Статьи
Конвекция или тепловая радиация — какой обогрев комфортнее?
Радиаторы отопления могут сочетать в своей работе два способа передачи тепла — конвекцию и тепловое излучение, и именно от соотношения этих способов теплопередачи в первую очередь зависят ощущения людей, находящихся в обогреваемом помещении — комфортно им там находиться, или нет.
Конвективный обогрев направлен преимущественно вверх (это понятно, так как потоки нагретого воздуха стремятся вверх, под потолок), а инфракрасные тепловые лучи исходят перпендикулярно от греющей поверхности радиатора, и поэтому обогревают в первую очередь пространство напротив, то есть предметы в нижней части помещения, часть пола и нижние слои воздуха (инфракрасное излучение от радиатора, установленного на стене, будет направлено внутрь или к центру комнаты).
Казалось бы — какая разница, что прогревается первым: верх или низ помещения, ведь в итоге тепло все равно перемешается. На самом деле разница довольно большая, и многие люди ощущают это на себе.
Если радиатор отопления отдает тепло преимущественно конвективным способом (а именно так и происходит в случае установки, например, алюминиевых радиаторов, имеющих высокую тепловую мощность каждой отдельной секции и маленькую общую площадь поверхности радиатора), то мощные потоки теплого воздуха устремляются вверх, откуда потом, со временем остывая, они опускаются вниз.
Но температура воздушного потока, стремящегося вверх оказывается настолько высока, что разница между температурой воздуха наверху и внизу комнаты оказывается очень большой — часто она может с легкостью достигать 15 градусов и выше! Таким образом, если мы установили на термостате 23-25 градусов, что обычно является комфортной температурой для большинства людей (хотя врачи и советуют на ночь устанавливать в районе 18-20, чтобы лучше высыпаться), то температура воздуха на уровне пола будет на 3-5 градусов ниже установленной на термостате, а вот под потолком она запросто может достигать 32-35 градусов!
Всем нам хорошо известно мудрое изречение известного полководца Кутузова: «Держи голову в холоде, а ноги в тепле», а тут получается все наоборот — голове слишком жарко, а ногам прохладно.
Ситуация еще более усугубляется тем, что, как правило, радиаторы высокой тепловой мощности имеют очень компактные размеры (ведь для того, чтобы обеспечить требуемые тепловые поступления нужно очень маленькое количество мощных радиаторных секций) — а это означает, что такой чересчур компактный радиатор не перекрывает ширину оконного проема, и от окна в комнату поступают холодные потоки воздуха.
Конечно, впоследствии этот холодный воздух прогревается, но некоторый сквозняк в комнате присутствует постоянно. Получается, что к большим перепадам температур «верх-низ» добавляется еще движение прохладного воздуха от окна. И хотя средняя температура воздуха при этом является нормальной (в комнате в общем вроде как тепло), но вот за счет такой «неравномерности» температур и возникающих вследствие этого ненужных потоков воздуха (сквозняков), ощущения комфорта у находящихся в комнате людей уже не возникает.
В этом отношении гораздо более комфортным будет тепло от не самого мощного радиатора, но который при этом имеет большую площадь греющей поверхности — ведь при этом теплопередача в окружающее пространство начинает осуществляться за счет тепловой радиации (теплового излучения), которое направляется не вверх, а в сторону от греющей поверхности.
Именно сочетание конвекции и теплового излучения дает тот тепловой комфорт, которого мы все ожидаем от системы отопления: часть тепла уходит наверх, часть тепла направляется к центру комнаты — при этом перепады температур между различными частями комнаты сводятся к минимуму. Плюс за счет больших размеров такой радиатор перекрывает оконный проем и начинает работать как тепловая завеса — то есть отсекает холодный воздух, который идет от стекла.
Если же говорить о том, в каких пропорциях должны сочетаться эти два способа теплопередачи, то среди специалистов идеальным считается сочетание конвективного и лучистого тепла примерно в равных соотношениях (то есть 50/50).
Однако такого соотношения на практике достичь довольно трудно. Проще всего обеспечить передачу тепла преимущественно за счет конвекции.
Именно поэтому большинство современных радиаторов отопления (в том числе и сама многочисленная группа — алюминиевые радиаторы) осуществляют передачу тепла таким способом. Стальные панельные радиаторы передают тепло и тепловым излучением, и конвекцией, но из-за ряда причин панельные стальные радиаторы не могут применяться в городских квартирах, да и в системах отопления частных домов их используют нечасто.
Вообще надо отметить, что производители радиаторов водяного отопления не уделяют этому вопросу должного внимания — все их усилия направлены на получение максимальной тепловой мощности отдельной секции, а не на повышение общей комфортности процесса обогрева.
Из всех радиаторов отопления, представленных на сегодняшнем рынке, пожалуй, единственными моделями, которые могут похвастать таким оптимальным соотношением двух способов теплопередачи являются биметаллические радиаторы ROYAL TERMO BiLiner — в них лучистая и конвективная теплопередача представлена именно в таком идеальном соотношении.
Интересно, что такого баланса различных способов теплопередачи в этих радиаторах удалось достичь только благодаря тому, что для создания этой серии были привлечены специалисты по воздушной аэродинамике. Только благодаря проведению компьютерного моделирования погружения радиатора в воздушную среду, и построению математической модели распределения воздушных потоков, исходящих от различных частей радиатора, стало возможным оптимизировать конструкцию радиатора таким образом, чтобы обеспечить именно такое идеальное соотношение лучистого и конвективного нагрева.
Отопительные радиаторы: конвекция или излучение?
Сейчас многие пользователи отопления обогревают свою квартиру или какое-либо жилище при помощи радиаторов, принцип работы у такой системы достаточно простой: в котельной установке происходит нагревание воды до определённой температуры, после этого вода поступает в помещение по трубам. Затем эта нагретая вода проходит по трубам в отопительный прибор, в данном случае это радиаторы, и таким образом происходит нагревание воздуха в помещение.
При этом стоит заметить, что передача тепла может осуществляться конвекцией, то такой прибор отопления будет иметь название конвектор, а если – при помощи излучения, то прибор будет иметь название радиатор. Теперь же стоит акцентировать внимание на конвекции и излучении. В данном случае, конвекция означает то, что воздух, который протекает через развитую поверхность, нагревается очень быстро, а излучение означает нагрев воздуха на поверхности, который имеет повышенную температуру. Конечно, на данный момент уже существует и комплексные приборы отопления – конвекторы-радиаторы.
Как стало уже понятно из выше изложенных предложений, воздух в помещении быстрее прогревается, если использовать способ конвекции. Однако у такого способа присутствует и свой отличительный недостаток: из-за того, что конвекция достаточно активно происходит, за собой она увлекает большое количество пыли, а это не самым лучшим образом сказывает на людях. Поэтому конвекторы лучше всего применять в зонах, где присутствуют существенные проблемы с отоплением, например помещение, где большое количество остекления и необходимо создать воздушную завесу, а обычные приборы отопления не помещаются из-за своих габаритов. При этом от радиаторов исходит только 60 % тепловой энергии, а остальная распространяется по помещению конвективным путём. Вследствие этого конвекция горячего воздуха достаточно минимальна, а вот объекты, которые находятся в помещении хорошо нагреваются. Вот и получается, что отопление радиаторами, чем-то напоминает отопление тёплым полом.
Для примера можно взять алюминиевые секционные радиаторы отопления. Естественно, такие радиаторы имеют свои положительные стороны. Первая сторона заключается в материале из которого и изготовлены батареи. Ведь у алюминия достаточно высокая теплопроводность. Следствие этого является то, что батареи очень быстро забирают тепло у носителя тепла и так же быстро его отдают окружающей среде. Есть и свой недостаток: такие батареи не выдержать высокого давления.
Конвекция и радиация при достижении теплового комфорта
Опубликовано: 30 июля 2019 г.
Виталий Сасин, к.т.н., член президиума НП «АВОК», председатель экспертного совета ассоциации «АПРО»
Из трех известных механизмов передачи теплоты от тела более теплого более холодному (теплопроводность, конвекция и излучение (радиация)) в процессе теплоотдачи отопительных приборов конвекция и радиация играют наиболее заметную роль при формировании теплового комфорта в отапливаемом помещении.
О сновной способ передачи теплоты – конвективный. Когда молекулы воздуха, контактируя с молекулами нагретого тела, поглощают часть энергии, начинают двигаться быстрее, воздух нагревается и становится менее плотным, его потоки поднимаются, вытесняясь более холодными, и уносят с собой тепло. Остывая – отдавая часть своего тепла окружающим предметам – воздух опять уплотняется и снова опускается вниз, вытесняя менее плотные теплые массы воздуха – формируются конвективные потоки, которые «разносят» тепло по обогреваемому помещению.
При радиации (этот механизм также называют передачей тепла с помощью лучистой энергии или лучистым обогревом) энергия переносится с объекта на объект посредством электромагнитного излучения с длиной волны (λ) от 0,7 до 400 мкм – инфракрасная часть спектра. При поглощении электромагнитных волн с длиной волны из инфракрасной части спектра каким-либо телом (облучаемым объектом) происходит возбуждение молекул вещества, ускорение движения этих молекул и генерация тепловой энергии. Так, в частности, передается на Землю тепло Солнца, таким же образом мы греемся у костра или камина и, более того, таким способом мы воспринимаем часть тепла от любых предметов и сами отдаем его.
Любой традиционный отопительный прибор отдает тепло в обогреваемое помещение обоими упомянутыми способами. Однако соотношение долей указанных природных механизмов в передаче тепловой энергии окружающей среде и предметам для разных отопительных приборов будет различно. Это соотношение и послужило когда-то основой для их деления на радиаторы и конвекторы. В соответствии с преобладающим способом теплоотдачи отопительные приборы делились на следующие виды:
— радиационные, передающие излучением не менее 50% всего вырабатываемого теплового потока (обычно потолочные отопительные панели и излучатели),
— конвективно-радиационные, передающие конвекцией 50%-75% общего теплового потока (радиаторы секционные и панельные, гладкотрубные приборы, напольные отопительные панели),
— конвективные, передающие конвекцией не менее 75% общего теплового потока (конвекторы и ребристые трубы).
Радиаторы и (или) конвекторы
В быту – как в многоквартирных, так и в частных домах, коттеджах – наибольшее распространение в системах водяного отопления получили отопительные приборы, устанавливающиеся, как правило, под окнами. По упомянутой выше классификации они относятся к «конвекционно-радиационным», но принято называть их просто радиаторами и только некоторые – конвекторами. Однако, если основывать деление отопительных приборов на радиаторы и конвекторы в зависимости от того, какая составляющая, лучистая или конвекционная, преобладает в общей теплоотдаче с прибора, то все типовые отопительные приборы, которые устанавливаются под подоконником (рис. 1) надо считать конвекторами.
Рис. 1 Секционный радиатор, установленный под окном
Даже для однорядного стального панельного радиатора без оребрения (тип 10) доля лучистого тепла составляет в общей теплоотдаче около 45 % (рис. 2, 3).
Рис. 2 Типы стальных панельных радиаторов
Рис. 3 Стальной панельный радиатор – тип 10
Во всех остальных радиаторах оребрение играет главную роль в теплоотдаче, как за счет увеличения площади, так и за счет формирования конвекционных каналов. При этом оребрение само себя экранирует, препятствуя распространению тепла лучистым способом (рис. 4). Поэтому и доля конвективной отдачи с любого отопительного прибора оказывается больше.
Рис. 4 Оребрение стального панельного радиатора
Конвекторами в классификации старых ГОСТО-в, как приводится выше, было принято считать приборы, доля лучистой составляющей в теплоотдаче которых не превышает 25 %. В то же время такие модели приборов, за которыми укоренилось название стальных панельных радиаторов, например, тип 22 или тип 33 не дают и 20 % лучистой энергии в общей теплоотдаче (рис. 5, 6).
Рис. 5 Стальной панельный радиатор тип 22
Рис. 6 Стальной панельный радиатор тип 33
Во избежание несуразицы, в современной редакции ГОСТов под радиатором следует понимать: «Отопительный прибор, отдающий теплоту путем конвекции и радиации», а под конвектором (рис. 7): «Отопительный прибор, отдающий теплоту преимущественно за счет свободной конвекции. Конвектор, как правило, состоит из нагревательного элемента и кожуха, образующего необогреваемый канал для естественной конвекции» (ГОСТ 31311-2005. Приборы отопительные. Общие технические условия, статьи 3.2 и 3.3 соответственно).
Рис. 7 Напольный конвектор
Понятия радиатор и конвектор используются также в действующем пока ГОСТе 53583-2009 «Приборы отопительные. Методы испытаний». Прежде всего, это оправдано тем, что в данном нормативном документе учитывается влияние атмосферного давления на конвективную составляющую теплоотдачи и приводится соответствующий график (рис. 8) для поправки (fB) к расчету фактического значения теплового потока прибора (Q), Вт, которое при испытаниях определяют по формуле (ГОСТ 53583-2009, статья 7.3):
Qизм – тепловой поток испытуемого отопительного прибора,
S – доля теплоотдачи излучением, определяемая согласно ГОСТ-у по приводящейся там таблице.
Атмосферное давление влияет на конвективную составляющую теплоотдачи отопительного прибора, так как при этом способе отдачи теплоты основную роль играет формирование теплых воздушных потоков, а если прибор имеет существенную долю лучистой энергии в теплоотдаче, то атмосферное давление на его общей теплоотдаче сказывается меньше. В целом же изменения атмосферного давления в природных условиях оказывает влияние на значение теплоотдачи прибора обычно в пределах 2-3%.
Рис. 8 График для поправки на атмосферное давление к расчету теплового потока
Конвекция и радиация в температурном комфорте
Наиболее комплексно состояние теплового комфорта человека определяется в микроклимате помещения с помощью эквивалентно-эффективной температуры (ЭЭТ) и результирующей температуры (РТ). ЭЭТ – условно-числовая величина субъективного ощущения человека при разных соотношениях температуры, влажности, скорости движения воздуха, а РТ – и радиационной температуры. Этот параметр используется при наличии источников теплового излучения и рассчитывается, в общем случае, с помощью таблиц или номограмм по показателям сухого и радиационного термометров.
Согласно ГОСТу 30494-96 «Здания жилые и общественные параметры микроклимата в помещениях» результирующая температура при скорости движения воздуха до 0,2 м/с равна полусумме температур воздуха в помещении и средней радиационной. При скорости же 0,2–0,6 м/с она рассчитывается по формуле:
PT = 0,6 tp + 0,4 tr,
где tp и tr – соответственно температуры воздуха в помещении и средняя радиационная. Для получения последней используются показатели шарового термометра или температуры внутренних поверхностей ограждений и отопительных приборов:
где Ai – площадь внутренней поверхности ограждений и отопительных приборов, ti – их температуры, ˚С.
На степень комфортности внутреннего климата значительно влияют также тепловая радиационная асимметрия, температура поверхности пола, температурный градиент по вертикали.
По своей природе инфракрасное излучение более эффективный способ передачи тепла от его источника к окружающим предметам и именно потому, что при этом не нагревается воздух, выступающий при конвекции как промежуточный теплоноситель, доставляющий тепло к месту его потребления. При транспортировке происходят основные потери тепла. Под воздействием же инфракрасного излучения непосредственно нагревается поверхность пола, облучаемые площади стен, поверхность человеческого тела, окружающие предметы. Практически вся излученная энергия переходит в тепло обогреваемого предмета без теплопотерь, и уже впоследствии от нагретых поверхностей предметов нагревается воздух в помещении.
Кроме того, для передачи тепла лучистой энергией свойственен эффект дополнительного обогрева — находящийся под воздействием инфракрасного излучения человек ощущает температуру примерно на 3-4 градуса выше, чем реальная температура воздуха в помещении.
Однако при формировании теплового комфорта в помещении, которое обогревается прибором водяного отопления, размещенном под подоконником, наблюдается такой парадокс, что именно конвекторы оказываются более эффективны и, в том числе, за счет вклада радиационной составляющей в общий баланс для достижения температуры комфорта.
Прежде всего, условный конвектор, установленный под подоконником, создает более мощный конвекционный поток теплого воздуха, чем установленный там же условный радиатор. В результате, этот поток лучше защищает от холода, поступающего внутрь помещения от окна. Поток теплого воздуха от конвектора на 1-2 ºС лучше прогревает поверхность оконного стекла, чем поток от радиатора. А эти 2 градуса очень хорошо чувствуются, если люди сидят около окна и разница между температурами 16 ºС и 18 ºС очень заметна.
Более того, конвекторы создают большую подвижность воздуха в помещении, теплый воздух скапливается в верхней части помещения и перегревают потолок тоже на 2-3 ºС. Казалось бы, это мелочи, и такая небольшая разница перегрева не будет заметна при формировании теплового комфорта в отапливаемом помещении, но потолок обладает большой площадью и поэтому «лишние» 2-3 градуса тепла со всей его поверхности оказываются совсем не лишними и очень заметными. Причем отдается это тепло с поверхности потолка в основном уже лучистым способом. То есть улучшается радиационная составляющая.
Эффективны в повышении вклада радиационной составляющей в общий баланс температурного комфорта оказываются и плинтусные (парапетные) конвекторы, которые размещаются при отоплении больших помещений по периметру стен, особенно при сочетании с вентиляторными конвекторами, устанавливаемыми под окнами. При их работе не только перегревается потолок, но и формирующиеся у поверхности стен конвекционные потоки прогревают и сами стены. Опять на те же 2-3 °С, но в этом случае и стены начинают вносить больший вклад в радиационную составляющую общего теплового комфорта. Таким образом получается, что как бы теплопотери с промежуточного теплоносителя (воздуха) работают на более эффективное достижение комфортной температуры.
