Konwekcja czy radiacja - porównanie systemów ogrzewania. Który lepiej się sprawdzi w obiekcie wielkokubaturowym?

Konwekcja i radiacja (promieniowanie) to systemy ogrzewania różniące się sposobem emisji ciepła. Przedstawiamy systemy ogrzewania oparte na konwekcji oraz radiacji. Jakie są zalety i wady poszczególnych rozwiązań. Kiedy sprawdzi się ogrzewanie konwekcyjne, a kiedy radiacyjne?

Konwekcja i radiacja - definicje

Zjawisko przekazywania energii w postaci ciepła przez ciało o temperaturze wyższej do tego o niższej nazywa się wymianą ciepła. W przypadku stałego stykania się ze sobą różnych cząstek płynu zachodzi ich wzajemne mieszanie się – zjawisko konwekcji (unoszenia) ciepła. Warunkiem koniecznym do wystąpienia tego procesu jest ruch płynu:

• swobodny – wywołany różnicą temperatur, a tym samym różnicą ciężaru właściwego,
• wymuszony – spowodowany działaniem zewnętrznego urządzenia: pompa czy wentylator.

Wymiana ciepła za pośrednictwem fal elektromagnetycznych, niewymagająca bezpośredniego kontaktu cząstek ciał, a jedynie przepuszczalnego ośrodka, nosi z kolei nazwę radiacji - promieniowania ciepła i zachodzi na powierzchni ciał stałych, cieczy oraz cząsteczek gazów co najmniej trójatomowych.

Wytyczne dla projektanta

Największym wyzwaniem dla projektanta hal przemysłowych są ich duże powierzchnie, kubatury i wysokości. Lekka konstrukcja, zagospodarowanie wnętrza, specyficzne wymagania inwestora oraz dostępne w danej lokalizacji nośniki energii wpływają na zapewnienie komfortu cieplnego użytkowników przy jednoczesnym spełnieniu określonych wymagań dotyczących procesów technologicznych. Kolejną sprawą jest okresowość korzystania z obiektu oraz tzw. nieustalona wymiana ciepła związana z otwieraniem dużych bram i częstym, intensywnym przewietrzaniem hali.

Aby system ogrzewania odznaczał się wysoką efektywnością energetyczną, musi szybko reagować na zmieniające się chwilowe obciążenie cieplne, czyli mieć małą bezwładność cieplną. Należy więc zweryfikować, które rozwiązanie daje większe oszczędności – wyłączanie ogrzewania w nocy lub podczas nieobecności pracowników czy jedynie obniżanie w tych okresach temperatury w sposób kontrolowany do poziomu tzw. dyżurnej. Minimalizowanie strat ciepła poprzez wysoką szczelność i właściwe ocieplenie (zwłaszcza dachu) pomaga skrócić czas nagrzewania oraz utrzymać wymaganą temperaturę w danej strefie hali. Dobrym rozwiązaniem są kurtyny powietrzne, które zapobiegają nadmiernemu wyziębianiu wnętrza spowodowanemu częstym otwieraniem drzwi i bram. Najczęściej wydziela się strefy stanowisk pracy, obsługi urządzeń, socjalną, biurową i inne. Znaczenia nabiera tu możliwość obróbki powietrza wentylacyjnego – filtracji, nagrzewania lub chłodzenia, nawilżania bądź osuszania, a także sterowania jego ilością, czy wreszcie zastosowanie odzysku ciepła lub chłodu. W strefie pracy maszyn należy zapewnić inne warunki niż w miejscu pracy i przebywania ludzi, nie zapominając przy tym o konieczności uwzględnienia wymagań ppoż.

Procesy produkcyjne realizowane w halach przemysłowych często są źródłem podwyższonego poziomu hałasu, dlatego instalacja ogrzewania powinna funkcjonować w miarę cicho, aby nie powodować dodatkowego dyskomfortu akustycznego.Powyższe aspekty należy przeanalizować przed podjęciem decyzji o zakupie systemu ogrzewania hali przemysłowej, produkcyjnej czy magazynowej. Pomoże to w wyborze rozwiązania efektywnego energetycznie i trwałego, które zapewni użytkownikom komfort termiczny.

Od konwekcji do radiacji - przegląd systemów ogrzewania hal

Stosowane obecnie systemy uszeregowane zostały w kolejności od przekazującego ciepło wyłącznie na drodze konwekcji do działającego w oparciu o radiację. Osobną kategorię stanowi tzw. ogrzewanie hybrydowe, łączące zarówno obie metody przekazywania ciepła, jak i związane z nimi urządzenia.

Ogrzewanie powietrzne

System najczęściej wybierany do hal produkcyjnych przeznaczonych na stały pobyt ludzi. Wentylator wymusza obieg powietrza, które po ochłodzeniu kierowane jest na wymiennik ciepła, skąd po ogrzaniu trafia z powrotem do pomieszczenia. W sposób kontrolowany może być mieszane z tym z zewnątrz (recyrkulacja). Dobrze zaprojektowany nawiew gwarantuje równomierny pionowy rozkład temperatury i jest w stanie utrzymać ją na komfortowym poziomie 18–20°C. Nawiewniki dalekiego zasięgu pozwalają względnie szybko wymieszać podgrzane powietrze z chłodniejszym w obrębie całego budynku po okresie przerwy w ogrzewaniu. Zaletą tego systemu jest niemal natychmiastowa emisja ciepła do pomieszczenia z możliwością jego wentylacji oczyszczonym powietrzem (z kontrolowanym udziałem świeżego w zależności od pory roku), a w razie potrzeby łatwe przekierowanie na inne stanowisko pracy. Minusem zaś podwyższony koszt wynikający z zastosowania wentylatora i zużycia energii pomocniczej do jego napędu.

Ogrzewanie konwekcyjne

Dobrze sprawdza się w niezbyt wysokich i długich pomieszczeniach w obrębie hali, nie powinno natomiast być wykorzystywane w wysokich wnętrzach. Grzejniki konwekcyjne – najczęściej wodne w postaci rur stalowych bądź ożebrowanych – przekazują ciepło do omywającego je powietrza. Przy dużej kubaturze jest to rozwiązanie niezbyt ekonomiczne i mało komfortowe, nadmierne ilości ciepła opuszczają bowiem strefę pracy i gromadzą się pod stropodachem. Wadą tego systemu jest również długi czas potrzebny do osiągnięcia wymaganej temperatury ogrzewanego pomieszczenia.

Ogrzewanie płaszczyznowe

Najczęściej ogrzewanie podłogowe wodne, którego instalację należy wcześniej przeanalizować, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak obciążenie posadzki przemysłowej, umiejscowienie maszyn, lokalizacja kanałów technicznych itp. Posadzki przemysłowe muszą być bardziej wytrzymałe, co wymaga zastosowania lepszego zbrojenia. Do zalet tego systemu zalicza się brak burzliwego ruchu powietrza – kurz i pył nie unoszą się, bezawaryjność (przewody grzewcze zatopione w podłodze nie potrzebują konserwacji ani przeglądów), niskie parametry czynnika grzejnego (30–45°C), możliwość współpracy z kotłem kondensacyjnym lub pompą ciepła oraz szybkie wysychanie podłogi. Do wad zalicza się zwykle wyższy koszt inwestycyjny niż w przypadku pozostałych systemów oraz większą bezwładność cieplną.

Ogrzewanie promiennikami ciepła

Polega na przekazywaniu ciepła na drodze promieniowania bezpośrednio do ogrzewanych powierzchni (ludzi, produktów czy innych przedmiotów) i bez konieczności podgrzewania powietrza. Uznawane jest za bardziej komfortowe dla człowieka. Można zastosować tu promienniki wodne, gazowe lub elektryczne, przy czym te pierwsze wymagają dodatkowego źródła ciepła – kotła. Wadą drugich z wymienionych jest konieczność doprowadzenia określonej ilości powietrza niezbędnego do procesu spalania i stosunkowo wysoka temperatura ich powierzchni (do 500°C), zaletą natomiast możliwość selektywnego ogrzewania punktowego wybranych stanowisk czy stref pracy.

Przegląd urządzeń i elementów dostarczających ciepło

Ważnym aspektem ogrzewania dużych powierzchni jest rozmieszczenie urządzeń grzewczych w obiekcie. Niektóre z nich podlegają ścisłym obostrzeniom dotyczącym miejsca montażu, wynikającym ze specyfiki ich funkcjonowania, dlatego należy koniecznie zapoznać się z zaleceniami producenta i bezwzględnie ich przestrzegać. Przyrządy pracujące w grupie powinny być montowane w taki sposób, by zoptymalizować działanie całego układu.

Nagrzewnice i aparaty grzewczo-wentylacyjne

Dużą ich zaletą jest możliwość pracy nie tylko w trybie grzewczym, lecz także chłodzącym. Tego typu urządzenia szybko nagrzewają powietrze, które następnie rozprowadzane jest po całym pomieszczeniu, i można skierować je na wybrany punkt. Nagrzewnice mogą być przenośne lub montowane na stałe – stojące lub wiszące. Najpopularniejsze są modele ogrzewane przez wodę (konieczne jest wykorzystanie instalacji centralnego ogrzewania) i gaz. Rzadziej stosuje się olejowe i elektryczne z uwagi na ceny nośników energii. Kolejną ich zaletą są niewielkie gabaryty. Stojące w hali lub zawieszone na słupach albo pod stropem działają podobnie – niezależnie od źródła ciepła. Mogą pracować wyłącznie na powietrze wewnętrzne, zewnętrzne albo z recyrkulacją. Należy pamiętać, że nawet prawidłowo zaprojektowana nagrzewnica, zlokalizowana zgodnie z zaleceniem producenta, w praktyce może nie spełnić swojej funkcji, jeśli w budynku występują przeciągi, które mogą powstawać w trakcie otwierania i zamykania bram oraz ruchu pojazdów.

Generatory ciepłego powietrza

Urządzenia te opalane są biomasą, ekogroszkiem lub olejem. To bardzo skuteczna metoda ogrzewania hal. Energia chemiczna zawarta w paliwie jest bezpośrednio przekazywana do powietrza (płomienie, spaliny), bez udziału wody jako czynnika grzewczego. W kolejnym etapie jest ona tłoczona do pomieszczenia za pomocą wentylatora o dużej wydajności przez specjalną kierownicę lub przy użyciu rękawów bądź rur powietrznych.

Tradycyjne grzejniki wodne

Umieszczane są na ścianach zewnętrznych pod oknami. Ogrzewane przez nie powietrze unosi się do góry wzdłuż okien, tworząc kurtynę powietrzną. Ich zastosowanie ma niewielki wpływ na strefy znajdujące się wewnątrz hali, dlatego idealnie nadają siędo tzw. ogrzewania dyżurnego, zapewniając odpowiednią temperaturę w okresie, gdy obiekt jest nieużytkowany.

Promienniki

Stosuje się je jako źródło ciepła głównie w wysokich pomieszczeniach. Bezpośrednie ogrzanie odpowiedniego miejsca czy ciała pozwala na ukierunkowanie strumienia ciepła w dolne partie obiektu, co minimalizuje straty związane z konwekcją. Urządzenia te mogą być zasilane gazem, energią elektryczną lub gorącą wodą. Modele gazowe dzielą się na ceramiczne (tzw. jasne) oraz rurowe (tzw. ciemne lub o niskiej intensywności). Elektryczne można stosować w pomieszczeniach narażonych na wybuch gazów i par. Proces ogrzewania rozpoczyna się natychmiast po włączeniu urządzenia. Jego wydajność nie zmniejsza się na otwartej przestrzeni czy w dużej kubatur ze zamkniętej aniw przypadku słabej izolacyjności cieplnej osłony budynku, która często cechuje hale przemysłowe. Inne zalety promienników to duża wydajność, skuteczność, niewielki ciężar oraz prostota montażu i użytkowania. Duża precyzja omawianego systemu wynikaz możliwości ogrzewania podczerwienią w sposób ogólny, strefowy lub punktowy, a wybór rozmieszczenia urządzeń emitujących ciepło uzależniony jest od specyfiki hali oraz indywidualnych potrzeb użytkowników.

Kurtyny powietrzne

Należą do specyficznych urządzeń grzewczych ograniczających wypływ ciepłego powietrza z hali i zmniejszających napływ zimnego. Montowane są nad bramą lub drzwiami (poziomo) bądź obok wejścia (pionowo). Ich zadaniem jest zmniejszenie różnic temperatur po jego obu stronach i wyeliminowanie efektu przeciągu w pomieszczeniu. Działają lokalnie i mają małą bezwładność cieplną. Wykorzystywane są w bezpośrednim sąsiedztwie bram lub drzwi.

Grzejniki kanałowe

Umieszczone w kanale podłogowym są w stanie skutecznie ogrzać powierzchnię oraz ochronić ją przed napływem zimnego powietrza z zewnątrz, podobnie jak kurtyna powietrzna, mają jednak od niej mniejszą wydajność. Montuje się je głównie wzdłuż przeszkleń, gdzie ciepło jest najszybciej oddawane oraz istnieje potrzeba zabezpieczenia okna przed zaparowaniem i wilgocią.

Destratyfikatory powietrza

Urządzenia nie wytwarzają ciepła, ale wspomagają system ogrzewania poprzez wywoływanie mieszania się mas powietrza o różnej temperaturze. Dzięki nim ciepłe powietrze zgromadzone pod sufitem jest przemieszczane do chłodniejszych stref zlokalizowanych przy podłodze. Pozwala to uzyskać równomierny pionowy rozkład temperatury w całej hali. Najlepiej sprawdzają się w obiektach wysokich (powyżej 6 m), w których przez swoisty odzysk ciepła umożliwiają znaczne zmniejszenie kosztów ogrzewania.

Porównanie systemów ogrzewania dla hal przemysłowych

Aby system ogrzewania hali produkcyjnej spełniał swoje zadania oraz oczekiwania inwestora, powinien być dobrze przemyślany i uwzględniać wiele różnych elementów. Prawidłowa analiza ruchu powietrza w obiektach wielkokubaturowych nie jest prosta, a projektantowi zazwyczaj trudno przewidzieć wszystkie czynniki, które na niego wpływają. W przypadku dużych i wysokich pomieszczeń szczególnie polecane są promienniki ciepła. Niektóre hale wymagają jednak zapewnienia takiej samej temperatury w każdym miejscu, a nie jest to możliwe przy zastosowaniu wspomnianych urządzeń – zawsze bowiem pozostaną powierzchnie zacienione, które nie będą wystarczająco dobrze ogrzewane. Natomiast jeśli nie ma potrzeby ogrzewania całej hali, dobrym rozwiązaniem będzie zamontowanie promienników nad drogami transportowymi, po których poruszają się ludzie, dzięki czemu można obniżyć koszty ogrzewania.