Инфракрасное отопление

Инфракрасное отопление, лучистое тепло, длинноволновые обогреватели - за последние несколько лет эти слова уже перестали быть чем-то совершенно неизвестным. Но, в то же время, конкретный смысл, особенности, физику работы, потребительские качества, достоинства и недостатки, словом, все то, что составляет конкретный мысленный образ, стоящий за этими словами, мы как потребители пока еще, что называется, не вполне «ухватили». Но ведь такие вещи как водогрей или масляный радиатор тоже когда-то были новинками, а теперь они вполне понятны любому и не требуют пояснений. Пришло время восполнить этот пробел и с нашими «героями» - инфракрасными обогревателями. Однако этот вопрос имеет столько граней, что раскрыть их все в одной статье невозможно, поэтому мы задумали целый цикл статей. А начнем мы с самого начала - с того, что такое инфракрасное тепло и почему его так удачно использовать для отопления жилища.

Вспомним, что нам известно из школьной физики. В природе выделяют три способа теплообмена:
1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ (контактный теплообмен). Более горячее тело непосредственно соприкасается с другим, более холодным и передает ему тепло за счет молекулярного движения: молекулы горячего тела движутся более интенсивно и, сталкиваясь с молекулами холодного, отдают им свою энергию. Аналогичный процесс теплопередачи происходит и внутри одного тела при нагреве его с одной стороны.

2. КОНВЕКЦИЯ. Тела обмениваются тепловой энергией через среду, например воздух, то есть за счет молекулярного движения аналогично предыдущему способу горячее тело отдает избыток тепла молекулам воздуха, тепло в котором распространяется по объему и там, где воздух соприкасается с более холодными телами, тепло посредством того же молекулярного движения передается им.

3. ИЗЛУЧЕНИЕ. Известно, что помимо механического теплообмена (через молекулярное движение) все тела непрерывно обмениваются энергией друг с другом посредством излучения и поглощения электромагнитных волн, причем наибольшее тепловой значение имеют волны инфракрасного (теплового) диапазона.

Третий способ в школе усваивается почему-то хуже всего и к взрослому возрасту у большинства совершенно «выветривается» из головы. А зря - ведь именно он отвечает за большую часть теплообмена в природе. И самый яркий пример - это Солнце. Оно излучает в широком диапазоне волн, которые проходят сквозь космос и, достигая поверхности Земли, отдают ей свою энергию. Действительно, на первый взгляд трудно понять, как Солнце нагревает Землю, если лежащий между ними космос так и остается холодным. Но ничего сложного здесь нет: каждое вещество имеет свои коэффициенты отражения, поглощения и пропускания электромагнитных волн (они определяют, какая часть лучей отразится от тела, какая рассеется в его толще, и какая пройдет его насквозь). Космос как очень разреженная среда беспрепятственно пропускает волны (его коэффициент пропускания равен 100%), а твердые тела (Земля в том числе) - наоборот, поглощают большинство падающих лучей.

А вот другой пример: человек, оказывается, тоже излучает в пространство инфракрасные волны общей мощностью около 100 Вт. Если в комнату поместить 10 человек, то вместе они будут излучать уже 1 кВт мощности, что сравнимо со средним обогревателем. Именно поэтому нам становится так жарко в заполненном людьми вагоне метро в час пик (при этом еще около 100 Вт каждый человек выделяет с дыханием и через нагрев воздуха своим телом, то есть конвективно). Таким образом, если Солнце нагревает землю на 100% методом излучения, то человек, если его рассматривать как «обогревательный прибор», греет окружающее пространство на 50% за счет конвекции и на 50% за счет излучения. Этот полезно запомнить, т.к. при сравнении разных типов бытовых обогревателей мы встретим очень похожие соотношения.

Еще один интересный пример из позапрошлого века. Инфракрасное излучение тогда только начали изучать, а рабочие «демидовских» печей уже сполна ощущали его на себе: зимой на рабочих, находящихся вблизи печи, тлела и обугливалась одежда, хотя стоящий там же термометр (защищенный кожухом) показывал температуру -500. Далеко не сразу на просьбы бедолаг выдать более защищенную одежду откликнулись управляющие, так как в науке тогда учитывалась только конвекционная температура, измеряемая термометром, а жалобы рабочих считали антинаучными. Мы можем ощутить нечто подобное, когда в ясный весенний день Солнце вдруг закрывается облаками. Конвективная температура не изменилась, но сразу становится заметно холоднее, так как общее количество энергии, получаемой телом человека от окружающей среды, заметно падает.

Если с общим умозрительным представлением о тепловом (инфракрасном) излучении мы справились (надеемся, что теперь каждый читатель сможет квалифицированно объяснить своим знакомым, что это такое), то точное количественное описание лучистого теплообмена оказывается делом весьма непростым, особенно если он происходит совместно с конвективным теплообменом. Это сложный динамический процесс, который описывается интегро-дифференциальными уравнениями высоких порядков, поэтому даже инженеры-теплотехники при расчете часто вынуждены пользоваться упрощенными формулами, позволяющими оценить такой теплообмен лишь приближенно. К счастью, углубляться в эти математические «дебри» нам не обязательно, а потому оставим на этом физическую сторону и перейдем к практической - рассмотрим, как инфракрасное излучение применяется в технике и в быту.Как ни странно, большинство осветительных приборов являются инфракрасными, так как большую часть подведенной энергии отдают на излучение в инфракрасном спектре.

Так, инфракрасными могут быть и лампы накаливания, и флуоресцентные, и лампы дневного света. Многие знают, что КПД светоотдачи лампочки накаливания - очень низкий (на видимый свет идет около 7% энергии), а остальное - на нагрев. Но мало кто знает, что под «нагревом» подразумевается именно инфракрасное излучение, которое излучается в пространство помещения и поглощается предметами (а не воздухом), приводя к их соответствующему нагреву (потери лампочки на теплопроводность и конвекцию - невелики). Таким образом, лампу накаливания можно назвать первым и даже главным «инфракрасным обогревателем» наших жилищ - особенно с учетом многолетней истории ее использования и повсеместной распространенности. Причем КПД инфракрасного излучения у нее весьма хорош, даже по меркам современных ИК-приборов (около 86% энергии идет на ИК-излучение). Так что таким приборам, как электроконвектор и даже камин до нее далеко. Оказывается, даже ультрафиолетовая (ртутно-кварцевая) лампа, по сути, является инфракрасным прибором, так как 78% ее излучения приходится именно на инфракрасный диапазон, 15% - на видимый свет и лишь 7% - на УФ-диапазон. А называют ее ультрафиолетовой только потому, что другие приборы излучают еще меньше ультрафиолета. Для сравнения, в солнечном свете, дошедшем до поверхности Земли, его содержится всего около 1%.

Если же говорить о бытовых приборах, прямым назначением которых является инфракрасное излучение, то и таких мы можем встретить немало: начиная от популярных инфракрасных сушек для ягод и грибов, которые сохраняют максимум витаминов (даже больше, чем глубокая заморозка) и заканчивая инфракрасными саунами. А недавно ИК-саунам появились и более мобильные конкуренты - инфракрасные одеяла и штаны, которые используются для поддержания тонуса, похудения и освобождения от лишнего жира и шлаков - с выраженным местным эффектом (на «проблемные» зоны). Для лечебных целей применяются инфракрасные грелки разных конструкций (от электрических до натуральных из нефрита, нагреваемого в кипящей воде и потом долго отдающего тепло в ИК-диапазоне): они согревают ткани, восстанавливают капиллярный кровоток и лимфаток, биологическую функцию клеток. Похожим действием обладает и лечебная инфракрасная лампа, нагревающая локальный участок тела, но уже без непосредственного контакта с ним - лампа ставится рядом и направляется на необходимую зону тела.

Но в отличие от грелок, где используется длинноволновое излучение, ИК-лампы излучают короткие инфракрасные волны. Такие лампы используются и в операционных - доказано, что пациент в этом случае переносит операцию легче, а затем быстрее восстанавливается. В ветеринарии такие лампы используются для согрева новорожденных щенков, лишенных матери (в первые дни они еще не могут сами поддерживать необходимую температуру тела). А в городских роддомах применяются специальные инкубаторы для недоношенных детей, использующих инфракрасные лучи для имитации материнского тепла - они позволяют равномерно и очень бережно согревать малышей. А чтобы быстро измерить температуру ребенка, не доставляя ему неудобства, можно использовать инфракрасный термометр, который гораздо удобнее и ртутного, и электронного с биметаллическим датчиком.

Еще шире применение ИК-приборов в технике. Радиолюбители наверняка знакомы с инфракрасными паяльными станциями как выигрышной альтернативой традиционным паяльникам. ИК-излучение широко применяется в качестве сигнального для беспроводной связи на небольших дистанциях - это и компьютерные мыши, и другое оборудование, связывающееся с компьютером по инфракрасному порту, и такой уже неотъемлемый предмет нашего быта как телевизионный дистанционный пульт (он также передает сигнал посредством инфракрасных волн). В измерительной технике ИК-излучение применяется для точного дистанционного измерения температуры предметов (пирометры), определения утечек тепла в зданиях (тепловизоры) и многого другого.

Наиболее широко и разнообразно ИК-излучение используется в промышленности. Из более близкого к нашей домостроительной теме - это деревообрабатывающая промышленность. Достаточно сказать, что древесина, прежде чем использоваться, проходит сушку в специальных инфракрасных камерах (это основной подготовительный процесс), где из нее уходит избыток влаги, для того, чтобы дерево не гнило, не рассыхалось и служило долго. Это и бревна для срубов, и клееный брус, и вагонка, это половая доска и паркет, это окна и двери, и многое другое. Но главное, дерево «помнит» лучистое тепло Солнца, аккумулированное и переработанное им в течение всей жизни. Ф.Энгельсу принадлежит удачное высказывание: «Вся энергия, действующая на земле в настоящее время, есть превращенная солнечная теплота».

Пожалуй, самым важным и самым перспективным на сегодняшний день применением ИК-излучения в быту являются инфракрасные обогреватели. Их распространение активно растет, вытесняя устаревшие неэффективные виды отопления. А ставший сейчас таким актуальным вопрос сокращения издержек и расходов - как в домашнем хозяйстве, так и в бизнесе - только подстегивает этот процесс. Если еще в прошлом году обогрев хозяйственного помещения или, например, сторожки старой «трамвайной» печкой, стоящей там лет 20-30 и потребляющей «как паровоз», был не такой уж редкостью, то теперь желающих выбрасывать деньги «на ветер» заметно поубавилось. Тарифы на электроэнергию «кусаются» так, что в офисных помещениях владельцы и арендаторы уже нередко снимают даже купленные всего год назад новенькие электроконвекторы, чтобы поставить более экономичные инфракрасные приборы.

Убедившись, что конвекторы за отопительный сезон могут «нажечь» электричества на сумму, превышающую свою стоимость иногда в 2 и более раз). При том, что для жилых помещений из традиционной конвективной техники (то есть нагревающей помещение в основном за счет конвекции) электроконвектор считается самым эффективным. В этой связи интересен европейский опыт и, особенно, опыт наших северных соседей - Скандинавских стран - где до 70% малоэтажных зданий отапливается электричеством. В основном, это приборы прямого стационарного электроотопления (ПСЭО), преобразующие электроэнергию в тепло без промежуточного теплоносителя, в отличие, например, от радиаторного отопления, где таким посредником является нагретая вода, циркулирующая по трубам.

Всех представителей ПСЭО можно разделить на 3 группы: конвективные приборы (электроконвекторы, тепловентиляторы, тепловые завесы, тепловые пушки), инфракрасные обогреватели, системы «теплого пола» (кабельные и пленочные). Подробному сравнению этих групп мы посвятим отдельную статью, сейчас же ограничимся указанием примерного электропотребления каждой группы на квадратный метр площади жилья (в зимний период с учетом стандартной высоты потолков 2.5-3 м). Это, соответственно, 100-120, 35-70 и 150-300 Вт/м2 - цифры говорят сами за себя (для сравнения, потребление традиционного радиаторного отопления с электрическим котлом составляет 130-160 Вт/м2).

Нужно сказать, что в Скандинавии электрическое отопление всегда рассматривалось как важная составляющая защиты экологии, позволяющая минимизировать использование невозобновляемых источников энергии (газа, дизеля, мазута, угля, дров и т.д.) и снизить вредные выбросы в атмосферу. В последнее время ПСЭО получает все большее распространение и в России, где его пока больше ценят за высокий КПД - из-за отсутствия промежуточного теплоносителя (воды), значительное снижение капитальных затрат на отопление (отпадает необходимость в котле, трубах, фитингах, антифризе, дорогостоящем монтаже), удобство использования и комфорт. При этом из трех типов ПСЭО, несмотря на название, только второй (ИК-обогреватели) является действительно прямым отоплением, а в двух других все же используется скрытый промежуточный теплоноситель (воздух помещения), чем и объясняется такое преимущество инфракрасного отопления перед другими по экономичности.

Для массового внедрения в нашей стране инфракрасного отопления действительно есть много предпосылок и, прежде всего, это наш климат с длинными и холодными зимами и, как следствие, необходимость в максимально экономичном отоплении. С момента появления практичных, доступных по цене вариантов ИК-обогревателей прошло несколько десятилетий, но процесс их внедрения у нас почему-то не шел, хотя были у нас и свои передовые разработки, а когда-то мы даже были лидерами в этой области (к сожалению, это касается и многих других изобретений, до поры до времени пылящихся на полках). А ведь использование инфракрасного отопления в нашей стране было признано ведущими учеными как гигиеничное, эффективное и очень перспективное.

Как уже становится понятно, нет ни одного обогревателя, который бы грел только посредством излучения, или только посредством конвекции. Любой прибор использует их комбинацию и все дело в соотношении того и другого, а также в особенностях использования прибора. Попробуем разобраться, почему эффективность обогрева растет с увеличением доли лучистого теплообмена в общей теплоотдаче прибора. Во-первых, если обратиться к физике, при конвективном теплообмене мощность теплопередачи пропорциональна разнице температур тел, тогда как при лучистом теплообмене она пропорциональна разности этих же температур в четвертой степени (согласно закону Стефана-Больцмана, открытому еще на заре термодинамики). Но главное - это то, что человеку, как следует из вышеприведенных цитат В.Ф.Галанина, в действительности для восполнения теплового дефицита нужно не так много энергии, если доставлять ее адресно - туда, где она действительно нужна и в таком виде, в котором она лучше всего воспринимается. Этим требованием как раз и отвечает лучистое отопление, поскольку оно греет не воздух, а непосредственно самого человека, находящегося в зоне его действия, а также все окружающие предметы.

Температура предметов важна потому, что тело человека непрерывно обменивается с ними лучистой энергией. Например, если в прогретом помещении (даже с теплым полом) у окна холодный подоконник и сама внутренняя поверхность стекла, то от человека как от более горячего тела к ним идет отток излучения и человек ощущает зябкость (этим объясняется то, что системы теплого пола иногда не дают того эффекта комфортности и значительно больше потребляют). А температура воздуха из всех вышеперечисленных факторов на теплоощущение человека влияет меньше всего, поэтому все конвективные приборы по определению менее эффективны. Интересно, что само русское слово «обогреватель» по своей специфике подразумевает окружение человека теплой средой (воздухом), т.е. больше подходит для описания конвективного отопления, а для лучистого тепла больше подходит слово «сугрев».

А вот еще несколько интересных фактов из области этимологии (происхождения слов) в названиях обогревательных приборов. Кто задумывался, почему радиатор называется радиатором? Оказывается, это слово латинского происхождения означает «излучение». Поэтому, название это для привычной нам радиаторной батареи не совсем удачное, так как хотя этот прибор и отдает часть тепла в помещение через излучение (~20%), все же это преимущественно конвективный прибор (~80%). Интересно, что при расположении того же радиатора на полу доля его теплоотдачи излучением еще падает, а при расположении на потолке - наоборот, увеличивается в 1.5-2 раза. Поэтому даже примитивное по современным понятиям «паро-бетонное» потолочное отопление В.Яхимовича давало ощутимый результат. К счастью, современные системы лучистого отопления по эффективности шагнули далеко вперед. Например, КПД излучения современных инфракрасных длинноволновых потолочных обогревателей (электрических) приближается к 90%. Кстати, возвращаясь к русскому языку, «радиация» - это общее название для любого излучения, поэтому инфракрасное излучение - это тоже радиация, как и видимый свет.

А вот то опасное излучение, которое мы в просторечии привыкли называть «радиацией» (то, что излучается при распаде урана в атомных реакторах или исходит от природных радиоактивных материалов, таких как гранит) правильно называется ионизирующей радиацией и относится не к электромагнитному излучению, а является потоком крупных частиц. Электроконвектор, напротив, называется конвектором совершенно справедливо, хотя незначительная часть его тепла все же выделяется и в виде излучения. В последнее время появились конвекторы, которые для повышения эффективной теплоотдачи имеют дополнительный инфракрасный излучатель, но крепление на стену (под окном) приводит к тому, что ИК-лучи преимущественно идут параллельно полу, что сильно снижает их эффективность для обогрева (подробное сравнение конвективных и лучистых обогревателей, как обещали, в следующей статье).

Стоит еще коротко сказать и о том, что не так давно появившиеся на нашем рынке системы «теплого пола» стоят по принципу отопления несколько особняком, так как по способу обогрева их нельзя назвать ни конвективными, ни лучистыми системами. А с появлением на нашем рынке пленочных (инфракрасных) систем «теплого пола», имеющих меньшее электропотребление, чем уже более известные кабельные системы, интерес к ним заметно возрос. Сравнению систем теплого пола и потолочного лучистого отопления мы также уделим отдельную статью, тем более, что если брать пленочные системы, они вообще являются «родственниками». Там же будет уместно обсудить и более общий вопрос о сравнении между собой различных видов инфракрасных обогревателей по способу расположения в помещении: потолочных, настенных, напольных и «подпольных» (если так можно выразиться). Вплотную к этому примыкает и вопрос о рабочих частотах излучателей разных конструкций и о том, как выбор частоты влияет на эффективность обогрева и на показатели комфортности.