Владимир Круковер - Тепло в загородном доме

Общие тепловые потери объекта (Qс) равняются сумме тепловых потерь конструкцией (Qp) и тепловых потерь, связанных с вентиляцией (Qv):

Qс = Qp + Qv

Тепловые потери через стены определяются из основной тепловой потери (Qо) суммированием с коэффициентами по следующему соотношению:

QР = Qо.(1 + p1 + р2),

где р1 – коэффициент на компенсацию влияния холодных стен; р2 – коэффициент на ускорение нагрева.

Основная тепловая потеря конструкции объекта (Qo) рассчитывается как сумма тепловых потерь отдельных элементов конструкции:

Qo = E [kj • Sj • (ti – te)],

где kj – коэффициент прохождения тепла строительной конструкцией (W.m – 3.K – 1);

Sj – охлаждающаяся плоскость строительной конструкции (m2).

Тепловая потеря при натуральном проветривании рассчитывается по следующей формуле:

Qv = p. c. V. h – 1. (ti – te) : 3600,

где p – плотность воздуха (кg.m – 3);

c – специфическая тепловая емкость воздуха

(J.kg – 1.K – 1);

V – отапливаемый объем объекта (m3);

h – 1 – обмен воздуха в объекте за 1 час.

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.

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).

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.