CC BY
11
Оригинальная статья / Original article УДК 62-65
DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-1 -124-129 Аддитивные инфракрасные системы обогрева © И.Ю. Шелехов, В.В. Пожидаев
Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия
Резюме: Цель работы заключается в изучении условий жизнедеятельности при инфракрасном обогреве и методов создания аддитивной температурной среды, а также в исследовании влияния нового типа инфракрасных приборов на параметры микроклимата и взаимного влияния инфракрасного излучения на технические характеристики приборов. В эксперименте использовался макет человека с размещенными на нем датчиками температуры. Макет человека был расположен в центре помещения размерами 3х6 м2 с высотой потолков 5 м. Установленные на макете датчики температуры были подключены к прибору фирмы «ОВЕН» марки ТРМ138, с помощью которого данные с термопар регистрируются, анализируются, обрабатываются и отображаются в виде графиков. Изучалось распределение температурных полей на теле человека в зависимости от условий воздействия инфракрасного излучения. При распределении площади инфракрасного излучения без изменения мощности и температуры происходит перераспределение температурного воздействия на открытые части человека, при этом увеличивается комфортная среда, условия труда рабочих улучшаются, соответственно, увеличивается качество работ. Проведенные эксперименты показали, что на текущий момент не исследованы все технические возможности высокотемпературного инфракрасного обогрева рабочих мест. Путем изменения конфигурации расположения теплоизлучающих поверхностей возможно создание более комфортных условий на рабочих местах, чем при использовании классических системам инфракрасного обогрева.
Ключевые слова: инфракрасный обогрев, аддитивная среда, условия труда, обслуживаемая зона, комфорт, электрическое отопление
Информация о статье: Дата поступления 12 декабря 2019 г.; дата принятия к печати 17 января 2020 г.; дата онлайн-размещения 31 марта 2020 г.
Для цитирования: Шелехов И.Ю., Пожидаев В.В. Аддитивные инфракрасные системы обогрева. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020;10(1): 124—129. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-1-124-129
Additive infrared heating systems
Igor Yu. Shelekhov, Vladimir V. Pozhidaev
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia,
Abstract. The purpose of the work is to study living conditions under infrared heating alongside methods for creating an additive temperature environment, as well as to study the influence of a new type of infrared devices on microclimate parameters and the mutual influence of infrared radiation on the technical characteristics of such devices. The experiment used a human model with thermocouple temperature sensors placed on it. The model was placed in the centre of the room measuring 3x6 m2 with a ceiling height of 5 m. The sensors installed on the model were connected to an OVEN TPM138 instrument, which recorded, analysed, processed and displayed data from the thermocouples in the form of graphs. The distribution of temperature fields on the human body was studied in relation to the conditions of exposure to infrared radiation. When infrared radiation is distributed without a change in the power, the temperature effect is redistributed to the exposed parts of the person, the environment becomes more comfortable and working conditions improve, thus enhancing the quality of work. The experiments showed that not all the technical capabilities of high-temperature infrared heating of workplaces have been studied to date. By changing the layout of heat-radiating surfaces, it is possible to create more comfortable working conditions compared with those obtained using traditional infrared heating systems.
Keywords: infrared heating, additive environment, working conditions, serviced area, comfort, electric heating
ISSN 2227-2917 Том 10 № 1 2020 124 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 124-129 124 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 1 2020 _(online)_pp. 124-129
Information about the article: Received December 12, 2019; accepted for publication January 17, 2020; avail-able online March 31, 2020.
For citation: Shelekhov IYu., Pozhidaev VV. Additive infrared heating systems. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(1):124-129. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-1-124-129
Введение
Высокотемпературные потолочные инфракрасные системы отопления являются одним из эффективных решений в области обогрева производственных помещений. В мировой практике данное решение стало активно применяться в последние 50 лет.
Первые отечественные разработки были испытаны в середине прошлого века в г. Ленинграде, и в подавляющем большинстве в таких приборах в качестве источника энергии использовался газ.
Электрические инфракрасные обогреватели используют, в основном, в качестве вспомогательных, чтобы создать «островок тепла» в рабочей зоне.
Не смотря на значительную экономию затрат при обогреве больших площадей - в некоторых случаях около 50% - электрические инфракрасные обогреватели практически не применяются [1-5].
Основная причина, ограничивающая широкое распространение инфракрасных обогревателей - отсутствие экспериментальных данных по созданию аддитивных зон нагрева, учитывающих распределение температурных полей в зависимости от условий эксплуатации помещения1 [6-10].
Методы
Принцип работы инфракрасного обогрева: поток лучистой энергии инфракрасного спектра, не нагревая окружающий воздух, направляется непосредственно в обслуживаемую зону, нагревает пол, установленное в этой зоне оборудование и находящихся в этой зоне людей. В свою очередь, пол и оборудование, нагреваясь, конвекцией отдают это тепло окружающему их воздуху. Создается комфортное состояние людей, находящихся в этой зоне, при этом нет необходимости отапливать все помещение, а только ту зону, где непосредственно нужно тепло [11]. Осуществляя инфракрасный обогрев непосредственно рабочих мест, комфортные условия обеспечиваются при более низких температурах внутреннего воздуха. Допускается поддержание температуры ниже до +4°С от существующих норм, но при этом имеются серьезные ограничения по
интенсивности облучения открытых частей людей, находящихся в обслуживаемой зоне2.
Создать благоприятные условия труда рабочему, стоящему у станка, строителю, монтажнику в относительно небольшом пространстве они могут. При расширении пространства обслуживаемой зоны возникают проблемы по обеспечению равномерного теплового потока и необходимого уровня интенсивности по объему помещения.
Данные условия возможно обеспечить только при установке нескольких обогревателей, при этом неизбежно будут образовываться зоны с повышенной и пониженной температурой. Если грамотно осуществить распределение инфракрасного излучения, а фактически создавать аддитивную температурную среду, где будут соблюдаться граничные условия по интенсивности облучения, то данная особенность существенно расширит спектр их применения.
Для проведения экспериментов было оборудовано помещение размерами 3х6 м2 с высотой потолков 5 м. В центре помещения установлен макет человека с прикрепленными термопарами, подключенными к прибору фирмы «ОВЕН» марки ТРМ138. Данные с термопар регистрируются, анализируются, обрабатываются и отображаются в виде графиков, которые импортируются в программу «Excel». Для этого используется штатное программное обеспечение OWEN PROCESS MANAGER (OPM), поставляемое совместно с приборами.
В верхней части помещения поочередно устанавливались инфракрасные обогреватели суммарной мощностью 1,5 кВт:
- один обогреватель мощностью 1,5 кВт;
- два обогревателя мощностью 0,75 кВт;
- три обогревателя мощностью 0,5 кВт.
Параметры определялись в соответствии с существующими нормами и методиками, подробно описанными в учебнике по строительной теплофизике В.Н. Богословского [12].
Для проведения экспериментов были изготовлены обогреватели с толстопленочными нагревательными элементами по патенту на полезную модель № 109628 [13], по технологии, описанной в патенте № 2463748 [14].
Куриленко Н.И. Научно-технические основы формирования микроклимата промышленных объектов с лучистыми системами отопления: дисс. ... д-ра техн. наук. Тюмень: Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, 2015. С. 235.
2Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1982. 415 с.
Том 10 № 1 2020
с. 124-129 Vol. 10 No. 1 2020 pp. 124-129
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
ISSN 2227-2917
(print) ISSN 2500-154X (online)
Контроль напряжения потребляемого тока и мощности осуществлялся прибором фирмы «ОВЕН» марки ИМС-Ф1.Щ1.
Результаты и их обсуждение В первом эксперименте нагревательный прибор инфракрасного излучения был размещен на потолке. С учетом предельно до-
пустимого значения интенсивности излучения на открытые части работающих людей, прибор был смещен на 1,5 м от оси, где расположен макет человека.
На рис. 1 показаны значения установившейся температуры на датчиках.
Точки расположения датчиков
Рис. 1. Распределение температуры на макете человека при обогреве одним прибором: 1 - внешняя сторона колена; 2 - внутренняя сторона колена; 3 - внешняя сторона ладони; 4 - внутренняя сторона ладони; 5 - спина в районе лопаток; 6 - грудная клетка;
7 - затылок; 8 - лобная часть головы Fig. 1. Temperature distribution on the model of a person when heating 1 device: 1 - is an outer side of the knee; 2 - inner side of the knee; 3 - the outer side of the palm; 4 - is the inner side of the palm; 5 - the back near the shoulder blades; 6 - thorax; 7 - the back of the head; 8 - the frontal part of the head
На рис. 1 видно, что благоприятная температура установилась в области ног и спины; в области рук и грудной клетки - легкая степень охлаждения, а в области головы - перегрев. При данном типе обогрева работающий человек может работать только в головном уборе в соответствии с существующими нормами [14]. Во втором эксперименте два нагревательных прибора инфракрасного излучения мощностью 0,75 кВт были размещены на потолке со смещением 1,5 м от макета человека в разные стороны на одной оси. На рис. 2 показаны значения установившейся температуры на датчиках.
На рис. 2 видно, что общие параметры распределения температуры в области ног, рук и туловища изменились незначительно, но в области головы температура снизилась, не смотря на то, что ни температура на теплоиз-лучающей поверхности, ни площадь теплоиз-лучающей поверхности не изменились. При
данном температурном воздействии работающий человек может работать без головного убора, но в соответствии с существующими нормами в данной зоне не рекомендуется находиться продолжительное время. В третьем эксперименте три нагревательных прибора инфракрасного излучения мощностью 0,5 кВт были размещены на потолке со смещением 1,5 м от макета человека в разные стороны под углом в 120°. На рис. 3 показаны значения установившейся температуры на датчиках.
На рис. 3 видно, что общие параметры температуры в области ног повысились, в области рук и туловища значения температуры незначительно понизились, а в области головы температура снизилась до благоприятного значения.
Данное распределение температур на теле человека считается благоприятным для выполнения легких работ и работ средней тяжести.
ISSN 2227-2917 Том 10 № 1 2020 126 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 124-129 126 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 1 2020 _(online)_pp. 124-129
Точки расположения датчиков
Рис. 2. Распределение температуры на макете человека при обогреве двумя приборами: 1 - внешняя сторона колена; 2 - внутренняя сторона колена; 3 - внешняя сторона ладони; 4 - внутренняя сторона ладони; 5 - спина в районе лопаток; 6 - грудная клетка;
7 - затылок; 8 - лобная часть головы Fig. 2. Temperature distribution on the model of a person when heated by 2 devices: 1 - is an outer side of the knee; 2 - inner side of the knee; 3 - the outer side of the palm; 4 - is the inner side of the palm; 5 - the back near the shoulder blades; 6 - thorax; 7 - the back of the head; 8 - the frontal part of the head
Точки расположения датчиков
Рис. 3. Распределение температуры на макете человека при обогреве тремя приборами: 1 - внешняя сторона колена; 2 - внутренняя сторона колена; 3 - внешняя сторона ладони; 4 - внутренняя сторона ладони; 5 - спина в районе лопаток; 6 - грудная клетка;
7 - затылок; 8 - лобная часть головы Fig. 3. The temperature distribution on the model of a person when heated by 3 devices: 1 - is an outer side of the knee; 2 - inner side of the knee; 3 - the outer side of the palm; 4 - is the inner side of the palm; 5 - the back near the shoulder blades; 6 - thorax; 7 - the back of the head; 8 - the frontal part of the head
Выводы
В третьем эксперименте общая площадь и температура теплоизлучающей поверхности не изменилась, но при этом условия
работы в отдельно взятой зоне из разряда «временного пребывания» перешли в разряд «постоянного пребывания». Для обеспечения аналогичного комфорта потребуются дополни-
Том 10 № 1 2020 ISSN 2227-2917
с. 124-129 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 127 Vol. 10 No. 1 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X 12 ' pp. 124-129_(online)_
тельные затраты на изготовление добавочных корпусов приборов и осуществление монтажных работ. Данные затраты в количественном выражении являются незначительными, но они качественно улучшают условия работы и обеспечивают здоровую среду для выполнения работ. Поэтому необходимо осуществлять экспе-
риментальные работы в данной области исследования, строить математические модели инфракрасного обогрева и создавать фундаментальную теоретическую базу для расчета экономичных и комфортных систем отопления [15-17].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Терентьев Д.М. Повышение энергоэффективности зданий, строений и сооружений. Задачи Минстроя России // Энергосбережение. 2015. № 3. С. 18-21.
2. Гашо Е.Г., Пузаков В.С., Степанова М.В. Особенности реализации политики энергосбережения в регионах: аналит. сб. М.: Аналитический центр при Правительстве Российской Федерации, 2012. С. 43. [Электронный ресурс].
URL: https://mpei.ru/personal/Lists/CadrePapers/ Aüachments/1424/Аналитический%20сборник% 202012.pdf (30.01.2020)
3. Туликов А.В. Совершенствование государственного регулирования в области повышения энергоэффективности зданий // Энергосбережение. 2016. № 2. С. 4-11.
4. Плаксина Е.В., Голясикова О.Е., Грязных
A.А., Рябцев О.А. Характерные особенности систем напольного отопления // Инженерные системы и сооружения. 2013. № 2 (11). С. 4151.
5. Шипилов В.Н. К методике расчётов лучистого отопления помещений // Вестник Кыргызского национального аграрного университета им. К.И. Скрябина. 2016. № 4 (40). С. 163-169.
6. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений: Расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека / Пер. с венг.
B.М. Беляева; под ред. В.И. Прохорова. М.: Стройиздат, 1981. 248 с.
7. Кричагин В.И. Принципы объективной оценки теплового состояния организма. В кн. Авиационная и космическая медицина / под ред. В.В. Парина. М., 1963. С. 310-314.
8. Jun Chen, Chi-sun Poon. Photocatalytic construction and building materials: from fundamen-
tals to applications // Building and Environment. 2009. Vol. 44. P. 1899-1906.
9. Orr H., Wang J., Fetsch D., Dumont R. Technical note: Airtightness of older-generation energy-efficient houses in Saskatoon // Journal of Building Physics. 2013. Vol. 36. P. 294-307.
10. Tenpieric M., Van der Spoel W., Cauberg H. An analytical model for calculating thermal bridge effects in high performance building enclosure // Journal of Building Physics. 2008. Vol. 31. P. 361-387.
11. Stanke D. Ventilation Where It's Needed // ASHRAE Journal. 1998. P. 39-47.
12. John Dieckmann Improving humidity control with energy recovery // ASHRAE Journal. 2008. P. 38-45.
13. Пат. № 109628, РФ, Нагревательный элемент / И.Ю. Шелехов, И.В. Шелехова, Н.А. Иванов, Kim Byoung Chul, И.М. Головных.
14. Пат. № 2463748, РФ, Способ изготовления толстопленочного резистивного нагревателя / И.Ю. Шелехов, И.В. Шелехова, Н.А. Иванов, И.М. Головных, Kim Byoung Chul. 10.08.2012 г.
15. Шелехов И.Ю., Смирнов Е.И., Иноземцев
B.П. Конструкции отопительных приборов на основе физико-математического моделирования // Научное обозрение. 2016. № 1. С. 42-47.
16. Шелехов И.Ю., Шишелова Т.И., Духовный Л.И. Особенности использования отопительного оборудования в зданиях с переменным тепловым режимом // Фундаментальные исследования. 2012. № 3-2. С. 437-440.
17. Шелехов И.Ю., Шишелова Т.И. Сравнительный анализ использования электронагревательных приборов в жилых помещениях // Фундаментальные исследования. 2012. № 9-2.
C.421-424.
REFERENCES
1. Terentyev DM. Improving the energy efficiency of buildings, structures and constructures. Tasks of the Ministry of Construction of Russia. Ener-gosberezheniye = Energy Conservation. 2015;3:18-21. (In Russ.)
2. Gasho EG, Puzakov VS, Stepanova MV. Features of the implementation of energy conservation policies in the regions: analytical collection. Moscow: Analytical Center under the Government of the Russian Federation; 2012. P. 43. (In Russ.) Available from:
https://mpei.ru/personal/Lists/CadrePapers/Attach ments/1424/Analytical%20 collection%202012.pdf [Accessed 02th February 2020]
3. Tulikov AV. Improving state regulation in the field of improving the energy efficiency of buildings. Energosberezheniye = Energy Conservation. 2016. No. 2. P. 4-11. (In Russ.)
4. Plaksina EV, Golyasikova OE, Gryaznykh AA, Ryabtsev OA. Characteristics of systems of floor heating. Inzhenernye sistemy i sooruzheniya = Engineering Systems and Constructions.
ISSN 2227-2917
(print) ISSN 2500-154X (online)
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
Том 10 № 1 2020
с. 124-129 Vol. 10 No. 1 2020 pp. 124-129
2013;2:41-51. (In Russ.)
5. Shipilov VN. On the methodology for calculating radiant heating of premises. Vestnik Kyrgyzskogo natsional'nogo agrarnogo universiteta im. K.I. Skryabina. 2016;4:163-169. (In Russ.)
6. Banhidi L. Zart terek höerzeti meretezese. Budapest; 1976. 40 p. (In Vebgrian)
7. Krichagin VI. Principles of an objective assessment of the thermal state of an organism. In: Aviation and space medicine. VV. Parina (Edi.). Moscow; 1963. P. 310-314. (In Russ.)
8. Jun Chen, Chi-sun Poon. Photocatalytic construction and building materials: from fundamentals to appli-cations. Building and Environment. 2009;44:1899-1906.
9. Orr H, Wang J, Fetsch D, Dumont R. Technical note: Airtightness of older-generation energy-efficient houses in Saskatoon. Journal of Building Physics. 2013;36:294-307.
10. Tenpieric M, Van der Spoel W, Cauberg H. An analytical model for calculating thermal bridge effects in high performance building enclosure. Journal of Building Physics. 2008;31:361-387.
11. Stanke D. Ventilation Where It's Needed. ASHRAE Journal. 1998;40:39-47.
12. Dieckmann J. Improving humidity control with energy recovery. ASHRAE Journal. 2008;50(8):38-45.
13. Pat. RF, No. 109628. Heating element, utility model patent. Shelekhov IYu., Shelekhova IV, Ivanov NA, Kim Byoung Chul, Golovnykh IM.
14. Pat. RF, No. 2463748. A method of manufacturing a thick film resistive heater. Shelekhov IYu., Shelekhova IV, Ivanov NA, Kim Byoung Chul, Golovnykh IM.
15. Shelekhov IYu, Smirnov E.I., Inozemtsev V.P. Heater designs based on physical and mathematical modeling. Nauchnoe obozrenie. 2016;1:42-48.
16. Shelehov IJ, Shishelova TI, Duhovnyj LI. Features of use of the heating equipment in buildings with a variable termal mode. Fundamental'nye issledovaniya = Fundamental research. 2012;3-2:437-440.
17. Shelekhov IYu, Shishelova TI. The comparative analysis of use of electroheating devices in premises.
Fundamental'nye issledovaniya = Fundamental research. 2012;9-2:421-424.
Критерии авторства
Шелехов И.Ю., Пожидаев В.В. имеют равные авторские права. Шелехов И.Ю. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Сведения об авторах
Шелехов Игорь Юрьевич,
кандидат технических наук,
доцент кафедры городского строительства и
хозяйства,
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия, e-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7677-3187
Пожидаев Владимир Викторович,
аспирант,
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Россия, Se-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5615-8526
Contribution
Shelekhov I.Yu., Pozhidaev V.V. have equal author's rights. Shelekhov I.Yu. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests egarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.
Information about the authors
Igor Yu. Shelekhov,
Cand. Sci. (Eng.),
Associate Professor of the Department of Urban
Construction and Economy,
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia,
e-mail: [email protected]
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7677-3187
Vladimir V. Pozhidaev,
Postgraduate Student,
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russia, He-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5615-8526
Том 10 № 1 2020 ISSN 2227-2917
с. 124-129 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 129 Vol. 10 No. 1 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 129 pp. 124-129_(online)_
