Как работает солнце — греет сверху и нагревает землю. Если остались сомнения, то вспомните, что когда летите на самолете, то Вам неоднократно говорят, что температура за бортом -50 и ниже. Далее уже от земли нагревается воздух, не самый лучший проводник тепла с фиксированным коэффициентом теплопередачи. Именно поэтому чем выше от земли, тем атмосфера становится холоднее.
По закону Стефана Больцмана тепловые лучи (ИК-лучи или лучистое тепло) попадая на поверхность твердого тела, частично отражаются, частично поглощаются. Сколько поглотится, будет зависеть от коэффициента черноты тела. Поглотив тепло, тело само начинает излучать, и его поверхность нагревается (теплопотери). Излучение от тела попадет на другие тела, и они в свою очередь нагреваются и так же начинают излучать и так до бесконечности.
Нагретая поверхность теряет часть тепла в месте соприкосновения с воздухом, т.е. в месте контакта воздух нагревается, разряжается и пытается подняться вверх. Почему пытается? Потому что прогревается вся площадь одновременно и одновременно конвективно пытается расстаться с частью тепла. Получается что под толщей более холодного воздуха (более плотного) оказывается тонкий (на начальном этапе) слой теплого (разряженного и более легкого) который стремится вверх.
Далее вспоминаем как ведут себя две жидкости с разной плотностью и разного цвета в сосуде, когда более плотная налита сверху? Происходит диффузия, и множество минигейзеров стремятся вверх. Только в отличие от жидкостей, плотность которых остается неизменной, воздух при перемешивании теряет температуру и поэтому не может подняться вверх, т.е. определенный объем постепенно наполняется теплым воздухом снизу вверх.
Когда система запущена, на каждый квадрат пола начинает «светить» поток энергии в 160 Вт. Воздух в этом процессе практически участия не принимает, тепло передается напрямую от ПЛЭНа к полу. У дерева достаточно высокий коэффициент чернот — большая часть энергии будет поглощена полом, а часть, которая отразится, будет поглощена другими частями помещения. Результатом поглощения будет повышение температуры поверхности пола, причем всей его поверхности. Воздух, который находится в контакте с полом, начинает нагреваться и стремиться вверх, но при этом, на него давит более плотный холодный воздух сверху. Начинается процесс диффузии.
Как только его температура на высоте 1,0-1,5 метров от пола достигает заданных 20 С, терморегулятор разрывает сеть. Вспомним, что воздух отбирает тепло у пола достаточно медленно, поэтому пол, перекрытие и земельный ком (если таковой имеет место) под помещением аккумулирует достаточно большое количество энергии и теперь не получая подпитки от потолка он конвективно теряет это тепло. В какой то момент он уже не может обеспечить достаточный прогрев воздух, в результате температура в районе терморегулятора начинает падать. Когда она достигнет 19 С, терморегулятор опять замкнет цепь. Только на этот раз система будет работать значительно меньше по двум причинам:
- перепад температуры всего один градус;
- ограждающие конструкции уже прогреты и им не нужно много энергии.
Расход энергии
В Стамбульском техническом университете в марте 2008 года были проведены комплексные испытания ПЛЭН. Испытания проводились в климатической камере. Во все 6 поверхностей (потолок, пол и стены) этой камеры интегрированы металлические трубки с водой. На потолке климатической камеры были смонтированы 5 элементов ПЛЭН общей мощностью 2650 Вт. В двух стенах вода циркулировала вода через чиллер, т.е. сохранялась заданная температура стены. За счет того, что температура двух из шести поверхностей остается постоянной (заданной) устанавливались фиксированные теплопотери.
Заданная температура 20 С была установлена посредством настенного воздушного терморегулятора. Показания температуры в климатической камере регистрировались на компьютере каждые 30 секунд. Наибольший интерес вызвал следующий факт — при конвективном отоплении в случае превышения теплопотерь над мощностью отопительной системы помещение должно медленно остывать, но в нашем случае при установленной мощности системы на 750 Вт температура воздуха не только достигла требуемых 20С, но при этом даже отключалась.
Обобщить результаты испытаний можно следующим образом:
При теплопотерях 156,25 Вт/м2:
- Температура на охлаждаемых поверхностях — +15С
- Теплопотери помещения — 2500 Вт
- Время работы системы — 0ч. 10м. 30с.
- Время отключения — 1ч. 27м. 00с.
- Потребление электроэнергии на м.кв. — 16,98 Вт/м2.
При теплопотерях 198,06 Вт/м2:
- Температура на охлаждаемых поверхностях — +12С
- Теплопотери помещения -3025 Вт
- Время работы системы — 0ч. 16м. 00с.
- Время отключения — 0ч. 38м. 30с.
- Потребление электроэнергии на м2 — 48,61 Вт/м2.
А нужно ли затрачивать 100 Вт на квадрат отапливаемой площади? Это зависит от того, как топить. Рассмотрим эту проблему на примере стены помещения — у пола 18С на потолке 30С. Для того чтобы преодолеть теплопотери ограждающих конструкций достаточно дать 18С, но равномерно по всей поверхности стены, пола и потолка, но это не возможно, т.к. теплый воздух стремится вверх.
Там образуется избыточное температурное давление, т.е. разница температур за бортом и внутри помещения составит 50 градусов, что влечет более высокие теплопотери. Доказать факт высоких теплопотерь очень просто — если нагреть воздух в помещении до 20 С, то уличная стена снаружи останется холодной, если нагреть в том же помещении до 80 С, то наружная стена через некоторое время нагреется, несмотря на отрицательную температуру воздуха. Надеюсь что с этим фактом понятно.
Второй момент — это потери, которые существуют при конвективном отоплении. Передача тепла от поверхности конвектора или батареи воздуху сопровождается потерями, т.к. КПД этих устройств меньше единицы, если было иначе, то вода в обратке возвращалась бы холодной.
Каждый кубический метр воздуха весит что-то около 1,5 кг плюс вес пыли, который он в себе содержит. Чтобы переместить эти воздушные массы, куб воздуха будет достигать потолка в переделах 2,5-5 минут, следовательно, за час будет затрачено на перемещение воздуха от 500 до 1000 Дж. Работа в данном случае это потери.
Воздушное трение (турбулентность) — при движении воздух встречает серьезное сопротивление, как со стороны себя же, но более холодного, так и со стороны поверхности стен и т.д. Этот процесс так же влечет потери. Предметы при конвективном отоплении всегда холоднее воздуха, т.е. для того чтобы температура стены составила у пола 18 С, воздух должен быть 22-23 С, следовательно, опять дополнительный расход энергии.
Третий момент — точка росы. Где-то в стене встречаются два фронта — холодный и теплый. Около точки, а точнее плоскости температура ноль находится точка росы, где водяной пар начинается конденсироваться и переходить в жидкое состояние. Внутри стены образуется вода — вещество имеющую почти самую высокую теплопроводность, т.е. теплопроводность стены, увеличивается, а теплопотери растут. Чтобы победить эту проблему нужно вынести точку росы максимально близко к внешней поверхности стены, тогда стена останется сухой и ее теплопроводность низкой.
Теперь можно вернуться к ПЛЭН. Нет необходимости нагревать воздух в помещении, ПЛЭН нагревает ограждающие конструкции, которые в зависимости от коэффициента черноты поглощают от 70-90% теплового потока, оставшиеся 10-30% отражаются, но, попав на следующую поверхность, опять те же 70-90% отраженного потока будут поглощены. Тепловой поток используется процентов на 95. Поглощенная энергия влечет нагрев поверхностей ограждающих конструкций, в местах контакта с ними начинает нагреваться воздух. Причем нагрев всех поверхностей происходит одновременно с приблизительно одинаковой температурой, т.к. теплый воздух оказывается под толщей более плотного холодного, он не может просто подняться вверх, происходит диффузия холодного и теплого воздуха и температура выравнивается.
Таким образом помещение постепенно наполняется теплым воздухом практически равной температуры по высоте помещения, следовательно, нет перегрева верхней части помещения и нет дополнительных теплопотерь. Кроме того, излучение проникает глубоко в ограждающие конструкции, прогревает их, в результате чего последние теряют влагу, и соответственно хуже проводят тепло. Мы загоняем точку росы ближе к внешней поверхности стены. В отличие от конвекции при передаче тепла воздух участие не принимает, и соответственно нет потерь на перемещение воздушных масс.
Все вышесказанное подтверждается опытами, проведенными в Турции, где помещение с почки зрения конвективных теплопотерь теряло 156 Вт с каждого квадрата, но при этом было достаточно 17 Вт на квадратный метр помещения.
Резюме
- ПЛЭН не перегревает верхнюю часть помещения, температура всей воздуха по стене почти одинакова. Не нужно тратить энергию на прогрев верхней части помещения до 30С, при этом экономия даже в лоб составит около 40%, если принять во внимание, что энергозатраты с ростом температуры растут нелинейно.
- При отоплении ПЛЭН практически отсутствует паразитная работа не перемещение воздуха.
- Нет потерь при передаче энергии от поверхности конвектора воздуху, и от воздуха ограждающим конструкциям.
- В случае с ПЛЭН воздух (не самый лучший проводник тепла) не принимает участия в теплообмене, а является побочным последствием ИК теплообмена.
- ПЛЭН прогревает ограждающие конструкции, что дополнительно снижает теплопотери здания.
Опираясь на вышесказанное, на праведные лабораторные испытания и практику приходим к выводу, что одно и то же помещение, отапливаемое конвективно, имеет теплопотери 100Вт, при отоплении ПЛЭН только 15Вт.
