Необходимым условием такого распространения тепла является вещественная среда, так как передача энергии (тепла) происходит при непосредственном соприкасании молекулы вещества с более высокой температурой с молекулой более низкой температуры. Человек в отапливаемом пространстве становится составной частью системы и ощущает тепло как непосредственную тепловую энергию окружающего воздуха и предметов, с которыми соприкасается. Таким образом, для конвекционно отапливаемого пространства действителен закон, согласно которому температура воздуха (tv), согретого конвекторами, выше или равняется температуре окружающих предметов (tр), которые должны быть согреты этим воздухом.

Над другим способом распространения тепловой энергии – излучением – мы часто даже не задумываемся, хотя с ним встречаемся каждый день. Этим способом Солнце передает свою тепловую энергию поверхности Земли, от которой впоследствии нагревается воздух. В данном случае речь идет о передаче тепла электромагнитным излучением определенной длины волны.

Энергия электромагнитного излучения трансформируется в тепло после попадания излучения на поверхность предметов, которые данную энергию поглощают. Здесь действительна физическая симметрия между излучением и поглощением энергии черного тела. Если мы нагреваем тело, оно начинает излучать электромагнитные волны (энергию) в окружающее пространство. Если данная энергия поглощается другим телом, это приводит к нагреванию этого тела, что и используется при лучистом отоплении. В этом случае лучистые отопительные устройства, которые размещают на определенной высоте над полом, излучают электромагнитные волны, которые с очень незначительными потерями проходят через воздух, поглощаются полом, вследствие чего повышается температура пола и предметов, на которые попадает излучение. Согретый таким образом пол нагревает воздух.

Влияние лучистого отопления на человека можно сравнить с прогулкой в солнечный весенний день. Температура воздуха еще не достаточно высокая, однако солнечные лучи уже согревают землю, и человек ощущает их как приятное тепло.

Упомянутое выше равенство между температурами воздуха и предметов в обоих случаях действительно только в домах с качественной теплоизоляцией.

Приведенные свойства можно отобразить следующим образом:

1. Передача тепла конвекцией: tv > tр.

2. Передача тепла: конвекционное тело – согревание воздуха – согревание человека.

3. Передача тепла излучением: tv < tр.

4. Излучающее устройство: согревание предметов и человека – согревание воздуха.

Для того чтобы сравнить эффективность конвекционного и лучистого отопления в типичном промышленном помещении, попробуем проанализировать требования к состоянию теплового комфорта человека и энергетические параметры обеих систем отопления.

Тепловой комфорт можно определить как приятные ощущения человека в отапливаемом пространстве. На тепловые ощущения человека и его комфорт влияют несколько факторов, из которых самими важными являются:

– температура воздуха tv (°С);

– температура плоскостей, ограничивающих интерьер, – tu (°С);

– скорость перемещения воздуха в помещении – w (ms-1);

– тепловое сопротивление одежды – Rc (m2.K.W-1);

– уровень активности человека – Q (W);

– относительная влажность среды – ф (%).

Температура воздуха в помещении обычно относится к первичным критериям оценки теплового состояния отапливаемого помещения. Этот критерий вместе со скоростью перемещения воздуха определяет конвекционную передачу теплового потока от человека к окружающему пространству.

В обычных отапливаемых домах при температуре 18–20° С допускается движение воздуха не более 0,1 м/с. Идеальное отопление должно было бы обеспечить такое вертикальное распределение воздуха в помещении, при котором температура на уровне высоты головы человека (приблизительно 1,7 м над полом) была бы примерно на 2° С ниже, чем на уровне 10 см над полом.

Значительное влияние на тепловой комфорт человека имеет температура ограничивающих плоскостей помещения, которая должна быть такой, чтобы разница температур стен и пола и температуры воздуха составляла не более 7° С, если человек отдыхает, и не более 10° С, если он работает.

Среднее арифметическое эффективной температуры стен и температуры воздуха в интерьере (ti) можно определить как внутреннюю температуру в помещении. Эта температура измеряется сферическим термометром в центре помещения на высоте 1 м от пола, что соответствует центру тяжести стоящего человека. Значение измерения обычно является нормативным значением для проектирования технологии отопления в помещении.

Если влажность воздуха в помещении варьируется в диапазоне 35–70%, она не влияет на ощущение теплового комфорта человека, так как наличие водяного пара в воздухе также воздействует и на интенсивность испарения влаги с тела человека.

Остальные факторы, влияющие на тепловой комфорт в помещении, можно определить как принадлежащие к более широкому набору микроклиматических условий. К ним относятся:

– частицы пыли в воздухе;

– микроорганизмы или бактерии;

– газы, испарения и запахи разного типа;

– содержание ионов в воздухе.

В прошлом оценка потребления энергии на отопление промышленных объектов в соответствующих технических стандартах не устанавливалась и даже не рекомендовалась. Однако предполагается, что в процессе согласования стандартов со стандартами стран ЕС критерии потребления тепла будут нормативно зафиксированы. Потребление энергии для отопления загородного дома оценивают на основе тепловой характеристики объекта qo.

Если действительно соотношение qo < = qo N, объекты удовлетворяют требованиям, в обратном случае они не соответствуют критериям.

Нормативная тепловая характеристика qoN для производственных промышленных объектов определяет объекты:

1) с очень легкой и легкой работой (табл. 4, строка А);

2) со средне тяжелой и тяжелой работой (табл. 4, строка Б).

При расчете потребления тепла и тепловой характеристики зданий исходят из:

– тепловых потерь, данных стандартом для температуры воздуха внешней среды;

– характеристик смежных строений объекта.

При отоплении загородного дома учитываются тепловые потери объекта и только потом тепловые потери, связанные с инфильтрацией воздуха.

Тепловая характеристика рассчитывается по формуле:

qo = Qb (V. /\t) – 1 = Qb [V(ti – te)] – 1 (W.m – 3.K – 1),

где qo – тепловая характеристика здания (W.m – 3.K – 1);

Qb – тепловые потери здания (W);

/\t = (ti – te) – разница температур воздуха внутренней и внешней среды (К);

V – смежные помещения (т“”).

Отопительная система должна удовлетворять широким комплексным требованиям, которые характеризуются:

– энергетическими требованиями;

– экономической эффективностью;

– экологической обстановкой.

Отопительные системы по источнику тепла разделяются на:

– центральные (котельная на твердом, жидком, газовом топливе);

– децентрализованные (прямообогревающие устройства).

По дистрибьюции тепла отопительные системы делятся на:

– водяные (с горячей, теплой водой, низкотеплотные);

– паровые (среднего и низкого давления).

– тепловоздушные.

По способу передачи тепла отопительные системы бывают:

– конвекционными (отопительные элементы, тепловоздушные, проветривающие и климатизационные устройства);

– лучистыми.

Лучистые системы, в свою очередь, разделяются на следующие группы: