Тепло в загородном доме

В помещениях с высокими потолками необходимо учитывать повышение температуры воздуха с увеличением высоты и расчетной температуры (ti) в зависимости от высоты объекта (h). Таким образом, учитывается температурный градиент:

/\t : /\h = 0.3 K.m – 1

Потребность в тепле для отопления с помощью центральной системы отопления выше на 5–15%, чем потребность в тепле при децентрализованном отоплении. Приведенная процентная разница представляет коррекцию на потери в системе доставки тепла.

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 излучателями и попадающая на охлаждаемую плоскость пола, устанавливается отношением:

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 видов похожи друг на друга, но отличаются длиной волны и действием.

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.