракрасников: в комплект входят цепочки с карабинами для подвешивания прибора. Приборы от компании «Тропик» отличаются еще и универсальностью: в каталоге представлены 4 модели мощностью от 500 до 1200 ватт, и все они выполнены в корпусе одного типоразмера.
Еще одна важная особенность инфракрасных обогревателей — они могут быть установлены в мокрых помещениях или даже на улице. У многих производителей для этого предусмотрены изделия, соответствующие классу защищенности от влаги и пыли IP44 и IP55.
Традиционно ИК-обогреватели подвешиваются к потолку. Однако в быту они могут быть установлены на пол. Такие устройства есть, например, в ассортименте компании NeoClima (рис. 8, слева). Для обеспечения направленного нагрева на разной высоте и под разным углом некоторые линейки оборудования предусматривают установку на телескопической подставке (рис. 8, справа).
Тепловые пушки
Тепловая пушка — самый недорогой обогреватель в пересчете на стоимость одного киловатта тепла. Конструктивно она представляет собой собранные в одном корпусе вентилятор и нагреватель, который может быть водяного, электрического или газового типа. Проходя через нагреватель, воздух становится теплее и подается обратно в помещение.
С технологической точки зрения борьба производителей ведется за крепость конструкции, надежную автоматику и удобство использования.
Тепловые пушки часто используют на производстве в холодных ангарах и при строительстве в еще не отапливаемых помещениях. В обоих случаях отношение к технике, мягко говоря, не очень аккуратное: их могут задеть при переноске строительных материалов, на них может упасть какой-либо предмет.
Кроме того, тепловые пушки — весьма мощное оборудование. Их мощность достигает нескольких десятков киловатт, корпус должен надежно защищать человека от электрооборудования, а электрооборудование — от внешних факторов и попадания воды. Именно поэтому в тепловых пушках Frico большое внимание уделяется защищенности прибора (рис. 9).
Для поддержания температуры в тепловых пушках Ballu использованы капиллярные термостаты. Принцип их работы основан на температурном расширении жидкости, расположенной внутри специального баллона. При нагревании жидкость расширяется и давит на мембрану, которая отключает тепловую пушку. Как показывает практика, капиллярные термостаты работают более точно по сравнению, например, со стержневыми, принцип действия которых основан на расширении металлического стержня.
Современные тепловые пушки «Тропик» (серия Line) также оснащены терморегуляторами. Терморегулятор позволяет автоматически контролировать температуру в помещении и экономить энергию, избегая избыточного обогрева помещения.
Внешне тепловые пушки обычно выпускают в прямоугольном корпусе. Однако в ассортименте ИЗТТ присутствуют приборы и в круглом (цилиндрическом) корпусе. Кроме того, как отмечают в ИЗТТ, тепловые пушки в цилиндрическом корпусе серии «Классика» обеспечивают более высокую теплоотдачу за счет специально разработанной геометрии тэна.
В тепловых пушках компании «Арктика» используются 2 типа тэнов — металлокерамические и традиционные из нержавеющей стали. Среди первых следует выделить линейку «Крепыш». Обычно тепловая пушка всасывает воздух с тыльной стороны и полностью выдувает его с фронтальной стороны. Таким образом создается мощная струя в одном направлении, которая не очень эффективна для полноценного прогревания помещения. В линейке «Крепыш» компании «Арктика» представлены тепловые пушки «Крепыш-6» и «Крепыш-12», которые распределяют теплый воздух в 3 (рис. 10) и 6 направлениях соответственно. Это позволяет существенно увеличить зону охвата тепловой пушки.
Кроме того, в устройствах компании «Арктика» большое внимание уделено автоматизации тепловых пушек. Предусмотрены режимы полной и частичной загрузки вентилятора и нагревателя тепловой пушки, которыми можно управлять по отдельности. Иными словами, у пользователя появляется возможность получить большой или малый расход более или менее горячего воздуха.
Кстати, при выборе тепловых пушек следует обращать внимание на температуру выдуваемого воздуха и, чтобы проверить ее корректность, на соотношение мощности и расхода воздуха тепловой пушки. Сравним две модели компании «Арктика» — «Крепыш-12» мощностью 12 киловатт и «ТЭВ-12» мощностью также 12 киловатт. Расход воздуха в первой составляет 900 кубометров в час, расход второй — 700 кубометров в час. Очевидно, что температура воздуха на выходе второй пушки будет выше. Собственно, данные производителя это подтверждают: прирост температуры составляет 42 и 51 °C соответственно. Однако в ряде ситуаций эти 9 градусов могут оказаться критичными.
Тепловентиляторы
Бытовые маломощные тепловые пушки называют тепловентиляторами. Они предназначены, как правило, для локального отопления помещений. Очевидно, что при покупке тепловентилятора домой потребитель в первую очередь обращает внимание на внешний вид. Классические белые тепловентиляторы с круглой решеткой для выдува воздуха (рис. 11, левая модель) сегодня превратились в дизайнерские изделия различной формы и цветов (рис. 11, правые модели).
Тепловентиляторы также оснащены защитными термостатами, регулятором мощности. Кроме того, большинство моделей имеет функцию работы в режиме обычного вентилятора, то есть без нагрева.
Основная сфера применения тепловентиляторов — дома и в офисах, то есть в помещениях с постоянным пребыванием человека. Таким образом, производителям тепловентиляторов приходится заботиться о сохранении качества воздуха в обслуживаемом помещении. На первых порах тепловентиляторы «выжигали» воздух, иногда чувствовался запах гари. Современные модели лишены этих недостатков.
Так, тепловентиляторы Ballu работают на базе нагревательных элементов из керамических пластин, обеспечивающих сохранность воздуха при нагреве. Дополнительная забота о состоянии воздуха осуществляется при помощи технологии сохранения кислорода Air Protection System.
Второй по важности характеристикой тепловентиляторов для конечного пользователя является уровень шума. Усилия производителей сконцентрированы на профилировании лопастей рабочих колес вентиляторов и применении надежных бесшумных подшипников. Обычно речь идет о подшипниках, не требующих смазки. Данные изделия заправлены смазкой на заводе и не требуют технического обслуживания.
Конвекторы
Электрические конвекторы также служат для отопления помещений — как правило, офисных или жилых, однако в своей конструкции не предусматривают вентилятора. Воздух, нагреваясь, движется вверх естественным образом. Отсутствие вентилятора делает прибор бесшумным.
Помимо нагрева конвекторы осуществляют также фильтрацию воздуха. Так, некоторые модели компании Electrolux оснащены многоступенчатой системой фильтрации, включающей антивирусную и антибактериальную обработку воздуха, удаление запахов и табачного дыма и добавление витамина С.
Сердце конвектора — нагревательный элемент. В компании Electrolux применяют нагревательный элемент нового поколения SX-DUOS (рис. 12), выполненный из специального алюминиевого сплава и имеющий монолитную структуру. Для увеличения площади взаимодействия с воздухом нагревателю придается поверхность, напоминающая ракушки. Данная технология обработки получила название Speed Boost.
Внешне схожи с ракушкой и нагревательные элементы в конвекторах компании Noirot. Они выполнены из цельного металла и не издают потрескивающих звуков при нагревании. Благодаря бесшумной работе данные нагревательные элементы получили название RX Silence Plus.
Другие модели конвекторов Electrolux, а также конвекторы Ballu построены на базе нагревательного элемента Hedgehog. Вообще говоря, из курса физики известно: чтобы нагревательный элемент работал эффективно, следует добиться максимальной площади поверхности. Именно поэтому теплообменники часто имеют замысловатую форму и оснащаются ребрами. Нагревательные элементы Hedgehog также имеют обширную площадь поверхности при достаточно малых размерах за счет множества выступов. Отсюда и название Hedgehog (в переводе с английского — «еж»).
Кроме особенностей нагревательного элемента конвекторы Ballu также выделяются возможностью управления по Wi-Fi и наличием датчика присутствия. Первая позволяет удаленно включить конвектор, например, чтобы к приходу в доме уже была комфортная температура. Кроме того, у пользователей появляется возможность удаленно отключить отопительный прибор, если они забыли сделать это вручную. Датчик присутствия позволяет регулировать работу конвектора в зависимости от появления человека в помещении.
Наконец, еще один важный элемент, требующий проектирования и профилирования, — так называемые воздуховыводящие жалюзи или решетка, через которую нагретый воздух попадает в помещение. Как правило, в конвекторах нет вентилятора, движение воздуха осуществляется за счет естественных сил. Напор такого потока воздуха невелик, и каждая преграда на пути способна замедлить его и заметно снизить эффективность работы прибора. Следовательно, хорошо сконфигурированная конвекционная камера и форма воздуховыводящих жалюзи способны улучшить тепловые свойства прибора.
На профилировании путей подвода и выброса воздуха сосредоточились и в компании Royal Clima. Линейка конвекторов Milano Meccaniso характеризуется увеличенной площадью воздухораздаточных отверстий, имеющих специальную форму. Это позволяет ускорить воздухообмен в помещении и обеспечить более равномерный его прогрев.
Однако в компании Frico разработали так называемые фен-конвекторы (серия PF). В отличие от обычных они имеют небольшой вентилятор, который повышает циркуляцию воздуха и позволяет ускорить прогрев помещения. Как отмечают в компании, установка такого конвектора под окном обеспечивает защиту от сквозняков. Кроме того, активное перемешивание воздуха в помещении исключает проблему скапливания нагретого воздуха под потолком, эффективнее прогревая нижние слои воздуха.
Отдельно стоит отметить приборы серии SH компании Frico. Они прикрепляются снизу сидений и предназначены для их подогрева. Такие устройства могут быть полезны в залах ожидания вокзалов, на стадионах и т. д.
Конвекторы относятся к тому типу оборудования, которые могут быть установлены в общедоступных местах, а потому, с одной стороны, должны иметь хороший дизайн, а с другой — могут быть поцарапаны или повреждены прохожими. Это накладывает определенные требования на покрытие конвекторов. Так, в компании Atlantic применяют специальную антипылевую защиту ASP. Данная технология позволяет избежать накапливания пыли на конвекторе возле мест всасывания и выброса воздуха.
Настенный монтаж конвекторов предполагает достаточно малый зазор между устройством и стеной. Очевидно, что перегрев задней поверхности прибора может вызвать его поломку и порчу поверхности стены. Конвекторы компании Nobo спроектированы таким образом, чтобы температура задней поверхности устройства не превышала 45 °C (серия конвекторов Oslo). Кроме того, по данным производителя, срок службы конвекторов всех серий составляет 30 лет — один из самых высоких показателей на рынке.
Заключение
Каким бы ни был тепловой прибор, основная его часть — нагревательный элемент. Главная задача производителей оборудования — найти нужные материалы для его создания, разработать технологию изготовления. Передача тепла от нагревательного элемента к воздуху осуществляется через поверхности теплообмена — второго по важности элемента отопительных приборов.
Кроме того, внимание следует уделить автоматизации прибора, выработке удобного алгоритма управления им, безопасности эксплуатации и внешнему виду. Проработка каждого из этих пунктов позволяет создать действительно удобный и востребованный товар.
Юрий Хомутский,
технический редактор журнала «Мир климата»
