Тепло в загородном доме
Шрифт:
Лучистая отопительная система
При лучистом отоплении температура воздуха (tv) ниже температуры окружающих плоскостей (tu). При этом tv тем ниже tu, чем хуже теплоизоляционные свойства строительных конструкций и чем ниже внешняя температура (te).
В данном случае действительно обратное неравенство, чем при конвекционном отоплении.
Расчет потребности в тепле для определения тепловой мощности излучателей производится из системы трех линейных уравнений теплового равновесия помещения. При учитывании только одной охлаждающейся плоскости – пола общая плотность лучистого потока), излучаемая
Qс = (1 – e). Фс. Ys • Qp : Sс (W.m – 2).
Неизвестные величины – общая плотность лучистого потока – qс (W.m – 2), средняя температура воздуха внутри помещения – tv (° С) и температура облучаемой горизонтальной проекции площади – tс (° С). Они рассчитываются из трех уравнений теплового равновесия отапливаемого пространства с учетом человека, находящегося в нем, следующим образом:
1. Уравнения теплового баланса облучаемой горизонтальной площади (Sс):
qc = qsc + qkc + qec (W m – 2)
qc = asc (tс – tt) + akc •(tc – tV) + /\с. (tc – tec) (W.m – 2), где
ts – поверхностная температура плоскости Sс;
tt – средняя поверхностная температура стен;
tv – средняя температура воздуха в интерьере;
tec – температура почвы под полом помещения (при отсутствии подвальных помещений);
Sc – охлаждаемая площадь пола.
2. Уравнение теплового баланса внутреннего воздуха:
p.c. (V : Sc)•(tv – te) = akc • (tc – tv) (W.m – 2).
3. Уравнение теплового комфорта для человека при использовании излучателей:
tv + 0,5. tc + 0,5. tt + qr : 5,25 = 2.tg (°С),
где tg – результирующая температура ощущения.
Для этого уравнения еще необходимо определить интенсивность облучения человеческого тела (qг), исходя из отношения:
qr = qc • (Ф : Фc)
Из данной системы уравнений будут определены неизвестные величины: tс, tу и общая плотность потока излучения (qс).
Из уже известной плотности потока излучения (qс) рассчитывается общая тепловая мощность излучателей:
QP = qc • Sc • (1 – e) – 1 • Фc – 1 • ns – 1,
где e – относительная поглощаемость слоем воздуха;
a – коэффициент прохождения тепла (SРТ);
asc – коэффициент прохождения тепла излучением с поверхности пола;
akc – коэффициент прохождения тепла на поверхности охлаждаемой плоскости конвекцией;
Фc – пропорция облучения горизонтальной проекции плоскости Sc-излучателями;
Фr – пропорция облучения человеческого тела;
ns – лучевая эффективность излучателя (данные изготовителя).
Электромагнитное излучение
Излучение – это передача электромагнитной энергии в виде поперечных волн. Источником энергии являются возбужденные частицы, появляющиеся при возвращении возбужденной частицы на основной энергетический уровень. Данное возвращение сопровождается эмиссией фотонов излучения.
Процесс перехода на уровни может отличаться, и его проявления могут быть различными. Если процесс перехода инициируется столкновениями молекул, которые характеризуют температуру тела, то излучение обозначается как тепловое. Излучение в таком случае может иметь как корпускулярный, так и волновой характер. Квантовые корпускулярные свойства характерны для кратковолнового излучения, а волновые – для длинноволновых излучений. Электромагнитные излучения различных
Тепловое излучение определяется как та часть спектра, которая характеризируется волновой длиной от 10–7 м до 10–4 м. В этой области находится и диапазон света с длиной волны 3,9.10–7 до 7,8.10–7 м. Большинство твердых и жидких веществ излучает на всех длинах волн от 0 и до бесконечности и имеет полный спектр излучения. Твердые вещества имеют непрерывный спектр излучения. Излучение зависит от вида вещества, из которого состоит тело, его температуры и поверхности.
Излучение тел с растущей температурой резко возрастает, при этом изменяется и спектр излучаемых волн. Вместе с ростом плотности потока излучения максимум спектральной плотности передвигается в область более коротких волн (приводимая зависимость известна как закон Вена). Таким образом повышается величина излучаемой энергии при коротких волнах. По этой причине при высоких температурах излучение доминирует над конвекцией и проводимостью.
При низких температурах наблюдается обратное явление. В самом излучении участвуют только тончайшие слои на поверхности тела. Тепло, распространяемое излучением, в отличие от тепла, распространяемого конвекцией и кондукцией, по своим параметрам и тепловому действию приближается к свойствам природного солнечного излучения.
Солнечные лучи, попадающие на поверхность Земли, имеют спектральный диапазон от 260.10–9 до 3000.10–9 м. Это значит, что спектр содержит видимое ультрафиолетовое и невидимое инфракрасное излучение. Излучение инфракрасных излучателей может находиться как в видимой (светлые инфракрасные излучатели), так и в невидимой (инфракрасной) части спектра (темные и супертемные излучатели).
Таким образом, становится ясно, что различный физический принцип передачи тепла требует различных способов расчета и проектирования отопительной системы. Так же и воздействие отопительной системы на тепловой комфорт человека будет отличаться от энергетических требований.
Сравним температурные условия, образованные центральной паро– и тепловоздушной отопительными системами и лучистой системой отопления (рис. 19).
Рис. 19. Пример температурных условий в помещении при использовании различных систем отопления: а – при лучистом отоплении; б – при конвективном отоплении
При конвективном отоплении тепловая энергия поступает в помещение с помощью конвективных устройств и тепловоздушных обменников. Источником тепла является энергия пара, поставляемая с помощью трубопроводов от центрального источника – котельной.
В этом случае тепловой комфорт обеспечивается обогретым воздухом, поступающим от обменников и конвективных устройств: дело в том, что первичной теплоносительной средой является горячий пар. Следовательно, согретый таким образом воздух бывает достаточно теплым. Однако чем теплее воздух, тем он легче и быстрее перемещается вверх. Это приводит к тому, что объем помещения согревается воздухом сверху вниз, причем под крышей температура наиболее высока. К тому же крыша с различными технологическими отверстиями и форточками считается помещением с плохими теплоизоляционными свойствами.