При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность (скорость) движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются. Локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от отопительного прибора к потолку). Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости среды. Очень важны также размер и форма нагревателя. 

Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона-Рихмана:

где q - тепловой поток (Вт),

A - площадь поверхности источника тепла (м²),

TW и TҐ - температуры источника и его окружения (К).

 

Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м²К). 

С конвективным теплообменом все более или менее понятно: он идеально подходит для помещений небольшой площади и со стандартной высотой потолков 3 - 3,5 метров. 

 

А что делать если высота потолков 6 или 10 метров?

Какие отопительные приборы использовать в этой ситуации?

Тут мы и понимаем, что нужно принципиально другое оборудование. 

 

Таким оборудованием являются водяные инфракрасные нагревательные потолочные панели, в основе работы которых лежит принцип лучистого отопления.

 

Это вид отопления, при котором тепло в отапливаемое помещение передаётся преимущественно излучением и в значительно меньшем количестве - конвекцией. Данный вид отопительных приборов не слишком известен по ряду причин, а точнее просто хорошо забыт (!). 

 

В СССР водяные потолочные излучающие панели были разработаны ЦНИИ промзданий, Гипронииавиапромом и ГПИ Сантехпроект еще в 60-е годы 20-го века. И благополучно канули в лету в 80-х годах, когда произошел развал Советского Союза. В то же время в Европе отопление с помощью инфракрасных излучателей начало бурно развиваться. И теперь является самым популярным видом отопления для помещений с большой высотой потолков.

 

А как же они работают? Обычно при первом знакомстве с потолочными панелями у многих возникает один и тот же вопрос: а каким образом тепло будет доходить до пола, ведь теплый воздух поднимается вверх?

 

Для того чтобы понять принцип работы инфракрасных панелей, необходимо представлять себе суть самого инфракрасного излучения как физического явления. 

 

Инфракрасное излучение - это разновидность электромагнитного излучения, занимающего в спектре электромагнитных волн диапазон от 0,77 до 340 мкм. При этом диапазон от 0,77 до 15 мкм считается коротковолновым, от 15 до 100 мкм - средневолновым, а от 100 до 340 - длинноволновым.

 

Коротковолновая часть спектра примыкает к видимому свету, а длинноволновая сливается с областью ультракоротких радиоволн. Поэтому инфракрасное излучение обладает как свойствами видимого света (распространяется прямолинейно, отражается, преломляется как и видимый свет), так и свойствами радиоволн (оно может проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для видимого излучения).

 

В зависимости от длины волны в инфракрасном спектре (и соответственно температуры излучающей поверхности), приборы лучистого обогрева подразделяются на три группы: — длинноволновые (низкотемпературные) - поверхности с температурой от 45°С до 300°С излучают длинные волны в диапазоне от 100 до 340 мкм (водяные инфракрасные панели); — средневолновые (среднетемпературные, или "тёмные" излучатели) - поверхности с температурой от 300°С до 750°С излучают средние волны в диапазоне от 15 до 100 мкм (излучающие трубы с горячим воздухом или горячим газом); — коротковолновые (высокотемпературные, или "светлые" излучатели) - поверхности с температурами от 750°С и выше излучают короткие волны в диапазоне от 0,77 до 15 мкм (газовые излучатели с открытым пламенем).

 

Вообще говоря, любое нагретое тело излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и может передавать эту энергию посредством лучистого теплообмена другим телам. Передача энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, при этом, разные тела имеют различную излучающую и поглощающую способность, которая зависит от природы двух тел, от состояния их поверхности и т.д.

 

Лучистый теплообмен отличается при этом от конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Тёплое тело испускает инфракрасное излучение. Оно попадает на окружающие предметы, пол, стены, технологическое оборудование, людей, находящихся в зоне обогрева, поглощается ими и нагревает их.

 

Поток излучения, поглощаясь поверхностями, одеждой и кожей человека, создает тепловой комфорт без повышения температуры окружающего воздуха. Поэтому температура окружающего их воздуха может быть ниже, чем в помещениях с другими видами отопления, что является преимуществом лучистого отопления. Воздух в обогреваемых помещениях, оставаясь практически прозрачным для инфракрасного излучения, нагревается за счет "вторичного тепла", т.е. конвекции от конструкций и предметов, нагретых излучением.

 

Электромагнитное излучение обладает квантово-фотонным характером. При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества, передавая им свою энергию. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е. энергия излучения переходит в теплоту.

 

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры и подчиняется закону Стефана - Больцмана:

где, как и ранее,

q - тепловой поток (Вт),

A - площадь поверхности излучающего тела (м²), а

T₁ и T₂ - температуры (К) излучающего тела и окружения, поглощающего это излучение. 

Коэффициент σ называется постоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961 ± 0,00096)·10-8 Вт/(м2К4).

 

Поэтому лучистое отопление является наиболее эффективным, а поэтому и самым экономичным видом отопления помещений с большой высотой потолка. 

 

 

 

 

Сравнительный анализ применения конвективной (традиционной) и энергосберегающей (водяные потолочные лучистые панели) систем отопления смотреть здесь >>>