Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
4. Солнечная радиация и времена года
5. Удивительные свойства стекла
В этом посте мы обсудили прозрачность. Теперь предлагаю поговорить про механизмы потери тепла через стекло и U–показатель.
Механизмы потери тепла
Разрабатываются методы сокращения теплопотерь через окна и методы остекления солнцесборников. Тепловая энергия теряется через любую субстанцию, где есть разница температур на двух ее сторонах. Величина теплопотерь зависит от:
- разницы температур двух сторон,
- общей площади теплообмена,
- качества изолирующего материала.
Очевидно, что через бóльшее окно можно потерять больше тепла, чем через меньшее, а в холодный день теплопотеря больше, чем в теплый. Для того, чтобы понять, как происходит потеря тепла, и как ее можно минимизировать, нужно рассмотреть три механизма передачу тепла: проводимость, конвекция и излучение.
Проводимость
В любом материале тепловая энергия перетекает от теплых участков к холодным. Величины этого перетекания зависят от первых двух перечисленных выше факторов и от теплопроводности материала. В общей массе металлы имеют очень высокую теплопроводность и могут передавать большие количества тепла при небольших температурных разницах. В случаях, когда рамки для стекол сделаны из металла, они должны быть хорошо изолированы, чтобы минимизировать потерю тепла. Изоляторы требуют большой разницы температур для проведения тепла. Воздух – тоже очень хороший изолятор. Самые удачные формы изоляции имеют маленькие воздушные карманы, оставленные между двумя стеклами окна. Пузыри воздуха выполняют ту же роль в пластмассовых конструкциях и между фибрами минеральной ваты.
Конвекция
Нагретая жидкость, также как и воздух, расширяется и становится менее плотной. Также в ней возникает движение, известное как конвекция. Это один из главных методов передачи тепла через окна в окружающую среду:
Передача тепла через двойное стекло
Надписи на рисунке:
Heat flow. Потоки тепла.
Outside. Снаружи.
Air. Воздух за окном.
Inside. Внутри.
Convection takes place in the air gap. Конвекция возникает в воздушном зазоре.
Conduction takes place through the glass and across still air. Тепло проводится через стекло и дальше по воздуху.
Конвекция создается между воздухом и стеклом с внутренней его стороны, а при двойном остеклении в воздушном пространстве между стеклами. Эффекты конвекции можно уменьшить, если заполнить пространство между стеклами более тяжелым газом с менее мобильными газовыми молекулами, например, аргоном, криптоном или углекислотой. Конвекция может также быть уменьшена путем ограничения пространства, доступного для движения газа. Этот принцип используют в материалах изоляции, упомянутых выше.
Различные формы прозрачной изоляции активно развиваются. Для этого используют прозрачную пластмассу со средним содержанием пузырей изолирующего газа. Эти материалы могли бы в конечном счете революционно изменить понимание окон и стен. Из них могли бы делать и то и другое. Но в настоящее время эти материалы пока не удовлетворяют требованиям в защите от непогоды и ультрафиолетового света.
Альтернативу современным методам остекления могут составить вакуумные стеклопакеты. Конвекционные потоки не могут создаваться в вакууме. Однако для этого нужен полный вакуум. Нужно также увеличить продолжительность жизни окна минимум до 50 лет. Такому окну будут нужны внутренние распорки, препятствующие притяжению стекол за счет давления воздуха снаружи. Но эти распорки дополнительно проводят тепло через изолирующий промежуток, что несколько уменьшает эффективность системы.
Достаточно иметь воздушный зазор всего в 6-10 мм. Если сделать его меньше, конвекция будет затруднена, а теплопроводность напротив облегчена, так как теплу нужно преодлеть совсем небольшое расстояние. Более широкий зазор облегчает циркуляцию конвекционных потоков. Кроме того теплопроводность зазора можно уменьшить, если использовать специальные теплоотражающие покрытия. Наиболее простой путь уменьшить эффекты конвекции - вставить добавочные стекла в стеклопакет или прозрачный пластмассовый модуль между двумя стеклами в тройном стеклопакете. Также возможен стеклопакет с 4-мя стеклами.
Излучение
Энергия тепла от предметов может передаваться в виде такого же излучения, как она передается от Солнца к Земле. Количество излучения зависит от температуры излучающего тела. Крыша здания, например, излучает тепло далеко в атмосферу. Это также зависит от такой характеристики поверхности, как излучаемость. Большинство материалов, используемых в зданиях, имеют высокую излучаемость - приблизительно 0,9. Это означает, что они излучают 90% из теоретического максимума имеющейся температуры.
Другие производимые поверхности имеют более низкую излучаемость. Это означает, что хотя они и горячи, но излучат мало тепла наружу. Такие покрытия «Low-E» сейчас часто используются внутри двойного стеклопакета, чтобы позволяет снизить вырезать потери тепла излучением от внутреннего стекла к внешнему через воздушный промежуток.
Пример. Какие потери тепла можно считать нормой, если речь идет об окне с одним стеклом площадью 2 м2 измерителей, дне, когда температура снаружи – 50°C, а внутри +200°C?
В таблице 2 показано, что теплопотеря (U) для этого окна составляет 6 Вт * м^-2 * °C^-1, так что потерянная норма составляет 2 * 6 * (20 - 5) = 180 Вт.
Заметьте, что если температурная разница сохраняется на этом уровне 24 часа, полная потеря составила бы более чем 4 кВт*час. Для остекления лучших типов, показанных в таблице 2, это значение было бы уменьшено на четверть киловатт-часа.
Таблица 2. Характеристики теплопотери (U) для различных типов стекла.
Источники: Granqvist, 1989; Hutchins, 1997; и литературные источники авторов.
U–показатель
Проводимость, конвекция и излучение участвуют в сложном процессе потери тепла через стену, окно, крышу, и т.п. На практике для любого элемента строительных конструкций известен показатель теплопотери (U), который рассчитывается так:
Тепловой поток через 1 м^2 = U * разницу температур
Единицы, в которых измеряется U - Вт / (м^2 * °С). Более низкое значение U означает лучшую работу изоляции. Таблица представляет типичные показатели U для различных видов остекления (точные значения будут зависеть от элементов строительных конструкций, специфических деталей оконных рам).
Обсудить в моем ЖЖ
Продолжение следует
Каталог 3-х первых разделов учебника
Также рекомендую первые 7 статей из перевода:
Энергетика устойчивого будущего
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Сценарии развития энергетики до 2030 года
Сила, энергия и мощность
Солнечная тепловая энергия. Солнечный водонагреватель на крыше
Солнечная тепловая энергия для получения бытовой тепловой энергии
Солнечная радиация и времена года
И статьи:
Несколько характеристик атомной энергетики
Энергия и материя Вселенной