Страница 28 из 32
Конвекция
При использовании систем конвекционного отопления температура стен (tu) ниже температуры воздуха (tv). tu тем ниже tv, чем хуже теплоизоляционные свойства строительных материалов, использовавшихся при возведении дома, а также, чем ниже внешняя температура (te).
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.
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.