Как отапливается наш дом. Три механизма передачи и распространения тепла

Автор: admin Категория: Основная Дата: 2014-01-28 Просмотров: 7780 Комментарии: 0

Что значит "сделать отопление в доме"? Что конкретно дает ощущение комфортного пребывания в помещении? Три механизма передачи и распространения тепла. Краткое рассмотрение подходов к отоплению.

«Зачем отапливать весь дом, когда можно спать в пуховике?» (китайская мудрость).

Современная концепция отопления подразумевает, что для того чтобы согреть человека, надо прежде всего согреть воздух в котором он находится. Для этого существует три механизма: тепловое (инфракрасное) излучение от нагретой поверхности, конвекция и, наконец, непосредственная передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому. При использовании любого устройства отопления, действуют все три механизма, но с разным долевым участием. Рассмотрим эти механизмы по отдельности.

Излучательная передача тепла происходит от любого нагретого тела, и чем сильнее оно нагрето, тем сильнее тепловое излучение. В качестве примера устройств, в которых преобладает этот механизм обогрева можно привести, прежде всего, СОЛНЦЕ, ИК-обогреватели (с отражателями), открытый огонь, поверхность разогретой металлической печи(хотя здесь в сравнимой пропорции действует и 2-й механизм). Это излучение воспринимается нашим телом как тепло. Попадая  на другие предметы, это излучение также нагревает их, а от этих нагретых тел в результате вторичных процессов уже нагревается воздух, соприкасающийся с ним. И здесь вступает в дело:

Второй механизм - Конвекция, который подразумевает, что нагретый воздух, будучи менее плотным (или более легким) поднимается вверх, а охлажденный опускается вниз, причем понятия нагретый и охлажденный являются относительными по отношению друг к другу. В результате этого процесса происходит активное перемешивание нагретых и охлажденных слоев воздуха друг с другом, при соприкосновении которых в игру вступает:

Третий механизм – Передача тепла от более теплого более холодному воздуху (или предмету) при непосредственном соприкосновении, что приводит к уменьшению разницы температур между ними, а попросту, если процесс происходит в замкнутом объеме, т.е. в помещении, – к выравниванию температуры при более высоком её значении. А это и есть нагрев воздуха.

Рассмотрим основные примеры.

Если на улице светит солнце(излучение), то человек будет чувствовать себя комфортно, даже если вокруг него холодный воздух. Можно чувствовать, что вам тепло, даже сняв верхнюю одежду зимой при 20 градусном морозе, если светит яркое солнце и отсутствует ветер. Или всем известные ИК-обогреватели (как и ИК-сауна). Это действие 1-го механизма – ИЗЛУЧЕНИЯ. Он нагревает непосредственно тело человека.

(Кстати, в некоторых странах чиновники всерьез говорят о смене концепции. Вместо обогрева воздуха предлагается греть самого человека. А это, как мы знаем, возможно лишь при использовании излучательного механизма обогрева, а попросту с помощью инфракрасных обогревателей(излучателей)).

Теплые полы, нагретые до комфортной температуры +25..+30 С, позволяют эффективно отапливать помещение, хотя это вам не +60..+90 С в батареях, и не +300 С разогретой поверхности чугунной печи. Как могут едва теплые полы соперничать в отоплении с остальными двумя вариантами? Парадокс? Оказывается, все не так уж сложно. Обычно, в помещении более холодный воздух (как более плотный) находится внизу и нашим ногам – холодно, а теплый воздух находится вверху (менее плотный) и голове «слишком» тепло. Для ощущения комфорта должно быть - как раз наоборот: ноги в тепле, а голова в прохладе. Теплые полы очень хорошо решают эту задачу. Поверхность имеет физиологически комфортную температуру +25..+30 С, при соприкосновении с которой наши ноги  - «в полном восторге» (передача тепла при прямом контакте –третий механизм). Далее, самый теплый воздух находится внизу у пола (ноги в тепле) и поднимаясь наверх в соответствии с механизмом конвекции, он остывает, отдавая тепло более холодным слоям(голова в прохладе). Таким образом, такой вид отопления является почти идеальным с физиологической точки зрения, поскольку действует в противовес естественному механизму распределения слоев прохладного и теплого воздуха, выравнивая температуру по всему объему помещения и высоте. И, конечно, более экономичным, т.к. поверхность «приходится» разогревать лишь до скромной температуры +25..+30 С.

Отопление при помощи водяных радиаторов-батарей менее эффективно, чем при помощи теплых полов. Основной механизм передачи тепла воздуху помещения – это конвекция. Холодный воздух снизу увлекается вверх восходящими потоками воздуха, нагретыми от контакта с поверхностью батареи. Это обеспечивает вовлечение в процесс разогрева и перемешивания нижние, наиболее холодные, слои воздуха, приводя к удовлетворительному выравниванию температуры воздуха в помещении по объему и высоте. Но нижний слой воздуха у пола всегда самый холодный, и это не дает полного ощущения комфорта, т.к. ноги все же в холоде. Ну и понятно, что это менее экономичный способ отопления, т.к. для обеспечения хороших восходящих потоков теплого воздуха приходиться греть поверхность батарей, а значит и воды в них до +60..+70 С, а это более затратно!

Рассмотрим отопление при помощи Воздушного Теплового Насоса (ВТН). Оно может быть реализовано двумя способами: Первый - греем воду, чтобы запустить в традиционные батареи или теплые полы. Второй- греем непосредственно воздух в помещении. Соответственно, такие тепловые насосы называются воздух-вода и воздух-воздух.

Воздушный Тепловой Насос воздух-вода позволяют не только обеспечить использование традиционных батарей и теплых полов, но и горячее водоснабжение дома (ГВС). Тепловой насос здесь играет роль котла, но в отличие от настоящих котлов здесь ничего не горит, не поджигается и уже поэтому эта система абсолютно безопасна. Еще одно отличие, очень существенное, заключается в том, что максимальная температура, до которой тепловой насос воздух-вода может нагреть воду, составляет не более +60..+65 С. Но наиболее экономичный и энергетически выгодный диапазон – это +40..+45 С. Далее, с повышением температуры нагрева воды COP падает.  Коэффициент COP (Coefficient Of Performance) показывает во сколько раз больше тепловой энергии можно получить по отношению к затраченной электроэнергии. В наших широтах он колеблется от 2-х до 5-ти, в зависимости от наружной температуры. То есть на 1 кВт затраченной электроэнергии воздушный тепловой насос вырабатывает от 2-х до 5-ти кВт тепла. А поскольку, температура нагретой воды в системе отопления составляет +40..+45 С, то для её использования лучше всего подходят теплые полы. Если же вы предпочли бы отапливать дом при помощи традиционных батарей, то для эффективного обогрева придется в 3 раза увеличить их количество, по сравнению с обычным случаем, когда используется температура воды(теплоносителя) +60..+90 С.

Воздушный Тепловой Насос  воздух-воздух сразу согревает воздух, минуя промежуточный этап обычных систем - подогрев воды. Отобранное у наружного воздуха и трансформированное тепло, с помощью фреона передается на теплообменник внутреннего блока, из которого выходит теплый воздух с температурой от +20 С до + 45 С. Теплый воздух подается по направлению к низу. За счет инерции потока он достигает пола, прогревает его, затем в результате конвекции поднимается вверх, активно перемешиваясь с более холодными слоями воздуха, заполняет помещения, прогревая тепловой контур (стены, потолки и внутренние перегородки). Температура воздуха по всему объему помещения, так же как и температура поверхностей стен и потолков, постепенно выравниваются. Так работает воздушное отопление. Когда воздух и тепловой контур прогреются, тепловой насос воздух-воздух начинает работать более экономично, в режиме поддержания температуры, и тратя тепловую энергию только на компенсацию потерь тепла через наружный контур (стены, потолки, пол, окна).

Из всего вышесказанного следует один важный вывод. Так как для отопления с помощью теплового насоса используются не очень горячие температуры подачи теплоносителя (фреона и воды), то такое тепло наиболее комфортно и экологично для человека. Оно не сушит воздух и кожу. Распределение температуры ноги-голова – комфортно для человека. Но здесь также и напрашивается важное ограничение для использования. Такой вид отопления наиболее эффективен в домах со средним и хорошим утеплением (теплопотери не более 100 Вт/м2). В среднем, за отопительный сезон на каждый кВт затраченной электроэнергии воздушный тепловой насос выдает около 3-х кВт тепла, то есть SCOP (сезонный коэффициент) равен трем. В домах с плохой теплоизоляцией для компенсации больших теплопотерь тепловой насос, стремясь поддерживать заданную температуру (скажем +20 С), будет вынужден сильно увеличивать температуру теплоносителя (на что компрессор будет тратить больше электроэнергии), в результате чего эффективность работы теплового насоса COP будет падать. И хотя в любом случае он будет больше единицы, ваш энергетический выигрыш станет меньше. Современный воздушные тепловые насосы стабильно работают при -25 С и даже -30 С, обеспечивая даже при таких температурах COP равный от 1,4 до 2,1, в зависимости от модели и производителя.

 

Подробнее Об Устройстве и Принципе Работы Теплового Насоса

 

Заказать бесплатный звонок специалиста

Теги:

Добавить комментарий

Введите код