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.

Энергоэффективность стальных панельных радиаторов в низкотемпературных системах отопления

Запись дневника создана пользователем evraz, 04.06.20
Просмотров: 822

Опубликовано в журнале СОК №9 | 2015

Зачастую в погоне за инновациями мы забываем о выработанных годами эффективных решениях. Вместо того, чтобы улучшать что-то старое, мы изобретаем что-то новое, совершенно забывая о том, что «новое» не означает «лучшее». Так случилось с алюминиевыми радиаторами, которые производят порядка 15—20 лет только для России и постсоветского пространства. Для сравнения — стальные панельные радиаторы Purmo производят свыше 80 лет и используют во всех странах, где необходимо отопление. Почему так происходит?

Рис. 1. Разрез алюминиевого радиатора

Рис. 2. Разрез стального радиатора

Рис. 3. Разрез конвектора

Наверняка все вы неоднократно слышали от производителей стальных панельных радиаторов (Purmo, Dianorm, Kermi и т.д.) о небывалой эффективности их оборудования в современных высокоэффективных низкотемпературных системах отопления. Но никто не удосужился объяснить — откуда же берётся эта эффективность?

Для начала давайте рассмотрим вопрос: «Для чего нужны низкотемпературные системы отопления?» Они нужны для того, чтобы можно было использовать современные высокоэффективные источники тепловой энергии, такие как конденсационные котлы и тепловые насосы. В силу специфики данного оборудования температура теплоносителя в этих системах колеблется в пределах 45-55 °C. Тепловые насосы физически не могут поднять температуру теплоносителя выше. А конденсационные котлы экономически нецелесообразно разогревать выше температуры конденсации пара 55 °С ввиду того, что при превышении этой температуры они перестают быть конденсационными и работают как традиционные котлы с традиционным КПД порядка 90 %. Кроме того, чем ниже температура теплоносителя, тем дольше проработают полимерные трубы, ведь при температуре 55 °С они деградируют 50 лет, при температуре 75 °С — 10 лет, а при 90 °С — всего три года. В процессе деградации трубы становятся хрупкими и ломаются в нагруженных местах.

С температурой теплоносителя определились. Чем она ниже (в допустимых пределах), тем эффективнее расходуются энергоносители (газ, электричество), и тем дольше работает труба. Итак, тепло из энергоносителей выделили, теплоносителю передали, в отопительный прибор доставили, теперь тепло нужно передать от отопительного прибора в помещение.

Как все мы знаем, тепло от отопительных приборов в помещение поступает двумя способами. Первый — это тепловое излучение. Второй — это теплопроводность, переходящая в конвекцию.

Давайте рассмотрим каждый способ повнимательнее.

Всем известно, что тепловое излучение — это процесс переноса тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу посредством электромагнитных волн, то есть, по сути, это перенос тепла обычным светом, только в инфракрасном диапазоне. Именно так тепло от Солнца достигает Земли. Из-за того, что тепловое излучение по сути является светом, то к нему применимы те же физические законы, что и для света. А именно: твёрдые тела и пар практически не пропускают излучение, а вакуум и воздух, наоборот, прозрачны для тепловых лучей. И только наличие в воздухе концентрированных водяных паров или пыли уменьшает прозрачность воздуха для излучения, и часть лучистой энергии поглощается средой. Поскольку воздух в наших домах не содержит ни пара, ни плотной пыли, то очевидно, что для тепловых лучей его можно считать абсолютно прозрачным. То есть излучение не задерживается и не поглощается воздухом. Воздух не греется излучением.

Лучистый теплообмен идёт до тех пор, пока существует разница между температурами излучающей и поглощающей поверхностей.

Теперь поговорим про теплопроводность с конвекцией. Теплопроводность — это перенос тепловой энергии от нагретого тела к холодному телу при непосредственном их контакте. Конвекция — это вид теплопередачи от нагретых поверхностей за счёт движения воздуха, создаваемого архимедовой силой. То есть нагретый воздух, становясь легче, под действием архимедовой силы стремится вверх, а его место возле источника тепла занимает холодный воздух. Чем выше разница между температурами нагретого и холодного воздуха, тем больше подъёмная сила, которая выталкивает нагретый воздух вверх.

В свою очередь, конвекции мешают различные преграды, такие как подоконники, шторы. Но самое главное — это то, что конвекции воздуха мешает сам воздух, а точнее, его вязкость. И если в масштабах помещения воздух практически не мешает конвективным потокам, то, будучи «зажатым» между поверхностями, он создаёт существенное сопротивление перемешиванию. Вспомните оконный стеклопакет. Слой воздуха между стёклами тормозит сам себя, и мы получаем защиту от уличного холода.

Ну, а теперь, когда мы разобрались в способах теплопередачи и их особенностях, давайте посмотрим на то, какие процессы проходят в отопительных приборах при разных условиях. При высокой температуре теплоносителя все отопительные приборы греют одинаково хорошо — мощная конвекция, мощное излучение. Однако при снижении температуры теплоносителя всё меняется.

Конвектор. Самая горячая его часть — труба с теплоносителем — находится внутри отопительного прибора. От неё греются ламели, и чем дальше от трубы, тем ламели холоднее. Температура ламелей практически равна температуре окружающей среды. Излучения от холодных ламелей нет. Конвекции при низкой температуре мешает вязкость воздуха. Тепла от конвектора крайне мало. Чтобы он грел, нужно либо повышать температуру теплоносителя, что сразу снизит эффективность системы, либо выдувать из него тёплый воздух искусственно, например, специальными вентиляторами.

Алюминиевый (секционный биметаллический) радиатор конструктивно очень похож на конвектор. Самая горячая его часть — коллекторная труба с теплоносителем — находится внутри секций отопительного прибора. От неё греются ламели, и чем дальше от трубы, тем ламели холоднее. Излучения от холодных ламелей нет. Конвекции при температуре 45-55 °С мешает вязкость воздуха. В итоге тепла от такого «радиатора» в нормальных условиях эксплуатации крайне мало. Чтобы он грел, нужно повышать температуру теплоносителя, но оправдано ли это? Таким образом, мы практически повсеместно сталкиваемся с ошибочным расчётом количества секций в алюминиевом и биметаллическом приборах, которые основываются на подборе «по номинальному температурному потоку», а не исходя из реальных температурных условий эксплуатации.

Самая горячая часть стального панельного радиатора — внешняя панель с теплоносителем — находится снаружи отопительного прибора. От неё греются ламели, и чем ближе к центру радиатора, тем ламели холоднее. А излучение от наружной панели идёт всегда

Стальной панельный радиатор. Самая горячая его часть — внешняя панель с теплоносителем — находится снаружи отопительного прибора. От неё греются ламели, и чем ближе к центру радиатора, тем ламели холоднее. Конвекции при низкой температуре мешает вязкость воздуха. А что с излучением?

Излучение от наружной панели идёт до тех пор, пока существует разница между температурами поверхностей отопительного прибора и окружающих предметов. То есть всегда.

Кроме радиатора данное полезное свойство присуще и радиаторным конвекторам, таким как, например, Purmo Narbonne. В них теплоноситель также протекает снаружи по прямоугольным трубам, а ламели конвективного элемента располагаются внутри прибора.

Применение современных энергоэффективных отопительных приборов способствует снижению затрат на отопление, а широкий ряд типоразмеров панельных радиаторов от ведущих производителей с лёгкостью помогут воплотить в жизнь проекты любой сложности.

Источник: c-o-k. ru/articles/energoeffektivnost-stalnyh-panelnyh-radiatorov-v-nizkotemperaturnyh-sistemah-otopleniya