Количество тепла поступающее от солнца

Зимнее отопление летним Солнцем

Начнём с немногих интересных цифр. Учёным удалось измерить, сколько калорий посылает Солнце, заливающее своим светом какую-нибудь определённую площадку. Если взять Москву, то каждый квадратный метр её площади получает от Солнца в три зимних месяца (ноябрь, декабрь, январь) 30 тыс. калорий, зато в весенние и летние месяцы — 500 тыс. калорий. Сколько квадратных метров занимает наша столица, столько раз по полмиллиона калорий даёт ей Солнце в течение тёплого периода года. Куда же девается всё это огромное количество теплоты? Большая часть его вновь теряется и рассеивается в те же самые сутки, когда теплота накопилась. Только очень незначительная часть прогревает почву на небольшую глубину, да и то не надолго: едва наступят первые осенние холода, накопленная в почве теплота снова рассеивается.

Короче сказать, щедрые дары дневного светила не сохраняются нами, а проносятся мимо нас. Нельзя ли этот огромный тепловой капитал, сам плывущий в наши руки, каким-нибудь способом удержать и сохранить впрок?

Над этой идеей размышлял в последние годы своей жизни выдающийся московский физик проф. В. А. Михельсон, скончавшийся в феврале 1927 г. Мысли его вылились в строгий и стройный план использования летнего солнечного тепла для зимнего отопления московских зданий и постепенного улучшения климата нашей столицы. Проект этот, тщательно разработанный покойным учёным, был напечатан в своё время в специальном «Журнале прикладной физики».

Михельсон исходил в своих расчётах из следующих данных. Московский дом, занимающий площадь в тысячу квадратных метров, получает от Солнца в течение семи месяцев (весной и летом) 500 000*1000 = 500 000 000 калорий. Для отоплен я же этого дома в продолжение пяти осенне-зимних месяцев нужно израсходовать 360 000 000 калорий.

«Следовательно,- заключает учёный,- Солнце вообще на каждое здание посылает количество тепла, с избытком покрывающее всю его потребность в зимнем отоплении. Задача заключается в том, как поглотить и сохранить эту солнечную теплоту с весны и лета до зимы, как предохранить её от бесполезного рассеяния».

Место, где по проекту Михельсона предлагается накоплять и сохранять солнечную теплоту, находится — где бы вы думали?- под землёй, на глубине 20 и более метров.

На первый взгляд кажется нелепым прятать дары солнечных лучей глубоко в подземелье. Однако дело представится не столь несообразным, если вспомним, как хорошо почва хранит теплоту. Почва — превосходный теплоизолятор; она очень медленно пропускает сквозь себя теплоту.

«Если нам удастся,- пишет Михельсон,- в течение лета прогреть солнечной теплотой мощный слой земли под городом на глубине между 20 и 30 м, то теплота эта к зиме распространится во все стороны в бока, вверх и вниз не более как на 10 м и не успеет даже дойти до земной поверхности».

Как же предполагал автор проекта накоплять впрок под землёй теплоту, посылаемую Солнцем?

Чтобы понять основную идею этого остроумного проекта, напомним два элементарных физических факта. Всем известно явление холода при испарении: испаряющаяся жидкость охлаждает окружающие предметы (вспомним холод в мокром платье), т. е. отнимает от них теплоту. Менее известно обратное явление: пары, сгущающиеся снова в жидкость, возвращают теплоту, нагревают окружающие предметы. Вода в форме пара в состоянии, сгущаясь, нагреть до 100° вшестеро большее по весу количество жидкой воды. Отметив ещё и другой факт,- что газ при сжатии нагревается,- обратимся снова к проекту Михельсона.

Весною и летом крыши наших домов залиты солнечными лучами и, конечно, нагреваются ими. Теплота эта утрачивается ночью при остывании крыши,- она излучается в окружающее пространство. Идея Михельсона состоит, как уже сказано, в том, чтобы не давать этой теплоте рассеиваться бесплодно, а сохранять её впрок и пользоваться ею зимой для отопления жилищ. Система труб на крышах домов должна непрерывно отводить нагреваемую в них Солнцем воду под землю на глубину 20-30 м ниже фундамента.

На такую глубину внешние температурные колебания не проникают — это слой постоянной температуры, равной в Москве +6° Ц. Циркулируя по проложенным в почве трупам, вода, нагревшаяся на крыше, будет отдавать почве избыток тепла, а остыв, вновь будет перекачана на крышу, чтобы, нагревшись, опять поступить под почву, и т. д. Короче, теплота, полученная летом от Солнца, будет запасаться в почвенных слоях под домом (рис. 89).

Рис. 89. Проект зимнего отопления домов теплотой летнего Солнца

Расскажем теперь, как можно будет воспользоваться накопленной теплотой подземной печки для зимнего отопления жилищ. Михельсон предлагает для этого такую установку. Сеть труб на крыше в зимнее время выключается. Тёплая подземная вода поступает в особый сосуд (испаритель) со змеевиком, в котором вследствие искусственного понижения давления испаряется какая-нибудь жидкость, например спирт. Пары спирта поглощают при своём образовании часть теплоты воды, окружающей змеевик. Затем действием особого насоса они перекачиваются в змеевик другого сосуда (сгустителя), где вследствие повышенного давления вновь сгущаются в жидкость, отдавая теплоту воде, которая окружает змеевик. Эта поступающая из почвы вода может быть благодаря указанному процессу нагрета до 55° (по расчётам Михельсона). Такая вода уже достаточно тепла для водяного отопления.

Конечно, необходим некоторый расход топлива (или электрической энергии), чтобы поддерживать циркуляцию — впрочем, очень медленную — воды по трубам от крыши в почву, а также для работы насоса при испарителе и сгустителе. Но расход этот весьма невелик. Расчёт показывает, что в установке Михельсона топливо используется в три раза выгоднее, чем в самой совершенной из существующих систем отопления. Другими словами, проект обещает экономию топлива в 60%. Если вспомним, что отопление жилищ составляет главную статью расхода топлива, поглощающую больше, чем вся промышленность, то значение подобной экономии станет в наших глазах ещё важнее.

Для осуществления всего этого потребуются капитальные подземные работы.

«Под городом,- пишет Михельсон,- придётся произвести значительные горные работы: заложить несколько шахт глубиною в 30 м, а затем на глубинах 20 и 30 м проложить двойную сеть горизонтальных штолен с трубами для циркуляции воды. Густота сети труб должна быть такова, чтобы в течение шести месяцев, с апреля по сентябрь, можно было сплошь прогреть солнечной теплотой слой материка в 20 или 30 м мощности. Какую толщу и до какой степени удастся прогреть, это будет зависеть главным образом от того, какую площадь солнечных поглотителей можно будет устроить на крышах города.

«Одни и те же трубы, наполненные водою, будут служить как для летнего прогревания почвы, так и для отопления города зимой. Летом подземная сеть труб через посредство насосов соединяется с сетью поглощательной, расположенной на крышах. Зимой подземная сеть соединяется с испарителями всех отопительных машин, которые повышают температуру до 55° и питают котлы водяного отопления. В тёмные месяцы (ноябрь-февраль) поглотители солнечной энергии выключаются. В ясные дни марта, когда отопление всё же нужно, можно совершенно исключить подземную сеть и питать испарители отопительных машин непосредственно подогретой водой, спускающейся с крыш».

Этим не исчерпывается всё то, что обещает дать проект Михельсона в случае осуществления. Можно рассчитать сеть труб на крышах так, чтобы приход тепла от Солнца за год был больше расхода его на отопление. Тогда к концу года будет всякий раз оставаться неизрасходованный запас теплоты. Этот запас с каждым годом будет расти, потому что к прежним остаткам будет прибавляться новый. Что же в результате всего этого получится?

«Средняя годовая температура почвы будет постепенно повышаться. Зимнее промерзание почвы очень скоро исчезнет. Через много лет это постепенное накопление тепла в почве может весьма заметно отразиться на климате города, и притом тем больше, чем больше площадь города. Снежный покров будет исчезать раньше и устанавливаться позднее, чем в окружающей области. Общее повышение температуры почвы, а, следовательно, и воздуха, уменьшит потребность в отоплении. Поэтому накопление тепла в почве и изменение городского климата будет идти ускоренным темпом. Тогда весь город будет как бы тёплым оазисом, перенесённым из более южных широт в северные».

Вы видите, что весь климат нашей столицы может в сравнительно короткий срок измениться до неузнаваемости — из засыпаемого снегом уголка Севера превратиться в ласкаемый тёплым воздухом благодатный край субтропического пояса.

Источник

Подробный расчет теплопоступлений и теплопотерь

Подробный расчет теплопоступлений и теплопотерь реализует компания «ИНТЕХ» (Москва). Чтобы получить КП на подробный расчет, позвоните по телефону: . Отправить письменную заявку Вы можете на email или через форму заказа .

Теплопоступления за счет разности температур (теплопередачи)

В летний период теплопоступление через внешние конструкции (стены, потолок) как правило, положительно. Расчет усложняется тем, что температура воздуха сильно меняется в течение суток, а солнечное излучение дополнительно нагревает внешнюю поверхность здания. Зимой тепло теряется через внешние конструкции. Колебания температуры в зимний период меньше, а нагрев поверхностей солнечным излучением незначителен.

Теплопоступление (или потеря тепла) за счет разности температур зависит не только от внешних условий, но и от температуры внутри помещения.

Расчет тепловых поступлений за счет теплопередачи выполняется согласно строительным нормативам СниП 11-3-79.

Количество тепла Qогр, переданное путем теплопередачи через ограждение (стену) площадью S, имеющее коэффициент теплопередачи k, вычисляется по формуле:

Здесь T — расчетная наружная температура, t — расчетная внутренняя температура, а Y — поправочный коэффициент, значение которого выбирается согласно СНиП 2.04.05-91.

Расчетные наружные температуры зависят от региона и приведены в ТАБЛИЦЕ, а внутренние температуры выбираются с учетом комфортности или технологических требований, в зависимости от назначения помещения.

Эта формула упрощена и не учитывает ряда факторов. Чтобы учесть направление относительно сторон света, солнечную радиацию, нагревающую стены и т.д., нужно вводить в данную формулу поправки. Они являются составными частями коэффициента Y.

Поглощение солнечного излучения ограждением зависит от следующих факторов:

Цвета стен: коэффициент поглощения тепла достигает 0.9 для темного цвета наружных стен и лишь 0.5 — для светлых стен.

Тепловых характеристик стен: чем массивнее стена, тем больше задержка поступления тепла в помещение. Тепловая нагрузка при нагреве массивной стены распределяется на более длительное время. Если же стены тонкие и легкие, то тепловые нагрузки повышаются и быстро изменяются при изменении внешних условий. При этом требуются более дорогие и мощные установки кондиционирования.

Теплопоступления от солнечного излучения через остекленные проемы

Тепло солнечного излучения может значительно увеличивать теплопоступление в здание (например, в магазине с витринами). В помещение передается до 90% солнечного тепла, и лишь небольшая часть отражается стеклами. Наиболее интенсивно тепло излучения поступает летом, в ясную погоду.

Теплопоступление излучения учитывается в тепловом балансе здания только для летнего и переходного времени, когда наружная температура превышает +10 градусов.

Поступление тепла солнечного излучения зависит от следующих факторов:

Рода и структуры материалов ограждения;
Состояния поверхности (например, через грязное стекло пройдет меньше излучения);
Угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность;
Ориентации помещения по сторонам света (теплопоступления от радиации через окна, выходящие на север, вообще не учитываются).

За расчетную величину теплопоступлений от излучения принимается большая из двух величин:

тепло, поступающее через остекленную поверхность той из стен, которая наиболее выгодно расположена относительно поступления тепла или имеющей максимальную световую поверхность
70% от тепла, поступающего через остекленные поверхности двух перпендикулярных стен помещения.

Если нужно уменьшить теплопоступления от солнечной радиации, рекомендуется принимать следующие меры:

ориентировать помещения окнами на север
делать минимальное количество световых проемов
применять защиту от солнечных лучей: двойное остекление, побелку стекол, устройство штор, жалюзи и т.д.

При использовании комплексной защиты от солнца теплопоступления от излучения можно сократить практически вдвое, и мощность требуемой холодильной установки уменьшится на 10-15%.

Теплопоступления от инфильтрации воздуха

Под действием ветра разницы температур воздух может проникать в помещение через неплотности стен, окон, дверей и т.п. Это явление называют инфильтрацией.

Особенно сильна инфильтрация через окна и двери, расположенные с подветренной стороны. Масса воздуха, который инфильтруется через щель, вычисляется по формуле:

Здесь a — коэффициент, который зависит от типа щелей, m — удельная масса воздуха, проникающего через 1 погонный метр щели, зависит от скорости ветра, l — длина щели.

Воздух, поступивший за счет инфильтрации в холодное время года, требует подогрева. Расход тепла составит

Здесь с- теплоемкость воздуха, t — внутренняя расчетная температура, T — температура внешнего воздуха.

Если требуется лишь приблизительный подсчет расхода тепла на подогрев инфильтрованного воздуха, можно просто ввести поправку на теплопотери через инфильтрацию в размере 10-20% общей потери тепла.
В летний период наружный воздух может иметь температуру выше, чем в помещении, и тепловая нагрузка от инфильтрации будет положительна, то есть потребуется увеличить мощность охлаждения. Однако летом влияние инфильтрации воздуха меньше, потому что обычно меньше скорость ветра и разность внешней и внутренней температур.
Кроме того, вместе с воздухом в помещение поступает и дополнительная влага. Поэтому желательно герметизировать все ограждения. Если притворы окон и дверные проемы уплотнены, то инфильтрацию воздуха можно вообще не учитывать при составлении теплового баланса помещения.

Теплопоступления от людей

Количество тепла, выделяемое людьми в помещении, всегда положительно. Оно зависит от числа людей, находящихся в помещении, выполняемой ими работы и параметров воздуха (температуры и влажности).

Кроме ощутимого (явного) тепла, которое организм человека передает окружающей среде путем конвекции и лучистой энергии, выделяется еще и скрытое тепло. Оно тратится на испарение влаги поверхностью кожи человека и легкими.

От рода занятий человека и параметров воздуха зависит соотношение явной и скрытой выделяемой теплоты. Чем интенсивнее физическая нагрузка и выше температура воздуха, тем больше доля скрытого тепла, при температуре воздуха выше 37 градусов все тепло, выработанное организмом, выделяется путем испарения.

При любом виде деятельности — от сна до тяжелой работы — тепловыделение больше при низкой температуре окружающей среды.
Чем выше температура воздуха, тем больше скрытое тепловыделение и меньше явное тепловыделение.

При расчете тепловыделения от людей нужно принять во внимание, что в помещении не всегда будет находиться максимальное число людей. Среднее число людей, которые обычно будут находиться в помещении, определяют на основании опыта (например, число посетителей в магазине), или с помощью установленных коэффициентов (например, в учреждениях — 0.95 от общего числа сотрудников).

Таблица тепловыделения от людей в зависимости от температуры среды и физической нагрузки

Источник