Ogrzewanie hal - rodzaje systemów ogrzewania hal produkcyjnych, magazynowych i innych

2018-12-07 11:19 dr inż. Zbigniew Cebulski, Politechnika Łódzka, Instytut Maszyn Przepływowych
hala magazynowa
Autor: archiwum redakcji Wybrana do np. hali przemysłowej instalacja grzewcza powinna również spełniać wymagania stawiane przez użytkowników – zapewniać odpowiednie warunki dla procesów przemysłowych i niezbędny komfort cieplny pracownikom

Dobór odpowiedniego systemu ogrzewania hal produkcyjnych, hal magazynowych, czy warsztatów zależy od stawianych im wymagań oraz przeznaczenia.

Artykuł ukazał się w publikacji „Hale Przemysłowe” 2016
Zobacz e-wydanie

W budynkach i pomieszczeniach wielkopowierzchniowych występują znaczne straty ciepła w krótkim czasie. Są one powodowane m.in. otwieraniem drzwi i bram, ruchem pojazdów lub intensywnym ruchem ludzi. Oszczędna eksploatacja tego typu budynków wymaga okresowego obniżania temperatury, a następnie szybkiego jej podnoszenia. Podejmując więc decyzję o wyborze systemu ogrzewania dla modernizowanych hal, jak i nowych inwestycji, należy brać pod uwagę nie tylko koszty zakupu i montażu urządzeń, ale także późniejszej ich eksploatacji i konserwacji.

Ogrzewanie hal zintegrowane z wentylacją

Jednym ze sposobów ogrzewania hal lub innych obiektów wielkokubaturowych jest system zintegrowany z wentylacją poprzez centrale oraz sieć kanałów lub przez centrale bezkanałowe. W pierwszym przypadku system nadmuchowy współpracuje z centralą wentylacyjno-klimatyzacyjną umożliwiającą odpowiednią obróbkę powietrza (także chłodzenie).
W celu zapewnienia efektywnego ogrzewania hali niezbędny jest prawidłowy rozdział powietrza. Aby umożliwić jego skuteczną dystrybucję przy dużych odległościach i wysokościach oraz zmiennej temperaturze powietrza nawiewanego, stosowane są nawiewniki szczelinowe lub dysze dalekiego zasięgu. Takie rozwiązania wykorzystuje się w obiektach, w których wymagane jest utrzymanie określonych parametrów powietrza w danych strefach.
Centrale bezkanałowe składają się z jednostki zewnętrznej montowanej na dachu hali oraz wewnętrznej (podstropowej) umieszczanej w ogrzewanym i wentylowanym pomieszczeniu. Instalowane są tam, gdzie nie ma przeszkód wewnętrznych oraz ścian działowych, a lokalizacja pomieszczenia ogrzewanego umożliwia montaż centrali na dachu. Ważnym elementem tych systemów są przepustnice regulacyjne, które pozwalają na realizację różnych trybów pracy centrali oraz odzysk ciepła (recyrkulacja i rekuperacja).

Patrz też: Wentylacja hal produkcyjnych - wymagania. Wentylacja wywiewna i nawiewna

Niezależne systemy ogrzewania hal

Wśród niezależnych systemów ogrzewania hal, a także innych budynków wielkokubaturowych wyróżniamy: tradycyjne grzejnikowe, powietrzne, radiacyjne, a także gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni.

Tradycyjne ogrzewanie grzejnikowe

W Polsce najczęściej używany jest konwekcyjny system ogrzewania oparty na tradycyjnych grzejnikach lub rurach stalowych. To konwencjonalna metoda ogrzewania, w której przenoszące się ciepło podnosi temperaturę całej objętości powietrza, co przy dużej kubaturze pomieszczenia nie jest ekonomicznym rozwiązaniem. Wynika to z faktu, że aby osiągnąć wymaganą temperaturę w dolnych partiach budynku, ogrzewamy masy powietrza kumulujące się pod sufitem. Zatem ciepło nierównomiernie się rozmieszcza i duże ilości energii gromadzą się w miejscu nieprzydatnym dla użytkowników. Powoduje to większe straty ciepła przez przegrody budowlane, a tym samym podnosi całkowite koszty ogrzewania pomieszczeń. Metoda ta ma także małą skuteczność ze względu na długi czas potrzebny do uzyskania określonej temperatury wewnątrz budynku. Jej popularność jest niewspółmierna do efektywności i opłacalności podczas eksploatacji.
Instalacje oparte na systemach grzejnikowych doskonale nadają się do pomieszczeń o mniejszych kubaturach, jak np. mieszkania. Ogrzewanie hal potrzebuje bardziej wydajnych systemów, które pozwolą szybko ogrzać wnętrze i utrzymać wymaganą temperaturę.

Ogrzewanie powietrzne hal

Systemy grzewcze w halach i pozostałych dużych obiektach muszą szybko reagować na zmiany temperatury, a także być proste w działaniu i ekonomiczne. Jedną z metod dostarczania ciepła do tego typu budynków jest ogrzewanie powietrzne – nadmuchowe, w którym wykorzystuje się wymienniki ciepła, np. nagrzewnice lub aparaty grzewczo-wentylacyjne oraz wentylatory.

Elementy składowe urządzenia umieszczone są w jednej obudowie. Zasada działania tego systemu ogrzewania polega na odebraniu energii cieplnej od czynnika grzewczego i przekazaniu jej do otoczenia. Wentylator wymusza obieg powietrza – zasysa je i kieruje do wymiennika ciepła. Powietrze, omywając jego powierzchnię, odbiera ciepło i następnie trafia do pomieszczenia.

Patrz też: Oddymianie hal przemysłowych i magazynowych

Najprostsze z urządzeń tego typu mogą ogrzewać tylko powietrze wewnętrzne (rys. 1). Po zamontowaniu dodatkowej komory mieszającej i specjalnej przepustnicy możliwe jest kierowanie do nagrzewnicy powietrza z pomieszczenia lub z zewnątrz, a zatem mieszanie obiegowego i zewnętrznego bądź czerpanie tylko powietrza zewnętrznego. Te rozwiązania umożliwiają zmniejszanie gradient temperatury we wnętrzu. Dzięki wprawieniu powietrza w ruch oraz specjalnej budowie wymiennika nagrzewnice mają wysokie współczynniki wymiany ciepła. Konstrukcja urządzenia grzewczo-wentylacyjnego (dyfuzory, przepustnice) pozwala na równomierne rozprowadzanie strumienia ciepłego powietrza lub skierowanie go dokładnie tam, gdzie jest potrzebne, a także jego cyrkulację w całym pomieszczeniu.

Schemat urządzenia grzewczo-wentylacyjnego
Autor: Z. Cebulski rys.1. Schemat urządzenia grzewczo-wentylacyjnego

Urządzenia grzewczo-wentylacyjne dostępne są jako: mobilne (przenośne), stacjonarne (stojące), wiszące (rys. 2). Ich wydajnością i mocą steruje automatyka.

Urządzenia grzewczo-wentylacyjne
Autor: Z. Cebulski Rys. 2. Urządzenia grzewczo-wentylacyjne

Nagrzewnice mogą być zasilane przez: wodę, parę, gaz, olej, energię elektryczną. W modelach wodnych i parowych powietrze ogrzewane jest przez gorącą wodę (parę) przepływającą przez wymiennik. Urządzenia te nie przysparzają kłopotów z regulacją w okresach przejściowych, pozwalają uzyskiwać powietrze o ściśle określonych parametrach oraz nadawać strumieniom różny zasięg i kierunki przepływu. Niektóre modele przystosowane są także do zasilania wodą lodową, co w okresach wysokich temperatur pozwala również chłodzić pomieszczenia. W przypadku nagrzewnic wodnych nie ma szczególnych ograniczeń w ich użyciu poza wytycznymi co do emisji hałasu oraz ich ochrony przed zamarzaniem.

W nagrzewnicach gazowych i olejowych ciepło przekazywane jest do wymiennika przez spaliny powstające w procesie spalania. Wielką zaletą tego rodzaju instalacji jest możliwość natychmiastowego rozpoczęcia ogrzewania pomieszczenia, w przeciwieństwie do urządzeń wodnych, które są ograniczone bezwładnością układu. Wprawdzie nie trzeba doprowadzać do nich pary lub wody, ale należy je podłączyć do instalacji gazowej lub olejowej oraz odprowadzenia spalin.

Aby system grzewczo-wentylacyjny pracował poprawnie, niezbędny jest dobór odpowiednich urządzeń. Utrzymanie w pomieszczeniu parametrów cieplnych założonych w projekcie będzie możliwe, jeżeli przeanalizowane zostaną takie aspekty, jak: moc, ilość i rozmieszczenie urządzeń, zasięg strumieni powietrza, zastosowanie właściwych elementów sterujących. Do regulacji strumienia powietrza wykorzystywane są obecnie automatycznie przestawiane urządzenia wylotowe, a także nawiewniki wirowe.

W zależności od wymaganej temperatury w pomieszczeniu stosuje się też płynną regulację temperatury czynnika grzewczego przed nagrzewnicą.

Właściwe ustawienie elementów instalacji umożliwia podniesienie komfortu termicznego i obniżenie zużycia energii. Produkowane dziś urządzenia są bardziej oszczędne i pracują z większą sprawnością niż te, które powstawały kilka lat temu. Do napędu wentylatorów w nowoczesnych rozwiązaniach ogrzewania nadmuchowego wykorzystywane są energooszczędne silniki elektronicznie komutowane EC, dla których pobór mocy jest mniejszy nawet o 40%.
Połączenie funkcji grzewczych i wentylacyjnych, zastosowanie prostej instalacji oraz przystępne koszty inwestycji i eksploatacji sprawiają, że rozwiązania tego typu sprawdzają się do ogrzewania hal magazynowych, handlowych i produkcyjnych, warsztatów czy obiektów sportowych. Mała bezwładność systemu zapewnia szybkie osiągnięcie pożądanej temperatury oraz pozwala dostosować moc grzewczą do aktualnych potrzeb.

Ogrzewanie hal radiacyjne

W budynkach o dużej kubaturze i powierzchni stosowane jest ogrzewanie radiacyjne. Mamy z nim do czynienia wtedy, gdy przeważająca część strumienia ciepła od urządzenia grzejnego oddawana jest poprzez promieniowanie cieplne, polegające na przenoszeniu energii pomiędzy ciałami o różnych temperaturach za pośrednictwem fal elektromagnetycznych.

W tego typu systemach źródłem ciepła są promienniki. Dzięki nim urządzenia nie ogrzewają bezpośrednio powietrza, gdyż nośnik energii – promieniowanie podczerwone – przenika przez nie praktycznie bez strat, nie powodując jego ogrzania. Ciepło dociera więc bezpośrednio do wybranych powierzchni bądź też osób znajdujących się w polu promieniowania, od których wtórnie ogrzewane jest powietrze. Tego typu systemy grzewcze charakteryzują się małą bezwładnością i są cenione jako ekonomiczne źródła ciepła dla wysokich wnętrz. Dzięki ukierunkowanemu promieniowaniu ogrzewa się dolne partie pomieszczeń, czyli w przypadku wysokich hal te, gdzie przebywają ludzie. Jest to bardzo istotne, gdyż w halach produkcyjnych czy halach magazynowych często występują długie przerwy w ogrzewaniu lub też znajdują się strefy o zróżnicowanym zapotrzebowaniu na ciepło. W systemie tym nie ogrzewa się zbędnie mas powietrza na danej przestrzeni, dzięki czemu straty energii są mniejsze niż w przypadku ogrzewania konwekcyjnego. Utrzymanie niskiej temperatury powietrza na dużych wysokościach obiektu oraz odpowiedniej w strefach przebywania ludzi wpływa na znaczne zmniejszenie kosztów poniesionych na jego ogrzewanie. Przykładowy rozkład temperatury w hali, w której wykorzystano promienniki pokazano na rys. 3.

Do ogrzewania radiacyjnego pomieszczeń o dużej kubaturze najczęściej stosowane są gazowe i elektryczne promienniki podczerwieni.

 Rozkład temperatur w hali ogrzewaniej promiennikami
Autor: Schwank Rys. 3. Rozkład temperatur w hali ogrzewaniej promiennikami

Gazowe promienniki podczerwieni

Jednym z rodzajów gazowych promienników podczerwieni są promienniki ceramiczne wysokiej intensywności, tzw. jasne (rys. 4). Oddawanie ciepła w tych urządzeniach zachodzi poprzez promieniowanie mocno rozgrzanych płyt ceramicznych, których powierzchnia osiąga temperaturę rzędu 800–1000ºC. Spalanie mieszanki gazu i powietrza przygotowanej w komorze mieszania następuje ok. 2 mm pod powierzchnią płyty ceramicznej w wykonanych w niej drobnych kanalikach. Setki niewielkich płomyków wytwarzają ciepło, które zostaje natychmiast oddane w postaci promieniowania podczerwonego. Następnie specjalne reflektory odbijają je i kierują bezpośrednio do strefy przebywania ludzi. Dzięki pracy gorących płytek ceramicznych rozgrzany reflektor również emituje podczerwień i w ten sposób generuje tzw. promieniowanie kombinowane (rys. 5).

gazowy promiennik podczerwieni
Autor: Schwank Rys. 4. Ceramiczny, gazowy promiennik podczerwieni
promiennik podczerwieni
Autor: Schwank Rys. 5. Zasada działania promiennika podczerwieni

Efektywność promiennika jest dodatkowo zwiększona przez zastosowanie siatki promieniującej, natomiast izolacja ceramiczna z tylnej części reflektora minimalizuje straty ciepła związane ze stratyfikacją gorącego powietrza i niekorzystnym zjawiskiem jego unoszenia do góry w kierunku dachu budynku. Niedogodnością promienników ceramicznych z otwartym źródłem spalania jest konieczność zapewnienia odpowiedniej wentylacji, czyli określonej minimalnej ilości powietrza niezbędnej do procesu spalania.

W ofercie rynkowej znajdziemy także urządzenia, w których powietrze to może być pobierane z zewnątrz, a spaliny odprowadzane poza ogrzewane pomieszczenie. Trochę inaczej działają gazowe promienniki rurowe niskiej intensywności, tzw. ciemne (rys. 6). Wyposażone są w palnik gazowy, który podczas spalania gazu wytwarza długi, laminarny płomień we wnętrzu rury promieniującej. Powstałe ciepło rozgrzewa elementy promiennika do temperatury rzędu 300–500°C. Rury wykonane są ze stali węglowej pokrytej czarną emalią, wewnątrz nich cyrkulują spaliny. Specjalny ekran – reflektor montowany ponad rurami promiennika, odbija promieniowanie podczerwone w żądanym kierunku. Dodatkowo dzięki zaizolowaniu reflektorów można ograniczyć konwekcyjną stratę ciepła poprzez ich ścianki do wyższych części ogrzewanego budynku. Promienniki rurowe mogą być dostosowane do pośredniego albo bezpośredniego odprowadzania spalin, przy czym doskonalszą konstrukcją są gazoszczelne rurowe promienniki podczerwieni wyposażone w elektryczny wentylator wyciągowy. System odprowadzający produkty spalania do atmosfery montowany jest na zakończeniu urządzenia.

promiennik rurowy budowa
Autor: Schwank Rys. 6. Budowa gazowego promiennika rurowego

Elektryczne promienniki podczerwieni

Promienniki elektryczne możemy podzielić na rurowe, w których skręcony śrubowo drut grzejny izolowany przez tlenek magnezowy osadzony jest w rurze ze stali odpornej na wysokie temperatury, oraz halogenowo-kwarcowe, nazywane też reflektorami ciepła, w których wewnątrz kwarcowej rury wypełnionej halogenem znajduje się włókno wolframowe. Promienie wysyłane przez źródło są kierowane do przestrzeni ogrzewanej za pomocą odpowiednio ukształtowanych reflektorów wykonanych z wypolerowanej blachy. Ogrzewacze kwarcowo-halogenowe to obecnie najnowocześniejsze rozwiązanie elektrycznego promiennika podczerwieni. Składają się z prostej rury kwarcowej wypełnionej halogenem, w której umieszczony jest żarnik wolframowy. Jego włókna rozgrzewające się do 2200ºC dają intensywne białe światło oraz skoncentrowaną krótkofalową wiązkę promieniowania podczerwonego, stanowiącą źródło energii cieplnej. Tak powstała lampa umieszczona jest w ognisku reflektora parabolicznego silnie odbijającego i kierującego wiązkę promieniowania na wymaganą przestrzeń. Ogrzewacze kwarcowe mogą być używane do pracy dorywczej lub długotrwałej w następujących klasach zastosowań: ogrzewanie ogólne, strefowe, punktowe oraz w obszarach na wolnym powietrzu, a także do ochrony przed szronieniem. Z powodu względnie wysokiej temperatury lamp grzewczych i dużej gęstości promieniowania w ich pobliżu nie wolno ich stawiać w strefach zagrożenia wybuchowego.

Przy niskim usytuowaniu ogrzewaczy, tzn. na wysokości poniżej 2,2 m nad podłogą, oraz w halach sportowych konieczne jest użycie osłon bezpieczeństwa, aby zapobiec fizycznemu zniszczeniu lub w celu ochrony przed dotknięciem ich gorącej powierzchni.

Systemy grzewcze wykorzystujące promieniowanie mogą być używane do ogrzewania nie tylko wszelkiego rodzaju hal, ale także przestrzeni otwartych. Ponadto promienniki są sterowane automatycznie, a więc umożliwiają zorganizowanie precyzyjnego ogrzewania w poszczególnych strefach budynku, uwzględniając wymagane wartości temperatury, a także dobowy i tygodniowy rytm pracy. Mogą pracować punktowo, ogrzewając pojedyncze strefy lub stanowiska pracy.

Artykuł ukazał się w publikacji „Hale Przemysłowe” 2016
Zobacz e-wydanie

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej