Promienniki gazowe podczerwieni w halach przemysłowych

Promienniki gazowe i inne systemy ogrzewania promieniowaniem podczerwonym

Promienniki gazowe po raz pierwszy pojawiły się w USA na początku lat 70. XX w., kiedy to po opatentowano pierwsze urządzenie z prostymi rurami i ekranem. Zainteresowanie rozwiązaniem szybko rosło i promieniowanie cieplne zaczęto wykorzystywać w coraz nowszych modelach promienników i taśm promieniujących. Ich nowe konstrukcje wymusiły wprowadzenie nomenklatury dla różnych typów. Urządzenia, które są wykorzystywane w systemach ogrzewania przez promieniowanie można podzielić na:

• sufitowe taśmy/panele promieniujące (wodne, parowe),
• płyty promieniujące (maty) umieszczone blisko ogrzewanego obiektu,
• promienniki elektryczne podczerwieni (ciemne, kwarcowo-halogenowe),
• promienniki olejowe podczerwieni,
• promienniki gazowe podczerwieni (ceramiczne, rurowe).

 

Zasada działania

Energia promieniowania z urządzeń przekazywana jest za pomocą fal elektromagnetycznych. W ciałach o niskiej temperaturze, tzn. <700°C promieniowanie ma małą energię kwantu i obejmuje zakres dalekiej podczerwieni IR-C, które jest typowe dla promienników wodnych i promienników gazowych rurowych (ciemnych). Ze wzrostem temperatury ciała promieniującego powstaje promieniowanie podczerwone średniofalowe IR-B, które jest typowe dla emiterów o temperaturze 700–1800°C i występuje w promiennikach ceramicznych (jasnych). Krótkofalowe promieniowanie podczerwone IR-A jest z kolei typowe dla emiterów o temperaturze powyżej 2200°C, np. dla promienników elektrycznych kwarcowo-halogenowych. W przypadku ciał o wysokiej temperaturze (ok. 4000°C) powstaje krótkofalowe promieniowanie podczerwone oraz widzialne i nadfioletowe. Co ważne, promieniowanie podczerwone rozchodzi się w próżni, powietrzu, gazach, cieczach czy ciałach stałych [1].

Promienniki gazowe podczerwieni – podział

Promienniki gazowe można podzielić ze względu na konstrukcję i sposób spalania mieszanki powietrzno-gazowej na:

• promienniki gazowe o wysokiej intensywności, tzw. ceramiczne bądź jasne, w których spalanie zachodzi na powierzchni ceramicznej płyty,
• promienniki gazowe o niskiej intensywności, tzw. rurowe bądź ciemne, w których spalanie zachodzi wewnątrz rury.

 

Do podziału i oceny promienników gazowych wykorzystywana jest ich sprawność. Parametr ten może być rozumiany w różny sposób i wymaga wnikliwej analizy, jakich cech dotyczy, bowiem można wyróżnić sprawność cieplną, kominową oraz radiacyjną (promieniowania).

Współczynnik promieniowania R_f (rozumiany jako sprawność promieniowania) zgodnie z normami PN-EN 419-2 i PN-EN 416-2 definiowany jest jako stosunek ilości ciepła emitowanego z urządzenia przez referencyjną płaszczyznę promieniowania do obciążenia cieplnego odniesionego do wartości opałowej gazu stosowanego w badaniu. Normy dopuszczają dwie metody pomiarowe A i B. Istnieją jednak wątpliwości, co do poprawności wyników uzyskanych metodą A, ponieważ mogą być obarczone błędem ze względu na silny wpływ promieniowania wtórnego od podłogi i sufitu. Wyniki pomiarów współczynnika promieniowania promiennika tej samej mocy metodą A i B będą się różnić – te uzyskane za pomocą metody A będą wyższe (nieprawdziwe), dlatego powinny zostać usunięta z norm. Obliczony współczynnik promieniowania nie powinien nie powinien być niższy niż 0,4, a ponadto pozwala podzielić promienniki gazowe na dwie klasy. Pierwsza to urządzenia o współczynniku R_f w zakresie 0,4–0,5, a druga – o sprawności powyżej 0,5.

Współczynnik promieniowania promienników ceramicznych dostępnych na rynku mieści się w zakresie 60,6–83,4%, zaś promienników rurowych w zakresie 55–83%. Należy wspomnieć, że nie istnieje oficjalny podział ze względu na sprawność promieniowania, jednak określenie wysokosprawny promiennik gazowy można odnieść do urządzeń o R_f powyżej 70%. W przypadku promienników o niskiej sprawności (R_f poniżej 65%) oraz standardowych (R_f w zakresie 65–70%) występują większe straty ciepła konwekcyjne i radiacyjne. Niestety, w kartach katalogowych najczęściej nie jest określona metoda pomiaru, a przedstawiciele handlowi również nie potrafią jej wskazać. Mając to na uwadze, jeśli projektant odczyta z karty katalogowej wartość R_f = 83%, czyli najwyższą dla urządzeń sprzedawanych w Polsce, to wcale nie musi to oznaczać, że wybrane promienniki gazowe będą miały najwyższą sprawności promieniowania.

Im wyższy jest współczynnik R_f, tym lepiej urządzenia są wyposażone, np. wysokosprawne promienniki gazowe rurowe mają izolowany ekran o wysokim współczynniku refleksyjności, modulowany palnik nadmuchowy oraz rury wykonane ze stali. Oczywiście te elementy konstrukcyjne wpływają na wyższą cenę, jednak należy pamiętać, że zastosowanie modeli o niskiej sprawności promieniowania powoduje wysyłanie mniejszej ilości ciepła w żądanym kierunku i może wiązać się z koniecznością zamontowania większej liczby urządzeń w celu uzyskania w hali wymaganej temperatury odczuwalnej [2].

W obecnej metodologii certyfikacji budynków (np. LEED, BREEAM), dzięki zastosowaniu wysokosprawnych promienników gazowych możliwe jest uzyskanie 1–2 punktów. W 2021 r. liczba obiektów magazynowo-przemysłowych budowanych w Polsce zgodnie z założeniami certyfikacji wielokryterialnych była wyższa o 61% w stosunku do roku poprzedniego. Obiektów tego typu powstało w 2021 r. więcej niż budynków biurowych.

Do opisu sprawności promienników używany jest również parametr sezonowej efektywności energetycznej η_s, zdefiniowany w rozporządzeniu ustanawiającym wymogi dotyczące ekoprojektu dla miejscowych ogrzewaczy pomieszczeń – dyrektywa 2009/125/WE wraz z rozporządzeniem wykonawczym Komisji Europejskiej 2015/1188. Zgodnie z nimi w przypadku promienników ceramicznych minimalna sprawność to η_s ≥85%, a w przypadku rurowych – η_s ≥74%. Urządzenia niespełniające tych wytycznych musiały zostać wycofane z produkcji.

Promienniki gazowe można również podzielić ze względu na typ sterowania mocą. Dostępne są modele z automatyczną regulacją palnika (modulacja możliwa jest w różnych zakresach mocy, np. od 50 lub 70% [4]) oraz takie, w których wydajność cieplna ustawiana jest manualnie za pomocą regulatora potencjometrycznego.

Promienniki gazowe – najnowsze rozwiązania

Obecnie przedsiębiorstwa produkujące promienniki gazowe dążą przede wszystkim do zmniejszenia ich wymiarów przy zapewnieniu tej samej sprawności promieniowania i mocy. Ma to umożliwiać ich montaż w nowoprojektowanych halach, w odstępach między liniami tryskaczy. Ponadto, w odpowiedzi na najnowsze trendy trwają również prace nad wdrożeniem promienników rurowych w pełni kompatybilnych z wodorem [4].

Porównując poszczególne elementy konstrukcyjne promienników gazowych można stwierdzić, że ich wykonanie i jakość mogą być bardzo różne, co wpływa na koszt oraz sprawność całego systemu, zużycie gazu oraz koszty eksploatacyjne budynku. Wyższa sprawność uzyskiwana jest dzięki izolacji ekranu promieniującego, przy czym znanym zjawiskiem jest utrata własności izolacyjnych po sezonie grzewczym spowodowana wysoką temperaturą uzyskiwaną podczas pracy urządzeń. Promienniki gazowe wysokosprawne, dzięki pełnej izolacji reflektora odpowiedniej konstrukcji palnika i laminarnemu ukształtowaniu płomienia wewnątrz rur promieniujących oraz użyciu specjalnych materiałów konstrukcyjnych osiągają najwyższą sprawność radiacyjną – na poziomie 80%.

Na rynku pojawiły się także nowoczesne rozwiązania technologiczne umożliwiające odzyskiwanie ciepła odpadowego ze spalin promienników gazowych, gorącego powietrza koncentrującego się wokół urządzeń i mieszaniny gorących spalin oraz powietrza powstałej w wyniku działania promienników. Systemy odzysku ciepła odpadowego są oferowane przez nieliczne firmy i są rzadko stosowane, mimo że ich potencjał techniczny nie powinien być ignorowany. Uchodzące do niedawna za nieopłacalne technologie stosowane w procesie odzysku ciepła z nośników niskotemperaturowych, obecnie stały się przedmiotem wielu analiz i badań [4], [6].

Czytaj też: Ogrzewanie hali pompą ciepła

Zastosowanie w halach przemysłowych

Promienniki gazowe podczerwieni najpowszechniej są stosowane w halach magazynowych i produkcyjnych oraz w centrach logistycznych, ale stosuje się je również w hangarach lotniczych, wiatach, salach widowiskowych oraz obiektach sportowych, a także w hurtowniach i pawilonach handlowych, budynkach inwentarskich, fermach hodowlanych, szklarniach, kościołach oraz zajezdniach pojazdów komunikacji miejskiej. W USA wykorzystuje się je również w krytych pływalniach.

Promienniki gazowe podczerwieni montowane są w celu ogrzewania całego wnętrza obiektu wielkokubaturowego, wydzielonej strefy lub dogrzania stanowiska pracy. Modele ceramiczne można dodatkowo stosować również na zewnątrz budynków, np. do ogrzewania trybun sportowych, peronów dworców lub rozmrażania ramp. Oprócz funkcji grzewczej promienniki gazowe zarówno rurowe, jak i ceramiczne mogą być używane m.in. do osuszania cienkiej warstwy materiałów sypkich i powłok malarskich, w przemyśle ceglarskim oraz ceramicznym. Sprawdzą się również w procesach suszenia i prażenia produktów spożywczych.

Promienniki gazowe stosuje się także w budynkach o okresowym działaniu, zróżnicowanym przeznaczeniu lub słabej izolacji cieplnej oraz obiektach wysokich. W porównaniu z innymi systemami grzewczymi zapewniają bardzo dobre efekty ogrzewania przy niskich kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Poniższy rysunek przedstawia oszczędność energii w przypadku ogrzewania promiennikami w porównaniu do ogrzewania konwekcyjnego w funkcji wysokości budynku [5].

Promienniki gazowe nie mogą być natomiast wykorzystywane do ogrzewania wnętrz mieszkalnych i biurowych oraz pomieszczeń, w których produkuje się lub przechowuje materiały łatwopalne, substancje tworzące mieszaniny wybuchowe, łatwopalne gazy lub wydzielają się pyły i opary.

Promienniki gazowe ceramiczne są mniej popularne niż rurowe, ale czasem stanowią lepsze lub jedyne rozwiązanie. Mogą być montowane na słupach lub przegrodach pionowych, dzięki czemu nie obciążają stropodachów. Ze względu na to, że spaliny są odprowadzane do wnętrza, pomieszczenia nie wymagają instalowania kominów. Ponadto, jest do nich łatwiejszy dostęp w trakcie corocznego serwisowania. Niektóre modele charakteryzują się wysoką sprawnością radiacyjną, nieosiągalną dla promienników rurowych. W przypadku braku możliwości dostarczenia do promiennika rurowego powietrza o odpowiedniej czystości, np. ze względu na zapylenie w obrębie hali, stosuje się promienniki ceramiczne pobierające powietrze ze środka hali dostarczane z zewnątrz przez odpowiednie filtry.

Projektowanie systemu ogrzewania z promiennikami gazowymi

Dobierając promienniki gazowe podczerwieni należy wziąć pod uwagę specyfikę obiektów o dużej kubaturze i sposób ich użytkowania, np.:

• zapotrzebowanie na ciepło obiektu uwzględniające cechy budowlane – współczynnik przenikania przegród budowlanych (izolacyjność ścian, a szczególnie stropodachu), stopień przeszklenia, wielkość bram wjazdowych,
• przeznaczenie obiektu wielkokubaturowego,
• czas użytkowania obiektu w ciągu doby,
• rodzaj technologii stosowanej w obiekcie,
• rozmieszczenie stanowisk pracy i sposób składowania produktów,
• warunki konstrukcyjne obiektu i jego wymiary,
• odstępy między słupami konstrukcyjnymi i wysokości torów suwnic lub inne przeszkody, np. instalacja tryskaczowa,
• sposób wentylacji obiektu,
• rodzaj dostępnego paliwa do ogrzewania,
• konieczność zapewnienia jednakowej temperatury w całym obiekcie lub temperatury komfortu w strefach przebywania ludzi czy temperatury odpowiedniej ze względu na stosowaną technologię,
• żądaną temperaturę wewnątrz obiektu oraz temperaturę dyżurną.

 

Projekt ogrzewania promiennikami obejmuje:

• dobór liczby promienników z uwzględnieniem typu (ceramiczny/rurowy), sprawności (wysokosprawny, standardowy, niskosprawny), mocy znamionowej i zainstalowanej,
• określenie wysokość montażu promienników – minimalnej ze względu na moc urządzenia [7], a także maksymalnej, wymagającej zwiększenia mocy zainstalowanej w wyniku zbyt niskiej temperatury odczuwalnej w strefie przebywania ludzi; wysokość montażu wynika często z warunków budowlanych hali, a im wyżej są umieszczone promienniki gazowe, tym korzystniejszy rozkład temperatury odczuwalnej w pomieszczeniu; na rysunku poniżej pokazano izotermy w przypadku promiennika o mocy 45 kW [8],

• określenie zasięgu promieniowa i odległości między urządzeniami z uwzględnieniem kąta zawieszenia promiennika; w przypadku konieczności równomiernego ogrzewania całej hali rozmieszczenie urządzeń powinno zapewnić równomierne napromieniowanie strefy przebywania ludzi, a pola działania promienników przecinać się na wysokości co najmniej 1,5 m nad posadzką i obejmować promieniowaniem przegrody pionowe do wysokości ok. 2 m (rysunek poniżej); zawieszenie promienników wzdłuż przegród zewnętrznych pod kątem do środka hali wpływa na obniżenie temperatury promieniowania przy ścianie i wzrost temperatury w środkowej części pomieszczenia,

• obliczenie intensywności promieniowania, która nie powinna przekraczać 300 W/m² na wysokości 1,8 m nad posadzką, bądź 200 W/m² na wysokości 1,5 m nad podłogą [9].

 

Intensywność promieniowania i wysokość zamontowania promienników są decydującymi kryteriami przy ich doborze, gdyż nie można dopuścić do nadmiernego wzrostu temperatury odczuwalnej na wysokości głowy człowieka – maks. 25°C na wysokości 1,8 m nad posadzką [9].

Podsumowanie

Współczynnik sezonowej efektywności energetycznej i współczynnik promieniowania wyznaczone na podstawie badań laboratoryjnych potwierdzonych certyfikatem pozwalają na predykcję ilości energii, która zostanie zużyta przez promienniki gazowe i oszacowanie opłacalności inwestycji. W porównaniu do innych systemów konwekcyjnych ogrzewania wysokosprawnymi promiennikami już w ciągu kilku pierwszych lat pozwoli osiągnąć oszczędności energii przy jednoczesnym zapewnieniu właściwych warunków termicznych w hali.

Literatura
1. E. Dudkiewicz, „Wielokryterialna ocena systemu odzysku ciepła odpadowego z promienników gazowych”, Monografie Komitetu Inzynierii Środowiska PAN 175/2021.
2. E. Dudkiewicz, N. Fidorów, J. Jezowiecki, „Wpływ sprawności promienników podczerwieni na koszt zużycia energii”, „Rocznik Ochrony Środowiska” 1/2013 (t. 15).
3. E. Dudkiewicz, „Wymagania dotyczące ekoprojektu dla gazowych promienników podczerwieni”, „Rynek Instalacyjny” 9/2018.
4. https://schwank.pl.
5. G. Feng, G. Cao, i L. Gang, „Practical analysis of a new type radiant heating technology in a large space building”, „Heating technologies for energy efficiency” 3–4/2006.
6. E. Dudkiewicz, „Odzysk ciepła odpadowego w halach ogrzewanych promiennikami gazowymi”, muratorplus, 2021.
7. E. Dudkiewicz, J. Jeżowiecki, „Minimalna wysokość zawieszenia ceramicznych gazowych promienników podczerwieni”, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 7/8/2007.
8. https://www.systemapolska.pl/produkty/promienniki-gazowe.
9. E. Dudkiewicz, J. Jeżowiecki, „Temperatura odczuwalna w obiektach ogrzewanych promiennikami ceramicznymi”, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” 5/2008.