Карта сайта Напишите нам Карта сайта Напишите нам

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог

 
Главная
Продукция
Цены
Профессионалам
Вопрос-Ответ
Статьи
О компании
Контакты
 
Кабельный теплый пол
Отопительное оборудование
Пол должен быть теплым
Особенности применения антиобледенительных систем
Своевременная тепловая помощь для труб
Электрическое энерго- теплоснабжение
Електроопалювання- крок до незалежності
Системи опалення приміщень

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог

Доц.,канд.,техн.наук, інж. Роберт Раб"яш
Інститут опалення та вентиляції Варшавської політехніки

Журнал "Ринок Інсталяційний", червень 1997р.

1. ГІГІЄНІЧНІ ОСНОВИ ОПАЛЕННЯ

Людина при низькій фізичній активності виділяє 100-125 Вт теплової енергії. Згідно із законом збереження енергії встановлюється певний стан рівноваги між утворенням та віддаванням або акумулюванням тепла в організмі людини при середній температурі тіла 36,5-36,7 °С. На процес регулювання цієї температури впливає багато факторів, завданням яких є достосовування кількості тепла, відданого назовні, до температури тіла.
Таким чином, тепло віддається назовні різними способами:

  • шляхом конвекції та провідності (з поверхні шкіри до оточення),
  • шляхом випромінювання з поверхні тіла,
  • випаровуванням води (потом) з поверхні шкіри,
  • диханням,
  • виділеннями,
  • під час споживання їжі і т.п.

Два останні фактори незалежні від оточення і забезпечують невеликий відсоток загальної кількості відданого тепла. Їх можна не враховувати в балансі тепла, вважаючи, що за втрати тепла людського тіла відповідають перші чотири процеси.
У таблиці 1 наведено у відсотках частку окремих процесів.

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог Таблиця 1. Способи віддавання тепла людиною (нормальний одяг, стан відпочинку, середні величини температури та відносної вологості повітря в приміщенні).

Доведено, що відчуття теплових вражень під впливом змін температури оточення викликаються неоднаковою інтенсивністю потоку тепла, яке віддається окремими ділянками тіла людини. Вирішальне значення для відчуття комфортних (або дискомфортних) умов мають голова, руки та стопи.

У таблиці 2 наведено порівняння теплового навантаження зовнішньої поверхні людського тіла та його окремих частин з величинами відповідних їм поверхонь (при середній температурі оточення 20 °С).

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог Таблиця 2. Приклади теплового навантаження зовнішніх частин тіла людини (при умовах: як в табл.1).

2. ПАРАМЕТРИ, ЯКІ ФОРМУЮТЬ ТЕПЛОВИЙ КОМФОРТ, І ТЕМПЕРАТУРА ВІДЧУТТЯ

Людський організм має здатність пристосовуватися (акліматизуватися) до змінних умов середовища. Але все-таки існують певні параметри, які визначають межі теплового комфорту, при яких людина не відчуває ні тепла, ні холоду.
Загальна характеристика цих параметрів не є однозначною для індивідуальних випадків, тому що незалежно від фізичних параметрів оточення на відчуття людиною теплового дискомфорту можуть мати вплив такі фактори як одяг, стать, вік, стан здоров"я, звички чи психічний стан. Також береться до уваги суб"єктивне сприйняття теплових вражень людиною при сучасних методах дослідження ступеня теплового комфорту.
Наприклад, згідно з методикою проф. Фангера (вимірювання зінтегрованих фізичних параметрів з введенням величини термоізоляційності одягу вимірювачем типу СОМРУ - ТЕSТ), результат досліджень інтерпретований у відсотковій шкалі кількості незадоволених, і навіть забезпечення ідеальних теплових умов не виключає, що для 5% людей такі умови будуть або "за-теплі", або "захолодні".

Крім одягу та стану фізичної активності на теплові відчуття людини мають вплив чотири фактори, які характеризують теплоту середовища:

  • 1.Температура повітря
  • 2.Швидкість потоку повітря навколо людини. Ці параметри мають вирішальний вплив на інтенсивність відбирання тепла від людини конвекцією (рух тепла вгору).
  • 3.Температура випромінювання (загальна), під цим терміном треба розуміти середню температуру поверхонь перегородок нагрівальних приладів та предметів у приміщенні, які знаходяться в полі так званого "теплового обзору" поверхні людського тіла. Цей параметр пов"язаний з кількістю тепла, що виділяється випромінюванням.
  • 4.Вологість повітря.

Відносна вологість, в поєднанні з трьома попередніми параметрами визначає інтенсивність випаровування вологи з поверхні шкіри, тобто величини потоку прихованого тепла.

В опалюванні як показник теплового комфорту використовується так звана температура відчуття.
Ця температура (tо) представляє пропорції втраченого людиною тепла шляхом конвекції та випромінювання і приймається у спрощеному вигляді як середня арифметична величина температури повітря (tj) та температури випромінювання (tr) .
tо = 0,5 (tj + tr), °С

Величина цієї температури в нашій кліматичній зоні приймається в межах 19 - 20 °С. Отже, при певних умовах настає еквівалентність температур повітря та випромінювання.
Ця еквівалентність практично враховується при:

  • розрахунку потреби тепла для опалювальних приміщень (використання додатку, що збільшує теплову потужність нагрівального приладу відповідно до кількості так званих "охолоджуючих перешкод");
  • визначення величини необхідної температури в приміщенні при встановленні системи централізованого опалення.

Наприклад, розрахункова температура повітря в кімнаті під час введення в експлуатацію централізованого опалення повинна становити:

- при застосуванні конвекційних нагрівальних приладів:

  • для однієї охолоджуючої перешкоди tj = 20 °С,
  • для чотирьох охолоджуючих перешкод tj = 23 °С,

- при застосуванні випромінюючих нагрівальних приладів (обігрівання підлогою, стелею):

  • tj =19 °С.

3.МЕТОДИ ОПАЛЕННЯ ПРИМІЩЕНЬ

Основний поділ опалювального обладнання грунтується на способах передавання тепла нагрівальними приладами до опалюваних приміщень.
Опалювання поділяється на опалювання випромінюванням та конвекційне. Цей поділ виникає з пропорції потоку тепла, яке віддається через нагрівальні прилади до приміщення.

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог Мал.1. Види опалення упорядковані згідно з часткою тепла, відданого випромінюванням Р і конвекцією К.

На малюнку 1 подані різні системи опалення, упорядковані згідно з відсотковими пропорціями тепла, яке віддається випромінюванням (Р) і конвекцією (К).

Типовими випромінюючими нагрівачами є:

  • випромінювачі,
  • випромінюючі смуги,
  • площинні нагрівальні системи (стельові, стінні та підлогові),

а конвекційними:

  • нагрівальні прилади з чавунних та сталевих ланок,
  • конвектори.

Повітряне обігрівання, в тому числі вентиляторні конвектори, є майже 100-відсотковим конвекційним обігріванням.

Коментуючи цей графік, необхідно звернути увагу на лінію, позначену "людина", яка визначає зміну пропорцій тепла, що віддає людина в приміщенні, залежно від використаних нагрівальних приладів. Тому при випромінюючих нагрівальних приладах в результаті підвищення середньої температури у приміщенні, зменшується частка тепла, яку тратить людина, шляхом випромінювання і навпаки.

Питання, який вид обігрівання приміщень є корисніший - випромінюванням чи конвекцією, — постійно сприяє новим технологічним розв"язкам. Наприклад, це стосується встановлення продуктивності (к.к.д.) енергетичного випромінювання тепла визначеного типу нагрівального приладу або радіусу теплової дії нагрівального приладу.
Ці два види постачання тепла дають різні результати, які практично можуть викликати приємні відчуття або тепловий дискомфорт.

Наприклад, відчуття людиною втрати тепла внаслідок випромінювання в напрямку холодних площин (з поверхні пічки) не може компенсуватися за рахунок більш інтенсивного поглинання випромінювання інших частин тіла.
У такому випадку міняємо позицію нашого тіла відносно джерела тепла. Крім того, інтенсивний рух повітря (навіть досить нагрітого по відношенню до температури в приміщенні) при тепловому відчутті можна відбирати як неприємний охолоджуючий потік.

Якщо в опалюваному приміщенні є умови для доброго самопочуття, то температура повітря значно не відхиляється від середньої (можливо рівномірної) температури повітря оточуючих поверхонь, а температура нагрівальних поверхонь не надто перевищує температуру тіла людини.

Тому частіше надають перевагу площинному, низькотемпературному опаленню.
Підвищення температури нагрівального приладу, тобто концентрація джерела тепла в приміщенні, приводить до інтенсифікації та зонування випромінювання тепла, збільшуючи або інтенсивність теплового випромінювання, або швидкість руху повітря в приміщенні. Очевидно, що при встановленні температури нагрівальних приладів не можна перебільшувати, бо навіть температура поверхні нагрівальних приладів порядку 80-90 °С, крім погіршення умов доброго самопочуття, не є безпечною для здоров"я.

Обмеження температури поверхні нагрівальних приладів викликане тим, що при температурах вищих від 60 °С розпочинаються процеси сухої дестиляції органічних рідин та припікання їх на поверхні нагрівального приладу. Продукти цих процесів подразнюють слизові оболонки верхніх дихальних шляхів, викликаючи відчуття сухості, особливо неприємні при заниженій відносній вологості повітря в приміщенні під час морозів.

4.ОЦІНКА ВИБРАНИХ СИСТЕМ ОПАЛЕННЯ

На малюнку 2 показано характерний розподіл температури у вертикальній площині, яка проходить посередині приміщення, для різних видів опалення при середніх величинах зовнішньої температури.

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог Мал. 2. Вертикальний розподіл температури в приміщенні для різних видів опалення

Необхідно звернути увагу на криву ідеального розподілу температури, яка підтверджує популярний вислів: "Ноги в теплі, голова в холоді".
На окремих малюнках нанесені аналогічні криві розподілу температури, характерні для певних систем опалення.
Крива розподілу температур при обігріванні підлогою є найбільш наближеною до ідеальної, а найбільш віддалена — крива повітряного обігрівання.

4.1. Площинне опалення

Поняття "площинне опалення" визначає систему опалення, при якій тепло до приміщення передається через оточуючі поверхні перегородок, тобто через стелю, підлогу або стіни. У зв"язку з цим опалення поділяється на стельове, підлогове і стінне. Малюнок З ілюструє можливість розташування гріючих елементів у перегородках приміщення. В таких системах опалення більша частина тепла передається шляхом випромінювання, звідси і назва — опалення (обігрівання) випромінюванням.
Теплові промені з гріючих поверхонь потрапляють на інші поверхні, які також нагріваються і передають нагромаджене тепло частково випромінюванням, а частково конвекцією.

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог Мал.З. Розташування різних типів нагрівальних поверхонь в перегородках приміщення:
1 - підлогове,
2 - стельове,
З - стінове,
4 - цокольне,
5 - підвіконникове,
6 - ригельне,
7 - контурне.


Оскільки в приміщенні температура нагрівальної поверхні підвищена (температура випромінювання), можна відповідно знизити температуру повітря. Це є основною перевагою таких видів опалення як з огляду теплового комфорту, так і з огляду на деяке сезонне зменшення споживання енергії.

Опалення випромінюванням має такі переваги:

  • відсутність виступаючих частин нагрівальних приладів, а звідси — звільнення поверхні, призначеної під нагрівальні прилади, підвищений внутрішній естетичний рівень і т.п.;
  • покращання гігієнічних умов — зменшення конвекційного руху повітря в приміщенні та розпорошення пилу, чистота нагрівальних поверхонь;
  • підвищення рівня теплового комфорту, відсутність припікання пилу, можливість зменшення сезонного споживання енергії;
  • властивості саморегулювання, які полягають у самостійній зміні теплової потужності нагрівачів у результал зміни внутрішньої температури приміщення.

До недоліків опалення випромінюванням можна віднести:

  • велика теплова інертність щодо вимог відповідного експлуатаційного регулювання,
  • відсутність можливості майбутніх змін величини нагрівача,
  • більша інвестиційна вартість порівняно з іншими системами опалення.

Застосування в будинку опалення випромінюванням вимагає підвищеної (вищої, у порівнянні з нормативною) термоізоляції будівельних конструкцій. Приклади будівництва в розвинутих країнах з подібним кліматом, зростаючі ціни на енергоносії, прогрес в галузі обліку споживання енергії переконують у доцільності зменшення теплових втрат будинком, даючи можливість отримання вигід від енергозберігаючих технологій в експлуатаційних затратах та відносно швидку амортизацію капіталовкладень.

Обігрівання підлогою

Основною вимогою при обігріванні підлогою є обмеження середньої температури підлоги в зоні постійного перебування людей до величини tpmax = 28 °С. Переходити межу цієї температури не рекомендується, бо погіршуються умови теплового комфорту (контакт ноги з підлогою). Надто висока температура підлоги може спричинити навіть хвороби ніг. У ванних кімнатах, привіконних поясах допускаються дещо вищі температури ( 29-30 °С).

Такі вимоги потребують обмеження теплових втрат максимально до 60-80 Вт/м2, що не завжди можливо здійснити.
Тоді застосовують комбіновані системи опалення - радіаторно-підлогові. Можуть використовуватися електричні нагрівальні прилади, які працюватимуть як в пікових ситуаціях і як додаткове джерело тепла.

Обігрівання стелею

Обігрівання стелею має певні переваги відносно інших систем опалення, тому що обмежує конвекційний рух в приміщенні, де заслоняються гріючі площини.

Для системи обігрівання стелею потрібно дотримуватися необхідної для висоти даного приміщення температури поверхні стелі. Наприклад, для приміщень висотою 3 м ця температура не повинна перевищувати 35 °С. Така вимога виникає з обмеження максимальної густини випромінюючого теплового потоку на голову людини, яка перебуває в приміщенні (qmax = 12 Вт/м2).

Розрахункове теплове навантаження на 1 м2 при цій системі повинно бути вище ніж для системи підлогового обігрівання і може становити біля 80-110 Вт/м2.

4.2. Опалення конвекційними нагрівальними приладами

Такі нагрівальні прилади найчастіше використовуються в опаленні.
З технологічної точки зору є важливо, щоб максимальна температура поверхні нагрівальних приладів, яка контактує з повітрям опалюваних приміщень, не перевищувала 70 °С. Ці нагрівальні прилади не повинні також спричиняти надмірної інтенсивності теплового випромінювання на людей, які знаходяться поруч.

Споживчі властивості застосованої системи вирішують, насамперед, пропорції випромінюваного тепла до приміщення шляхом конвекції та випромінювання, різноманітні конструкції нагрівальних приладів можна (див.мал.1) класифікувати таким чином:

Системи опалення приміщень в аспекті теплового комфорту та технологічних вимог

Пластинчасті нагрівальні прилади (плоскі поодинокі) характеризуються в цій групі найбільшим ступенем теплового випромінювання, частка якого сягає 30-35% загальної теплової потужності. Ці нагрівальні прилади (неприкриті) мають найбільший тепловий радіус в групі.

Нагрівальні прилади з ребер чавунних, сталевих (або подібних за формою) в результаті часткового залнення з огляду теплового випромінювання з гріючої поверхні дають меншу частку тепла, яке передається шляхом випромінювання — 10-15%.

Нагрівальні прилади з внутрішніми повітряними каналами з конструктивної точки зору є перехідною формою між вищенаве-деними прикладами нагрівальних приладів та конвекторами, частка випромінюваного тепла складає 4-8%.

Конвектори (конструкції, в яких гріючі елементи знаходяться в корпусі), як з гравітаційним рухом повітря, що обтікає гріючий елемент, так і з примусовим вентиляторним, можна віднести до обігрівання чисто повітряного, в якому частка випромінювання тепла є близькою до нуля.

У приміщеннях з нагрівальними приладами та конвекторами наявний постійний рух повітря. Швидкість конвекційних рухів практично не відчувається (w <0,2 м/сек), але більш важливе значення має циркуляція повітря в приміщенні, яка є вирішальною в температурному розподілі.

На малюнках 4,5 та 6 представлено зразки конвекційних рухів та температурний розподіл у приміщенні при різних розташуваннях нагрівального приладу (див. також мал.2). Як видно з малюнків, при опаленні нагрівальними конвекційними приладами має велике значення для температурного розподілу місце розташування приладу та наявність можливого його оснащення.

Наступним важливим критерієм оцінки опалення є ефективність використання енергії, яка доходить до об"єкту.
Мірилом енергетичної ефективності системи опалення є ЇЇ загальна теплова продуктивність, визначена відношенням кількості енергії, яка була би розпорошена з приміщень до оточення під час опалювального сезону (при утриманні в приміщеннях необхідної температури в межах теплового комфорту) до кількості тепла, яке в цей період отримується системою опалення.
Практично загальна продуктивність опалювальної системи визначається на підставі продуктивності складових, тобто: продуктивності утворення енергії, передавання енергії, випромінювання, регулювання.

Однак загальним критерієм оцінки є те, щоби використана система опалення відповідала вимогам визначеного інвестиційного наміру. Тому проектант повинен мати можливість вибору систем відповідно до

  • конструкції та призначення будинку,
  • архітектурних вимог,
  • вимог теплового комфорту або технології,
  • інвестиційної та експлуатаційної вартості,
  • місцевих умов живлення тепла,
  • енергоощадності та екологічних проблем,
  • побажань та фінансових можливостей інвестора.

г.Киев, 02660, ул.Марины Расковой, 21, офис 203 (2 этаж)
тел.: (044) 517-2421, 592-0971, т./ф. (044) 516-4818,
Украинский строительный портал www.promobud.ua