有效的红外加热设备布局

自从穴居人在洞穴中趴在火堆旁保暖以来，人类就一直在努力改善环境舒适度。如今存在各种供暖方法，以根据相同古老的热传递基本规律，将热量从热源传递到人体空间，来调节建筑空间的温暖或凉爽。

在建筑空间中，热量通过对流或辐射传递。炉子、屋顶或单元加热器以及空气循环是对流传热的例子。红外热是辐射传热，通常通过燃气低强度管式加热器或开放式火焰陶瓷面高强度加热器来实现。

暖气系统的优点包括：中央热源和将温暖的空气送到精确位置的管道的灵活性。此外，调节设备可以轻松集成到管道系统中。一些缺点包括：噪音、分层、灰尘循环和高端运营成本，尤其是在较大的“箱型建筑”结构中。

红外加热器通过直接和间接的热机制使人们保持温暖。加热器产生红外能量，辐射到人和物体上，前者吸收能量并直接将其转化为体热，就像被阳光加热一样。击中地板、墙壁和建筑物中其他物体的辐射能被吸收，这些物体变暖后重新辐射热能。这种机制与地球吸收阳光后大气变暖的原理相同。

加热设备放置 – 将热放在寒冷处

更大化热容量

处于加热器直接辐射能量路径中的物体吸收能量，并重新辐射到周围的空气中。

不同材料具有吸收直接辐射能量的能力。例如，空气是一个较差的吸收体；钢铁、木材和纸板是中等良好的吸收体，但混凝土是红外能量的优秀吸收体。由于大多数建筑结构都采用混凝土地板，我们有了一个理想的热容量或热“储罐”。当有多余的热量时，它吸收并储存。当缺乏热量时（打开门或有异常寒冷的夜晚），热容量释放其热量，并将其辐射到建筑空间中的其他材料。将热容量概念设计到辐射加热布局中，可以极大地改善温度和热量的均匀分布。

次要规则: 将加热器放置在能够覆盖到大量混凝土地板的位置。

（混凝土地板是优秀的红外能量吸收体，因此将加热器放置在能够看到更多混凝土地板的位置可以更大化利用其热容量。这样做可以确保加热器将更多的热量直接辐射到地板上，从而提高整个空间的加热效果，并实现更加均匀的温度分布）

尽量选择功率小的加热器，按照在合适的位置

低强度红外线管加热器具有各种发射速率，通常从约50,000 BTUH到220,000 BTUH不等，并配有制造商建议的给定速率的辐射器长度。针对整个建筑的热损失进行匹配时，许多设计师的反应是选择足够长以“覆盖”整个地板面积的设备 – 这并不总是较佳选择。

所有经批准的辐射管加热器都已通过了由ANSI标准规定的低热效率测试，这些测试要求管温度不能超过1100°F加环境温度，烟道气体温度也不能超过400°F加环境温度。为了达到覆盖的目的增加辐射管长度会降低烟气温度，但只会稍微增加总辐射输出，因为红外输出与温度的四次方成正比。粗略估算，一个长度为十英尺，直径为四英寸的辐射管在250°F时将释放约5000 BTUH的热能，其中几乎全部会上升到天花板。

拉长辐射器管的另一个负面影响是风险可能达到烟气露点，届时会形成酸性冷凝物，可能导致早期腐蚀失效。

此外，拉伸加热器并进一步降低其烟道端温度会增加端到端温差，并降低人们的舒适感。

坚持对地板面积进行完全的辐射覆盖未能意识到地板混凝土质量使得热重新释放均匀，并且没有考虑到直接红外线的一些散射。

综上所述，重要的是将加热器尽可能高挂，以更大化地板上的辐射覆盖面积，同时记住高处击中外墙的直接红外能通常是损失的能量。将加热器移至建筑物中心以避免这种情况。

第三规则 ：在速率和其他性能标准相等的情况下，选择较短而不是较长的加热器，并尽可能高挂。这将更大限度地提高您的资本成本回报，并将延长设备的使用寿命，而不会降低效率或性能。

提高辐射效率

如前所述，所有获批准的红外辐射加热器都达到了相同的低热效率标准，虽然通过增加发射体长度可以提高这些效率，但性能的任何改进在更好情况下也是有限的，并且被负面因素所抵消。实际上，热效率是衡量红外加热器性能的一种误导性方法，真正重要的是：“与消耗的燃料相比，有多少能量到达地面和占据者？”也就是说，加热器的辐射效率是多少？

不幸的是，这个问题没有简单的答案。低强度管式加热器的物理配置挑战了衡量辐射效率的标准化方法。即使用于高强度加热器的方法也大多有缺陷。一些常识性的类比可能帮助我们理解将更大化加热器辐射效率的因素，而不必定量地确定一个实际数值。

举一个例子，制造商A对制造商B进入市场感到担忧，因此他们在测试设施中比较了各自的加热设备。在这两种加热设备中，A的输出率略高，热效率也略高。加热器的长度相同。每个加热器运行相同的时间，并记录了地面网格模式上的温度升高。与最初的期望相反，加热器B将更多的热量传递到地面，而实际上地面的热量是用户唯一关心的。在测试这两套设备时，确定了两个加热器之间可能影响这些结果的唯一重要差异是反射器（罩）设计。加热设备B装备了反射器（罩）末端挡板，并且有一个深盘多面铝反射器设计，而加热设备A有一个更浅且非常简单的“高顶帽”设计。

所有加热设备都有圆形管状发射器（通常直径为4英寸），红外能量径向发射。

如果加热器没有反射器，它会有多高效？显然，所有没有到达地面的辐射输出通常不会有助于加热空间，所以大约30%。如果一个加热器装备了一个完美的抛物线反射器，能将所有发射的能量集中并反射到地面，它会有多高效？除去对流损失，99%的发射辐射能量将到达地面并有助于加热空间。

前述类比得出一个明显的结论。

第四规则：为了更大化辐射效率，选择更佳的反射器，它们能将更大量的发射能量以紧凑的模式反射到地面。此外，末端挡板有助于保持发射器温度并减少对流损失。

匹配热负荷

任何供暖系统的设计都必须从预期的热负荷计算开始。基于建筑设计、其用途以及当地的天气统计数据，ASHRAE的公式可以相当准确地预测维持建筑空间舒适度所需的热量。虽然设计师们意识到，更高效的供暖系统是那种能够持续提供仅足以满足当前热损失的热量的系统，但他们也认识到超出统计数据的极端天气确实会发生，他们宁愿被指责过度设计而不是设计不足。供暖系统很少运行超过其更大容量的75-80%。

此外，不同供暖方法固有的有效性差异是人们理解不足的。炉子和单元加热器的热效率是已知的，通常在80-85%之间。锅炉的热效率高达90%，这些值通常被纳入供暖设计计算。然而，对流器/散热器和红外辐射加热器的传递效率了解得不那么充分，因此常常被忽视。

在计算中没有包括设备热效率的因子，但包含了辐射传递的因子。这个因子通常是效率的5-15%的增益。因此，设计一个辐射供暖系统时，进行典型的ASHRAE度日计算，但匹配的系统容量可能减少5-15%。

高强度加热器更适用于局部供暖，依靠提供高度直接辐射的快速恢复。必须为烟气的通风预留额外的热量。因此，性能因子的增加永远不会超过5%。对于低强度设备，其中一些系统可以实现低至80%范围的热效率，效率因子可以提高到15%和20%。

过度设计辐射供暖系统很少对设备本身产生不利影响，但过大的系统更频繁的循环会降低个人舒适度和燃料经济性。

第五规则：在使用Superior Radiant Products低强度辐射系统设置设备分布时候，使用常规ASHRAE方法计算建筑热损失，并用80-90%的总热损失值去计算相匹配设备的单独功率和数量。我们需要更大化舒适度和燃料经济性，但不要过度设计供暖系统。

新技术

虽然良好的布局实践在很大程度上促进了更佳的个人舒适度和燃料成本节省更多，但一些近期的设备设计创新进一步提高了舒适度控制。

关于传统低强度红外加热器的一个常见抱怨是，加热器从一端到另一端的辐射输出差异相对较大。这种操作条件阻碍了这些设备在人员较多且天花板较低的应用中的使用。Superior Radiant Products研发的L系列加热设备解决了这个不足。通过修改燃烧器中的气流，并使用不同的材料沿发射器长度，加热器的辐射输出差异保持在15%以下。

理论上，如果供暖系统能够精确且持续地响应建筑的热损失，将达到理想的舒适条件和燃料经济性更大化。传统供暖系统，包括红外辐射都很难完全达到理想的状态。系统只能以关闭或开启操作，并依赖于恒温器来保持空间温度通常处于所需设置。从两个角度来看，这是低效的。在春季和秋季期间，系统显然被过度设计以满足外部条件。为了产生少量热量，系统将在极短的时间内以开启操作，并在很长一段时间内关闭。每个启动周期都会浪费燃料以使设备达到其操作温度，然后系统的热动量和恒温器内的公差会使系统在每个周期都超过其设置。周期越频繁，浪费的燃料就越多。此外，这种循环和在低热需求时较大燃烧率的条件对居住者来说是不舒服的。

前述内容由以下图表I形象地描述。

图表I 传统技术 开启/关闭

两级变量加热设备已经在市场上使用多年，并改善了所描述的缺点。一个两级恒温器指示加热器以其容量的大约75%运行，直到加热器无法跟上建筑热损失，然后发出信号以开始燃烧器速率。图表II形象地描述了这一点。变速加热器在淡季改善了舒适条件，并且通过延长每个周期的运行时间，可能实现一些燃料节省。

图表II – 标准高低技术

文章提供:
Eric Willms, P. Eng.
前任Superior Radiant Products Ltd.总裁
前任CSA Joint Sub-Committee on Infrared Heaters 理事