Главная / Контакты / О компании / Статьи / ПЛЭН или конвектор?

ПЛЭН или конвектор?

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

  1. 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.
  2. При отоплении ПЛЭН практически отсутствует паразитная работа не перемещение воздуха.
  3. Нет потерь при передаче энергии от поверхности конвектора воздуху, и от воздуха ограждающим конструкциям.
  4. В случае с ПЛЭН воздух (не самый лучший проводник тепла) не принимает участия в теплообмене, а является побочным последствием ИК теплообмена.
  5. 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.