Владимир Круковер - Тепло в загородном доме
В обычных отапливаемых домах при температуре 18–20° С допускается движение воздуха не более 0,1 м/с. Идеальное отопление должно было бы обеспечить такое вертикальное распределение воздуха в помещении, при котором температура на уровне высоты головы человека (приблизительно 1,7 м над полом) была бы примерно на 2° С ниже, чем на уровне 10 см над полом.
Значительное влияние на тепловой комфорт человека имеет температура ограничивающих плоскостей помещения, которая должна быть такой, чтобы разница температур стен и пола и температуры воздуха составляла не более 7° С, если человек отдыхает, и не более 10° С, если он работает.
Среднее арифметическое эффективной температуры стен и температуры воздуха в интерьере (ti) можно определить как внутреннюю температуру в помещении. Эта температура измеряется сферическим термометром в центре помещения на высоте 1 м от пола, что соответствует центру тяжести стоящего человека. Значение измерения обычно является нормативным значением для проектирования технологии отопления в помещении.
Если влажность воздуха в помещении варьируется в диапазоне 35–70%, она не влияет на ощущение теплового комфорта человека, так как наличие водяного пара в воздухе также воздействует и на интенсивность испарения влаги с тела человека.
Остальные факторы, влияющие на тепловой комфорт в помещении, можно определить как принадлежащие к более широкому набору микроклиматических условий. К ним относятся:
– частицы пыли в воздухе;
– микроорганизмы или бактерии;
– газы, испарения и запахи разного типа;
– содержание ионов в воздухе.
Оценка потребления энергии
В прошлом оценка потребления энергии на отопление промышленных объектов в соответствующих технических стандартах не устанавливалась и даже не рекомендовалась. Однако предполагается, что в процессе согласования стандартов со стандартами стран ЕС критерии потребления тепла будут нормативно зафиксированы. Потребление энергии для отопления загородного дома оценивают на основе тепловой характеристики объекта qo.
Если действительно соотношение qo < = qo N, объекты удовлетворяют требованиям, в обратном случае они не соответствуют критериям.
Нормативная тепловая характеристика qoN для производственных промышленных объектов определяет объекты:
1) с очень легкой и легкой работой (табл. 4, строка А);
2) со средне тяжелой и тяжелой работой (табл. 4, строка Б).
Таблица 4. Тепловая характеристика qoN для производственных промышленных объектовПри расчете потребления тепла и тепловой характеристики зданий исходят из:
– тепловых потерь, данных стандартом для температуры воздуха внешней среды;
– характеристик смежных строений объекта.
При отоплении загородного дома учитываются тепловые потери объекта и только потом тепловые потери, связанные с инфильтрацией воздуха.
Тепловая характеристика рассчитывается по формуле:
qo = Qb (V. /t) – 1 = Qb [V(ti – te)] – 1 (W.m – 3.K – 1),
где qo – тепловая характеристика здания (W.m – 3.K – 1);
Qb – тепловые потери здания (W);
/t = (ti – te) – разница температур воздуха внутренней и внешней среды (К);
V – смежные помещения (т“”).
Классификация отопительных систем
Отопительная система должна удовлетворять широким комплексным требованиям, которые характеризуются:
– энергетическими требованиями;
– экономической эффективностью;
– экологической обстановкой.
Отопительные системы по источнику тепла разделяются на:
– центральные (котельная на твердом, жидком, газовом топливе);
– децентрализованные (прямообогревающие устройства).
По дистрибьюции тепла отопительные системы делятся на:
– водяные (с горячей, теплой водой, низкотеплотные);
– паровые (среднего и низкого давления).
– тепловоздушные.
По способу передачи тепла отопительные системы бывают:
– конвекционными (отопительные элементы, тепловоздушные, проветривающие и климатизационные устройства);
– лучистыми.
Лучистые системы, в свою очередь, разделяются на следующие группы:
– светлые излучатели;
– темные;
– супертемные (излучатели, излучающие панели).
Выбор отопительной системы в значительной мере зависит от следующих факторов:
– выбор источника тепла и типа топлива;
– способ дистрибьюции тепла;
– характер отапливаемого помещения;
– способ передачи тепла в помещении.
Исходя из вышеприведенных требований, решение по использованию того или иного типа отопительных систем следует принимать, опираясь на потребности пользователя, что гарантирует высокое эксплуатационное качество в отапливаемом помещении.
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что вопреки необходимости решать эти проблемы комплексно доминирующим остается способ передачи тепла от отапливающего элемента или панели в отапливаемое пространство помещения с использованием конвекционной или лучистой системы.
Различный физический принцип передачи тепла и вещества, в случае конвекционного и лучистого отопления, предполагает, что при расчете потребности в тепле для отопления необходимо учитывать все физические законы, которые характеризуют передачу тепла конвекцией и излучением.
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:
