В быту доступны два вида теплоносителей: воздух и вода (в том числе и в смеси с антифризами). Попробуем разобраться в их свойствах.
Существует 3 простых способа передачи тепла:
- Теплопроводность наиболее характерна для плотных структур, таких как твердые вещества. Мы наблюдаем ее при непосредственном контакте двух объектов, например ног и теплого пола. А также внутри однородного объекта – например разогрев ручки чугунной сковородки.
- Конвекция характерна для подвижных веществ, таких как жидкости и газы. В этом случает происходит непосредственное перемещение части
- Излучение, это передача тепла при помощи электромагнитных волн инфракрасного диапазона. Ощущается как тепло рядом с камином.
Наверное сразу стоит упомянуть относительно передачи тепла излучением закономерность уменьшения мощности излучения пропорционально квадрату расстояния. Это значит, что если измерить мощность на расстоянии 1 метр от источника, а потом на расстоянии 2 метра, то цифра окажется в 4 раза меньше. 4 метра дадут уже в 16 раз меньший результат, и так далее. И именно этот факт не позволяет нам сгореть от тепла солнца, раскаленного до миллионов градусов.
Воздух
Воздух, в отличие от воды, присутствует везде. Нагревая классическую радиаторную систему отопления, мы в первую очередь стремимся нагреть воздух.
Некоторые пользуются инфракрасными обогревателями, но это абсолютно некомфортно, когда общая температура вокруг ниже 15 градусов. Возле такого излучателя тепло только со стороны, обращенной к нему, а все остальное мерзнет.
Также воздух обладает в 4 раза более низкой теплоемкостью 1005 Дж/ (кг·град) против 4220 Дж/(кг·град) у воды. А это значит, что на его разогрев нужно в 4 раза меньше энергии.
Теплопроводность воздуха лежит в пределах 0,022-0,025 Вт/(м·К) в интересующем нас температурном диапазоне от -23 до +23 градусов соответственно. Все теплоизоляционные материалы построены на основе смешивания основного каркасного вещества с воздухом при помощи вспенивания или "распушения". Цель всегда одна и та же – создать объемную структуру из волокон или синтетической решетки (как у пенопласта), в которой будет максимум воздуха и минимум его перемещения за счет конвекции или внешнего давления. Воздух должен быть как бы запечатан внутри материала, тогда конвекция перестает работать, а свойства будут определяться только теплопроводностью воздуха (с погрешностью на теплопроводность армирующего материала). Суммарная же теплопроводность будет приближаться к цифрам, указанным в начале абзаца.
Когда делал калькулятор по теплообменникам, перечитал массу литературы по теплообмену, и нашел очень интересный эффект. В обычных условиях, когда просто сидишь неподвижно, то кажется что тебе достаточно тепло, но, стоит сделать пару движений, как начинает чувствоваться прохлада окружающего воздуха.
Происходит вот такая штука. Когда мы сидим неподвижно, вдоль тела создается конвективный поток воздуха. Воздух прохладнее, а рядом с кожей он начинает нагреваться и подниматься вверх образуя тонкий медленно перемещающийся слой, обтекающий тело и похожий на кокон. Это называется ламинарным типом течения - не происходит никаких завихрений, перемешивания и т.д. Самое интересное, что при ламинарном движении вдоль нагревателя (в данном случае нашей кожи) вдоль поверхности образуется очень тонкий слой, где вообще нет никакого движения. Там воздух как бы прилипает и останавливается. Образуется что-то вроде тонкого слоя утеплителя из одного только воздуха.
Но, стоит нам совершить какое-то движение, и ламинарный поток меняется на турбулентный (движение с завихрением), который считается самым эффективным при конвективном теплообмене. Наша тонкая оболочка просто сдувается напором завихренного воздуха – разрушается слой "теплоизолятора" - и становится прохладнее.
Поддерживая температуру воздуха в комфортных пределах, мы добиваемся оптимальных условий, когда лишнее тепло тела еще может утилизироваться, но переохлаждения уже не происходит. Так почему не контролировать сам воздух без всяких промежуточных систем? Это выходит дешевле еще и от того, что вентиляция, как ни крути, но все равно нужна. Если сделать ее грамотно, то можно сэкономить кучу денег на отоплении.
Да, вентиляция штука не дармовая, но, следуя принципам разумной достаточности, не возводя дома чрезмерной площади, суммы выходят вполне приемлемые, особенно, если учесть, что можно отказаться от труб с водой, радиаторами под каждым окном и рисков протечек.
Вода
В случае с водой мы имеем дело с промежуточным теплоносителем. Напрямую горячая вода используется только в системе горячего водоснабжения.
В данном контексте предлагаю рассмотреть воду, как вспомогательный инструмент со своими очевидными плюсами. Отрицательные качества вполне можно локализовать и обезопасить.
Так как вода плотнее воздуха, то и теплопроводность у нее будет более высокой, при этом также сохраняется и конвективный перенос тепла. Коэффициент теплопроводности 0,57-0,68 Вт/(м·К) температурном диапазоне от 0 до 100 градусов, что в 20 раз выше, чем у воздуха (0,022-0,025 Вт/[м·К]). А это значит, что мы можем использовать воду для переноса и аккумулирования тепла, ограничиваясь пределами технического помещения, где размещается тепловое оборудование дома. Меньше труб, меньше стыков, меньше протечек, меньше объем обращаемой воды, а значит меньше растворенного в ней кислорода со всеми вытекающими. Бонусом получаем экономию на арматуре контроля и распределения, которая стоит каких-то запредельных денег.
Второй очевидный плюс такого подхода - отсутствие угрозы разрыва труб при замораживании системы зимой при аварии на линии электроснабжения. То есть, у нас нет нужды пускать по всему дому антифриз для подстраховки, нам достаточно заправить систему в бойлерной.
Третий положительный фактор, вытекающий из второго – уменьшенное время выхода системы на рабочий режим из-за того, что объем жидкого теплоносителя оказывается в разы меньше. Меньше объем – легче прогреть, быстрее выход на рабочие температуры.
В случае безынерционной конструкции дома, мы получаем систему быстрого старта, когда помещения можно держать в "спящем режиме" при температуре 10-15 градусов, а по необходимости быстро переводить в состояние готовности. Это не только экономия ресурсов, но и более щадящая эксплуатация помещений и всего, что находится внутри них. Никакой сырости, затхлых запахов и т.д.
Вода как аккумулятор тепла
При всей малой инерционности системы отопления, очень важно обеспечить ее большую аккумулирующую способность во внешнем аккумуляторе. Тогда появляется возможность разделить процессы генерации (например сжигания топлива в котле) и использования тепла. Заряжать такой аккумулятор придется от случая к случаю, а использовать накопленное тепло можно в автоматическом режиме.
Я провел небольшой анализ и свел все в небольшую табличку
Как видим, по теплоемкости воде нет равных. Прошу обратить внимание, что мы имеем дело с простой теплопроводностью, без конвективного теплопереноса.
В этой статье я постарался изложить основные мысли по водяным аккумуляторам тепла. Но, занимаясь сегодня этой табличкой, пришла мысль, что вовсе не обязательно связываться с водой. Можно просто поставить несколько бетонных колодезных колец в виде башни, гидроизолировать изнутри, поместить туда теплообменники, а все свободное пространство забить смесью глины пополам с хорошим песком. В итоге получается проще конструкция, полное отсутствие протечек.
Специально посмотрел коэффициенты теплового расширения для глины, и оказалось, что они лежат в пределах от 0,002 до 0,012 мм/м*К. То есть при нагреве на 100 градусов глина расширится максимум на 1,2 мм на каждый метр измерения, что вполне безопасно для целостности подразумеваемой бетонной опалубки.
Всем добра и неугасающего любопытства!!
#энергоэффективные дома #экономия денег #конструирование #свой участок #организация пространства #строительство для себя #самореализация #осознанность