ФИЗИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛИНТУСНОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ
Все мы в школе изучали физику, но возможно, не все помним о таком разделе этой замечательной науки как термодинамика и трех основных способах передачи тепла: теплопередаче, конвекции и излучении. Поэтому, перед началом изложения основного материала, предлагаем вернуться немного в 9 класс среднешкольного курса физики. Итак:
Теплопроводность - это непосредственная передача тепла от одного тела другому при их контакте. То есть, если Вы прикоснувшись к горячему утюгу получите ожег, то знайте, что количество тепла от этого самого утюга было передано Вам именно посредством теплопроводности.
Конвекция - это перенос тепла в жидкостях и газах посредством перемешивания слоев. Открыв окно в душной квартире, Вы почувствуете как с улицы сразу же потянет зимний холодный воздух. Это и есть конвекция. Другими проявлениями естественной конвекции являются сквозняки и, даже, ветер.
С первыми двумя способами мы знакомы с детства, они осязаемы, поэтому очень легки для восприятия и понимания сути.
Что же такое излучение? Да не покажется Вам это тофтологией, но грубо говоря, излучение, - это способность тела излучать тепло. И это главное, как говаривал первый и единственный Президент СССР! Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля (-273 оС) способно излучать тепло. Более того, оно его излучает!!!
Зачем это все, спросите Вы?!
Дело в том, что количество тепловой энергии, передаваемое предметом, например посредством теплопередачи или конвекции пропорционально температуре этого предмета. Зависимость прямая: чем выше температура предмета, тем больше он отдает тепла, возрастет его температура в два раза – ровно в два раза вырастет и конвекционная теплоотдача или отдача теплопередачей.
В тоже время, теплота, излучаемая этим же самым предметом, пропорциональна его температуре в ЧЕТВЕРТОЙ степени. Это Закон Кирхгоффа. Повысив температуру предмета в два раза, отдавать тепло он станет (внимание!!!) в 16 раз интенсивнее!!!
Вот она суть! Львиную долю тепла, все тела на земле, не находящиеся в непосредственном контакте друг с другом теряют и приобретают при помощи излучения. Все остальные способы теплообмена могут носить лишь вспомогательный характер, либо ими и вовсе пренебрегают в расчетах. Это касается и стоящего на фундаменте дома и людей и животных и т.д.
Физика теплообмена достаточно проста. Допустим, что Вы находитесь внутри помещения, окруженного с 4 сторон глухими стенами. Температура Вашего тела +36,6 оС, температура стен +10оС. Стены, являясь более холодными по сравнению с Вами будут поглощать тепло Вашего тела.
Заметим, что в помещении нет сквозняков. Вы не прислоняетесь к стене. Но, тем не менее Вам холодно. Вы излучаете тепло на более холодные стены, поэтому теряете его. Если температура стен была бы также +36,6 оС, то Вы бы практически перестало терять тепло. Согреться, то есть по сути снизить потери тепла, Вы сможете, например, одев куртку, т.е по сути теплоизолировав себя, и снизив тем самым потери тепла. Можно забраться на печь (теплопроводность). А можно начать греть вокруг себя воздух, то есть создать конвективный теплообмен.
Если просто нагревать воздух, например, тепловентилятором, радиаторами или другими обогревателями, то прогреется он достаточно быстро, термометр в помещении покажет заветные 25-30 оС. Только комфорта такое тепло не принесет. Дышать становится трудно. Душно. Вероятно Вы испытывали такое состояние, когда «окно закроешь – жарко, откроешь – холодно». Связано это с тем, что стены имея гораздо более низкую температуру чем воздух, продолжают поглощать Ваше тепло, однако, сильно прогретый воздух (25-30 оС, вместо приемлемых 20-22 оС), имея очень низкую теплоемкость, отдает стенам тепло гораздо быстрее чем Вы. Подогревает их. Поглощательная способность стен уменьшается. Вам становится теплее. Воздух создает как бы защитный экран вокруг Вас, имея эффект подобный одежде. Но, прогретого воздуха так много и циркулирует по помещению он так бессистемно, что в какой-то момент человек начинает испытывать дискомфорт, сродни удушью. Если объем Вашего помещения 50 м3, то прогреть до указанных температур Вам придется весь объем. И прогревать его будет нужно до тех пор, пока стены не наберут приемлемую температуру, чтобы Вам стало комфортно. Тогда вы сможете выключить обогреватель, но лишь на время, пока стены вновь не остынут.
По подобному принципу работают любые высокотемпературные ассиметричные системы: радиаторы, конвекторы, масляные обогреватели, тепловентиляторы, тепловые пушки и т.д.
Но вернемся к тому, с чего начинали. Человек отдает тепло в основном излучением. Компенсировать теплопотери другими способами теплообмена можно, но во-первых это не принесет комфорта, а во-вторых повышение температуры воздуха значительно увеличивает потери тепла этого помещения наружу. Другими словами, чем больше вы греете дом изнутри, тем больше он греет улицу. Можно, конечно утеплить здание. Это естественно даже нужно сделать. Но теплоизоляция поможет лишь сберечь приобретенное тепло. Сама она его не создаст. Это очевидно.
Так как же создать комфортные условия проживания и, при этом еще и сделать это с максимальной энергетической и экономической эффективностью? Не нужно далеко ходить. С максимально возможной эффективностью это можно сделать только создав излучательную систему отопления. При этом чем большая поверхность будет излучать тепло, тем более эффективной, во всех смыслах, будет система.
Существует всего два основных способа создания излучательных систем отопления:
1. Теплый пол. Когда в стяжку пола укладывается греющий кабель или тепловая труба. Излучением при данном способе передается до 60-65% всего тепла, оставшаяся часть – конвекцией и теплопередачей.
2. Теплые стены. Тепло, как понятно из названия, излучается стенами. Это наиболее эффективное решение! Излучением передается свыше 80% всего тепла. Более того, как правило суммарная площадь стен в 4 раза превышает площадь пола.
По конструктивному исполнению отопление стенами можно разделить на:
1) Панельное отопление. В данном случае тепловая труба прокладывается внутри конструкции стены. Совсем уж упрощая, выглядит это как теплый пол, устанавливаемый на стену.
2) Плинтусное отопление.
На последнем виде отопления, ввиду пока малой распространенности таких систем в России предлагаю остановиться подробнее.
Система плинтусного отопления или попросту теплый плинтус представляет собой греющие медно-латунные модульные секции по размеру чуть больше обычного плинтуса, закрытые алюминиевым профилем, которые устанавливаются по внутреннему периметру помещения, опять же вместо обычного плинтуса.
Нагретый теплыми плинтусами воздух начинает струиться вдоль поверхностей пола и стен.
Так как плинтуса расположены максимально близко к стенам и полу, теплоемкость которых в десятки раз выше теплоемкости самого воздуха, то теплообмен происходит в основном с ними. При этом обмен тепла с остальным воздушным объемом помещения минимален (соотношение примерно 80 на 20%). Происходит своеобразное «прилипание» воздушного слоя к стенам и полу. Стена прогревается потоком воздуха и начинает излучать тепло. Данный физический эффект назван «Эффектом Коанда», в честь своего первооткрывателя, хотя по сути данное явление было открыто задолго до Генри Коанда, самим Томасом Юнгом еще в 1800 году.
Принцип распределения тепла при отоплении "теплым плинтусом"
Таким образом порядка 20% тепловой энергии распределяется в помещении конвекцией, а 80% передается излучением.
На представленной диаграмме зона комфортных ощущений человека лежит в области между синей и красной кривой.
Весь участок графика, лежащий ниже синей кривой воспринимается человеком как холод. Соответственно участок выше красной кривой - как жара. Из данной эмпирической диаграммы комфортности ощущений человека в зависимости от температуры ограждающих конструкций и воздуха можно видеть, что при температуре стен около 20 оС приемлемая комфортная температура воздуха может составлять всего 15-18 градусов.
Известно, что снижение температуры воздуха на 1 оС снижает энергозатраты на отопление здания примерно на 6 - 7%.
Следовательно, установка температур воздуха в помещении 15 – 18 оС, вместо принятых 22 оС позволяет снизить тепловые потери на 24 – 49%. И это только для здания со стандартными высотами потолков в 2,5 метра. При увеличении высоты потолков экономическая выгода только возрастает.
Итак, известно, большую часть тепла человек в помещении теряет при помощи излучения. Компенсировать тепловые потери нашего тела наиболее эффективно также при помощи излучения. Не распаляясь на другие способы теплообмена, а организовав передачу тепла физически правильным способом можно добиться экономии материальных ресурсов до 50% в стандартных квартирах. В домах с высотами потолков от 3 метров и выше, экономическая выгода может возрастать в несколько раз.
Подводя итог, необходимо отметить, что система плинтусного отопления эффективно работает не только в помещении с глухими стенами. В помещениях с большим остеклением, панорамными окнами система еще более эффективна. За счет того, что современные стеклопакеты практически не пропускают инфракрасного излучения наружу.
P.S. Мы намеренно не стали рассматривать природу экономии энергии и материальных затрат на отоплении, приняв как данность величину энергосбережения в 6-7% с 1 оС. Это сделано, чтобы просто не перегружать и без того получившуюся объемной статью. В следующем выпуске мы объясним это цифрами на конкретных примерах.
Живите в комфорте!!!
