محاسبه گرمایش تابشی

محاسبه ظرفیت گرمایش تابشی به چه صورت انجام می شود؟ تامین گرمایش محیط‌های وسیع، مرتفع و گاها باز و نیمه باز مانند کارگاه‌ها، کارخانه‌ها، سوله‌ها، سالن‌های ورزشی، گلخانه‌ها و … همواره یک چالش بزرگ برای صاحبان کسب‌وکار بوده است. روش‌های سنتی بر پایه گرمایش همرفتی هیچگاه نتوانستند به‌ طور موثر این نیاز را برآورده کنند و تنها باعث هدر رفت انرژی و افزایش هزینه‌های عملیاتی بوده‌اند. حجم بالای فضا و اتلاف حرارت قابل‌ توجه از طریق سقف و دیوارهای بیرونی، دلیل اصلی این موضوع هستند. این امر باعث شد تا تجهیزاتی بر مبنای گرمایش تابشی، به‌ عنوان جایگزینی برای گرمایش همرفتی طراحی و معرفی شوند؛ اما افزایش بازدهی این سیستم‌ها کاملا وابسته به محاسبه گرمایش تابشی به‌طور دقیق است.

گرمایش تابشی چگونه مصرف انرژی را کاهش می دهد؟

سیستم گرمایش تابشی برخلاف گرمایش همرفتی که هوا را گرم می‌کند، با استفاده از امواج الکترومغناطیس (فروسرخ) موجب افزایش دمای اجسام، سطوح و افراد می‌شود. نحوه عملکرد سیستم گرمایش از سقف کاملا مشابه با گرم شدن زمین توسط نور خورشید است. در واقع انتقال حرارت بر پایه اصول فیزیکی تابش الکترومغناطیسی صورت می‌گیرد. به این شکل که امواج حامل انرژی حرارتی پس از برخورد با اجسام، سطوح و افراد، جذب شده و تبدیل به گرما می‌شوند. از آنجا که در سیستم‌های گرمایش تابشی، به‌ جای هوا، دمای اجسام افزایش پیدا می‌کند، مصرف گاز و برق گرمایش تابشی و اتلاف آن به میزان قابل‌ توجهی کاهش می‌یابد.

در محاسبه گرمایش تابشی، درک قوانین فیزیک تابش، به‌ خصوص قانون استفان-بولتزمن اهمیت بالایی دارد. بر اساس این قانون، توان تابشی یک جسم سیاه رنگ با توان چهارم دمای مطلق آن متناسب خواهد بود. از این رو هرچه دمای سطح تابشی بالاتر باشد، میزان انرژی تابانده شده به‌صورت تصاعدی افزایش خواهد یافت. سیستم‌های گرمایش تابشی لوله ای بر اساس قانون استفان-بولتزمن عمل کرده و کارایی را به‌ حداکثر می‌رسانند.

بنابراین محاسبه ظرفیت گرمایش تابشی به شما امکان می‌دهد تا با در نظر گرفتن متغیرهای متعدد انرژی مورد نیازتان را تخمین بزنید و بهترین تجهیز را با کمترین هزینه انتخاب نمایید.

محاسبه ظرفیت گرمایش تابشی چه معنایی دارد؟

به طور کلی محاسبه گرمایش تابشی، فرایندی دقیق و مهندسی است که توان حرارتی مورد نیاز سیستم را تعیین می‌کند. هدف از این محاسبه جبران حرارت تلف شده محیط و حفظ دمای آسایش است. در محاسبه ظرفیت هیتر تابشی گازی باید ظرفیت اسمی سیستم بر حسب واحد توان حرارتی تعیین گردد تا توزیع دما به‌طور یکنواخت صورت گرفته و بهره‌وری انرژی به حداکثر برسد.

بیشتر بخوانید : هیتر فضای باز

این محاسبات در گذشته بر اساس حجم فضا و اتلاف حرارت از طریق همرفت انجام می‌شدند، اما گرمایش تابشی، تابع قوانین تابش الکترومغناطیسی و انتقال حرارت از طریق تابش است. برای دست‌یابی به نتایج دقیق، می‌بایست روابط بین منبع تابشی، سطوح جذب‌کننده و محیط اطراف به‌دقت مدل‌سازی شوند. طراحی یک بخاری تابشی سقفی بهینه، میزان مصرف انرژی را کاهش داده و مانع از اتلاف انرژی می‌شود.

عوامل تاثیرگذار بر محاسبه گرمایش تابشی

محاسبه گرمایش تابشی یک تحلیل پیچیده و چند وجهی است. در این فرایند پارامترهای مختلف محیط صنعتی یا تجاری، باید به‌ طور دقیق مورد بررسی قرار گیرند. به این معنا که تنها به تعیین توان حرارتی بر اساس مساحت فضا بسنده نشده و می‌بایست عوامل فیزیکی و محیطی مورد بررسی قرار گیرند. با این کار بهره‌وری سیستم به حداکثر رسیده و اتلاف انرژی کاهش خواهد یافت.

بیشتر بخوانید : بهترین سیستم گرمایش مرغداری

• اتلاف انرژی حرارتی

یکی از عوامل بسیار مهم در محاسبه ظرفیت گرمایش تابشی، میزان اتلاف انرژی حرارتی محیط است. برای این منظور قوانین انتقال حرارت مثل هدایت، همرفت و تابش بررسی می‌شوند. نتیجه این محاسبات، تعیین مقدار دقیق انرژی حرارتی‌ است که از جداره‌های ساختمان (دیوارها، سقف، کف، پنجره‌ها و درها) به بیرون انتقال می‌یابد. برای دستیابی به نتایج دقیق، باید تمام سطوح با استفاده از فرمول‌های انتقال حرارت و در نظر گرفتن ضریب انتقال حرارت کلی، محاسبه شوند. در این محاسبات نباید اتلاف حرارت ناشی از نفوذ هوا و تهویه را نادیده بگیرید. باز بودن درها و پنجره‌ها، وجود منافذ در ساختمان و سیستم‌های تهویه، بخش قابل‌ توجهی از بار حرارتی کل را تشکیل می‌دهند.

• ابعاد ساختمان

اطلاعات حجم کل فضا مثل مساحت و ارتفاع سقف، برای محاسبه گرمایش تابشی لازم و ضروری هستند. سیستم‌های گرمایش همرفتی عملا در فضاهایی که سقف مرتفعی دارند، ناکارآمد خواهند بود. چرا که هوا پس از گرم شدن به‌سمت سقف حرکت کرده و توده هوای سرد جای آن را می‌گیرد. این درحالیست که گرمایش تابشی به‌ طور مستقیم بر اشیا، سطوح و افراد اثر گذاشته و ضعف سیستم‌های گرمایش همرفتی را به‌ طور کامل برطرف می‌کند. از این رو در محاسبه ظرفیت هیتر تابشی، دیگر نیازی به در نظر گرفتن حجم کل هوا نبوده و تنها به مساحت سطح و چیدمان هیترها اکتفا می‌شود. فضاهای وابسته مانند راهروها، اتاق‌ها و انبارهای متصل نیز باید در محاسبات لحاظ شوند.

• شرایط عملیاتی و تاسیسات موجود

زیرساخت‌ها و تجهیزاتی مثل سیستم‌های تهویه، فن‌ها و دستگاه‌های صنعتی، تولید حرارت می‌کنند. بنابراین می‌بایست در محاسبات گرمایش تابشی در نظر گرفته شوند. به‌ عنوان مثال وجود سیستم تهویه برای کاهش آلایندگی‌های صنعتی، نیاز گرمایشی را افزایش خواهد داد. چرا که به‌ طور مداوم هوای سرد به محیط داخلی وارد می‌شود. همچنین یک کارگاه تولیدی با ماشین‌آلات، به گرمایش کمتری نسبت به یک انبار نیاز دارد.

• تعیین دمای مطلوب

در حالی که سیستم‌های همرفتی برای تامین دمای آسایش، هوا را تا 22 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند، گرمایش تابشی قادر است این شرایط را در دمای 18 درجه سانتی‌گراد مهیا کند. اثر تابشی باعث شده تا بدن افراد به‌ طور مستقیم گرم شود و احساس رضایت بیشتری داشته باشند. این تفاوت دمایی در محاسبه گرمایش تابشی نیز باید در نظر گرفته شود. در واقع دمای مطلوب بر اساس میزان فعالیت فیزیکی افراد محاسبه می‌گردد. با این رویکرد علاوه‌بر فراهم کردن محیطی مطلوب، مصرف انرژی به‌ میزان قابل‌ توجهی کاهش خواهد یافت. در واقع به ازای کاهش هر درجه دما، 3 تا 5 درصد در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌شود.

بیشتر بخوانید : تفاوت هیتر تابشی لوله‌ای و سرامیکی

• تعیین ظرفیت هیتر تابشی

این ظرفیت در واقع همان توان حرارتی اسمی هیتر بوده که باید بتواند اتلاف حرارتی محیط را به‌ طور کامل جبران نماید. انتخاب یک هیتر تابشی با ظرفیت مناسب، گرمای محیط را به‌ طور بهینه تأمین کرده و از هدر رفت انرژی جلوگیری می‌کند. برای تخمین اولیه ظرفیت هیتر گرمایش تشعشعی مورد نیاز، می‌توانید از فرمول زیر استفاده کنید.

ظرفیت هیتر (وات)= مساحت (m²) × تلفات حرارتی (وات/m²)

• تعداد و چیدمان هیترها

پس از به‌ دست آوردن بار حرارتی و توان مورد نیاز، نوبت به تعیین نوع، تعداد و چیدمان هیترها می‌رسد. در این مرحله هیترها باید به‌ گونه‌ای انتخاب شوند که توان حرارتی آن‌ها به‌ طور موثر، بتواند از پس پوشش حرارتی یکنواخت و کارآمد محیط برآید. همچنین با چیدمان صحیح می‌توان از ایجاد نقاط سرد جلوگیری کرده و گرمای مورد نیاز هر ناحیه را تامین نمود. به‌ طور معمول اینکار با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌ساز حرارتی، در نظر گرفتن زاویه تابش و ارتفاع نصب هیترها انجام می‌شود.

نحوه محاسبه گرمایش تابشی

محاسبه گرمایش تابشی را می‌توان به چند روش مختلف انجام داد، اما محاسبه بار گرمایشی BTU می‌تواند نتایج بسیار دقیق‌تری را در اختیارتان بگذارد.

1. محاسبه اتلاف حرارت از طریق هدایت و همرفت

برای این منظور می‌بایست میزان اتلاف حرارت از جداره‌های محیط را به‌ طور دقیق به‌ دست آورید. اختلاف دما بر اثر تفاوت دمای داخل و خارج ساختمان و همچنین مصالح استفاده شده در ساخت، اتفاق می‌افتد. اتلاف حرارتی را باید برای هر کدام از سطوح مانند دیوار، سقف، کف، پنجره‌ها و درها، با استفاده از فرمول زیر و به‌ طور جداگانه به‌دست آورید و تمام نتایج را با یکدیگر جمع کنید.

Q​=A×U×ΔT

• Q​: میزان اتلاف حرارت از سطح، BTU/hr
• A: مساحت سطح، فوت مربع (ft²)
• U: ضریب کلی انتقال حرارت، BTU/hr.ft².°F (این ضریب میزان عایق‌بندی هر کدام از مصالح را نشان می‌دهد)
• ΔT: اختلاف دمای مطلوب داخل و بیرون (°F)

بیشتر بخوانید : طراحی سیستم گرمایش گلخانه

2. محاسبه اتلاف حرارت بر اثر نفوذ هوا

قدم دوم در محاسبه ظرفیت هیتر تابشی، بررسی میزان اتلاف حرارت به علت نفوذ هوای بیرون از جداره‌ها یا منافذ درها و پنجرها است. با استفاده از فرمول زیر باید اتلاف حرارتی هر کدام از جداره‌ها را به‌ دست آورده و نتایج را با یکدیگر جمع کنید.

Q​=0.018×V×ΔT

• Q​: میزان اتلاف حرارتی، BTU/hr
• V: حجم هوای نفوذی؛ فوت مکعب بر ساعت (CFM)
• ΔT: اختلاف دمای مطلوب داخل و بیرون، درجه فارنهایت (°F)
• نکته: عدد 0.018 یک مقدار ثابت در فرمول است.

3. محاسبه بار حرارتی کل و ظرفیت هیتر تابشی

بار حرارتی کل، در واقع مقدار انرژی مورد نیاز بوده که باید توسط سیستم گرمایش تابشی تولید شود. مجموع حاصل اتلاف حرارت بر اثر نفوذ هوا و اتلاف حرارت از طریق هدایت و همرفت، میزان اتلاف حرارتی کل را نشان می‌دهد. از این رو با جمع‌ کردن تمامی مقادیر محاسبه شده در گام‌های قبلی، می‌توانید مقدار اتلاف حرارت کل را به‌ دست آورید.

بار حرارتی کل (Qtotal) = اتلاف حرارت از طریق هدایت و همرفت + اتلاف حرارت نفوذ هوا

برای محاسبه گرمایش تابشی باید ظرفیت اسمی هیتر برابر با بار حرارتی کل، تقسیم بر راندمان تابشی هیتر باشد. هیترهای تابشی مانند هر سیستم گرمایش دیگری دارای راندمان حرارتی هستند.

P هیتر = بار حرارتی کل (Qtotal) / راندمان تابشی هیتر

• P هیتر​: ظرفیت اسمی هیتر، BTU/hr
• بار حرارتی کل (Qtotal)​: بر حسب BTU/hr
• راندمان تابشی هیتر: این مقدار برای هیترهای تابشی مدرن ۶۰ تا ۹۵ درصد است.

بیشتر بخوانید : گرمایش تابشی رستورانی

       4. انتخاب و چیدمان هیترهای تابشی

آخرین گام در محاسبه هیتر تابشی تعیین تعداد هیترها بر اساس ظرفیت به‌ دست آمده و طراحی چیدمان مناسب برای آن‌هاست. چنانچه ظرفیت کل مورد نیاز را بر ظرفیت هر دستگاه تقسیم کنید، تعداد هیترها مشخص خواهد شد. هر هیتر باید به‌ گونه‌ای نصب گردد که پوشش حرارتی یکنواختی در ناحیه کاری فراهم کند.

محاسبه سرانگشتی گرمایش تابشی

با استفاده از فرمول زیر می‌توانید به‌طور سرانگشتی و حدودی گرمایش تابشی را محاسبه کنید. این فرمول بر اساس چند ضریب تقریبی، توان گرمایشی مورد نیاز را بر حسب کیلوکالری بر ساعت (kcal/hr) نشان می‌دهد.

گرمایشی مورد نیاز (Q) = 151.2 × A × AF × K

• A: مساحت زیربنا، متر مربع (m²)
• AF: ضریب هوا
• K: ضریب اختلاف دمای مطلوب داخل و محیط بیرون

این روش، یک محاسبه گرمایش تابشی ساده‌سازی شده است که به شما کمک می‌کند بدون نیاز به اطلاعات دقیق عایق‌بندی و مصالح ساختمانی، ظرفیت سیستم گرمایش تابشی مورد نیاز خود را برآورد کنید.

مزایای محاسبه گرمایش تابشی

• مدیریت مصرف انرژی و کاهش هزینه‌ها: مهم‌ترین مزیت محاسبه گرمایش تابشی، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و به تبع آن کاهش قابل‌توجه هزینه‌های مرتبط با آن است. با تعیین دقیق بار حرارتی مورد نیاز، دیگر نیازی به انتخاب سیستمی با ظرفیت بیش از حد نخواهد بود. این موضوع هزینه اولیه خرید را کاهش داده و در بلند مدت، هزینه‌های عملیاتی را کم می‌کند.
• تامین دمای مطلوب و افزایش بهره‌وری: با محاسبه هیتر تابشی می‌توانید دمای آسایش محیط کاری را برای پرسنل تامین کنید. این شرایط باعث شده که کارکنان در محیطی مطبوع و سالم‌تر فعالیت کنند. کار کردن در چنین محیطی تمرکز و بهره‌وری را افزایش خواهد داد.
• تأمین سریع گرمایش محیط: مکانیزم عملکرد سیستم‌های گرمایش تابشی، تامین گرمای فوری را ممکن می‌سازد. محاسبه دقیق گرمای مورد نیاز و چیدمان دقیق تجهیزات، می‌تواند این ویژگی را بهبود ببخشد.
• طراحی دقیق سیستم: برای محاسبه ظرفیت گرمایش تابشی، تمامی پارامترها در نظر گرفته می‌شوند. بنابراین طراحان قادر خواهند بود تعداد و نوع هیترها را به‌دقت مشخص کنند.

سوالات متداول