Техносфера - Отопительные системы

Содержание

Предисловие

От автора

Основы отопительной техники

1.1

Историческое развитие

1.2

Дальнейшее развитие техники центрального отопления

1.3

Физиологические, гигиенические и строительно-физические основы

1.4

Температурный комфорт

1.5

Теплотехнические основы

1.6

Аккумулирование тепла

Введение в важнейшие предписания

2.1

Предписание по энергосберегающей теплозащите зданий (Предписание по Теплозащите)

2.1.1

Основные положения

2.1.2.

Годовое теплопотребление

2.2

Предписание по энергосберегающим требованиям на отопительные технические системы и устройства, использующие техническую воду (Предписание по отопительным системам)

2.3

Первое распоряжение о введении Федерального закона по защите от вредных выбросов

2.4

Важные распоряжения и технические предписания по отопительной технике

Расчет теплопотребления зданий по DIN 4701

3.1

Основной расчет для обычного случая

3.2

Расчет нормального теплопотребления для обычного случая

3.2.1

Температура

нормальная наружная температура

нормальная внутренняя температура

3.2.2

Определение коэффициента теплопередачи

Сопротивление теплоотдаче Rв и Rн

Нормальный коэффициент теплопередачи kN

Строительные конструкции, граничащие с грунтом

Расчет коэффициента теплопередачи неоднородной строительной конструкции

3.2.3

Нормальные трансмиссионные теплопотери QТ

3.2.4

Нормальные теплопотери на нагревание инфильтрующегося воздуха QВ

Общие положения

Теплопотери на нагревание инфильтрирующего воздуха при естественной вентиляции QЕВ

Минимальные теплопотери на вентиляцию QВ,мин

Теплопотери при машинной вентиляции

3.2.5

Нормальное теплопотребление здания QН

3.3

Примеры расчетов

3.3.1

Расчет теплопотребления помещения

Постановка задачи

Расчет коэффициента теплопередачи

Нормальное теплопотребление

3.3.2

Расчет теплопотребления здания

Постановка задачи

Расчет коэффициента теплопередачи

3.4

Обзор проекта европейского стандарта EN12831

3.5

Приблизительный расчет теплопотребления

3.6

Основы выбора мощности отопительных приборов согласно VDI 3815

3.6.1

Выбор мощности приборов при замене и наличии данных расчета теплопотребления согласно DIN 4701, 1953 г

3.6.2

Выбор мощности приборов при замене без расчета теплопотребления

3.6.3

Выбор мощности приборов при наличии данных расчета теплопотребления в соответствии с DIN 4701, 1983 г и Предписанием по отопительным системам

Нагревательные поверхности для помещений

4.1

Классификация

4.2

Компактные отопительные приборы

4.2.1

Способы теплоотдачи

4.2.2

Секционные отопительные батареи, радиаторы

4.2.3

Особые формы радиаторов

4.2.4

Плоские отопительные батареи

4.2.5

Конвекторы

4.3

Классификация панельного отопления

4.4

Расчет отопительных приборов

4.4.1

Тепловая мощность и выбор отопительного прибора

4.4.2

Снижение мощности отопительного прибора

Основы техники отопительных котлов

5.1

Основы конструкции котлов

5.2

Котлы, использующие газ или нефтепродукты

5.3

Газовые котлы без поддува

5.4

Газовые горелки предварительного смешивания со встроенным вентилятором

5.5

Конденсационные отопительные котлы

5.6

Котлы для твердого топлива

Основные условия установки топочных устройств

6.1

Общие условия установки

6.2

Подача воздуха для горения

6.2.1

Условия горения и потребность в воздухе для горения

6.2.2.

Возможности снабжения воздухом для горения для топочных устройств, потребляющих воздух помещения

6.3

Особые требования для газовых топок, потребляющих воздух непосредственно из помещения, по TRGI 1986/96

Основы хранения топлива

Трубы, арматура и циркуляционные насосы

8.1

Материал для труб и трубные соединения

8.2

Прокладка труб

8.3

Арматура

8.4

Выбор отопительных циркуляционных насосов

Системы водяного отопления

9.1

Основы и классификация систем центрального водяного отопления

9.2

Технические требования безопасности на системы водяного отопления согласно DIN 4751

9.2.1

Основные соображения и ограничения

9.2.2

Устройства водяного отопления с расширительным баком, расположенным сверху

9.2.3

Устройства водяного отопления с расширительным баком, расположенным снизу

Предохранительные устройства

Устройства защиты на случай превышения допустимой температуры подающей линии

Устройства регулирования и ограничения температуры для твердотопливных теплогенераторов

Устройства защиты на случай превышения допустимого эксплуатационного давления

Устройства защиты на случай недостаточного количества воды

Оборудование для компенсации температурного расширения воды

Расчет мембранного расширительного бака

Индикаторное оборудование

9.3

Расчет размеров насосных устройств для систем водяного отопления

9.4

Пример расчета для низкотемпературной отопительной системы

9.4.1

Постановка задачи

9.4.2

Выбор размеров

9.5

Насосное водяное отопление с трубной системой по Тихельману

9.6

Основные принципы выбора размеров систем водяного отопления с естественной циркуляцией

9.7

Выбор размеров однотрубных отопительных систем

9.7.1

Система распределения

9.7.2

Расчет и выбор размеров

9.8

Расчет систем напольного отопления

9.8.1

Основные положения и понятия

9.8.2

Испытание на герметичность и нагрев

9.8.3

Расчет

Расчетная плотность теплового потока

Определение расчетной температуры подающей линии и перепада температур в контуре

Определение расчетного потока теплоносителя

Определение потерь давления

9.9

Эффект саморегулирования системы напольного отопления

9.10

Пример расчета отопительной системы напольного отопления

9.10.1

Постановка задачи

9.10.2

Расчет

Жилая комната

Столовая

9.11

Основные возможности регулирования отопительных систем

9.11.1

Основные задачи регулировочной техники

9.11.2

Регулирование температуры в помещении

9.11.3

Регулирование температуры подающей линии в зависимости от погоды

9.11.4

Регулирование температуры технической воды

9.11.5

Режимы работы систем отопления

9.11.6

Основные гидравлические схемы

9.11.7

Гидравлическое выравнивание

9.11.8

Пример расчета гидравлического выравнивания

Основы парового отопления низкого давления

10.1

Отличительные признаки системы

10.2

Прокладка трубопроводов и основы выбора размеров

10.3

Предохранительное оборудование

Теплофикация

11.1

Сети снабжения

11.2

Режимы эксплуатации

11.3

Домовая станция

Список литературы

Буквенные обозначения

Предметный указатель

1.1 Историческое развитие

Первым источником тепла считается открытый очаг. В начале нашей эры в Риме была разработана очень дорогостоящая система отопления. Через пол прокладывались каналы, по которым пускали отработавшие газы одной или нескольких топок. Эту систему назвали гипокаустовым отоплением.
С упадком римской культуры эта древняя система была забыта. Прошло несколько веков, прежде чем стало возможным говорить о появлении другой системы отопления.
Первым стало развиваться индивидуальное печное отопление, которое из открытых очагов под дымоходом превратилось сначала в открытые камины, а потом и в закрытые печи.
При этом применение кафельных печей из керамических материалов значительно улучшило использование тепла.
В 1763 ФРИДРИХ ВЕЛИКИЙ вследствие первого дефицита топлива – в то время, прежде всего древесины – начал применять меры по улучшению источников отопительной энергии. Результатом стало создание прототипа берлинской печи, который был оборудован несколькими дымоходами.
Применение каменного и бурого угля в качестве топлива привело к дальнейшему улучшению тепловой мощности.
С развитием металлургической промышленности, примерно в конце 18-го века, настало время железных печей.
Наряду с развитием индивидуального печного отопления в это время стали обдумывать и возможность создания центрального отопления.
Швед МАРТИН ТРИВАЛЬД считается изобретателем первого центрального водяного отопления (1716).
В конце 18-го века с появлением паровой машины была исследована возможность применения пара в качестве теплоносителя.
В 1770 году ДЖЕЙМС ВАТТ применил пар для отопления здания своей фабрики, при этом он использовал секционные радиаторы в качестве поверхностей нагрева.
В это же время в Англии появились первые чугунные котлы.
Первые патенты на систему парового отопления были получены в 1791 и 1793 годах, при этом система отопления воздухом уже была запатентована.
Несмотря на это, индивидуальное отопление повсеместно доминировало, так как оно было существенно дешевле.
В течение 19-го века с развитием техники паровое отопление низкого давления стало распространяться как самый применяемый метод центрального отопления.
В 1831 году ПЕРКИНС получает первый патент на систему отопления горячей водой. Он также проводит эксперименты с расширительными баками для компенсации изменения объема воды из-за теплового расширения.
Централизованное водяное отопление было разработано в 1833 году англичанином ПАЛЬКОМОМ. Его система состояла из котла с очень длинным трубопроводом, радиатором также был трубопровод. Речь шла при этом о полностью закрытой системе.
Первая система центрального отопления из серийно изготовленных деталей была построена в 1860 году в США. В это же время началось производство чугунных котлов и радиаторов.
В 1870 году чугунные котлы и радиаторы появились и в Германии. В 1871 году был издан первый закон о паровых котлах, который содержал в том числе и стандарты безопасности трубопроводов.
В 1875 году Кёртинг выпустил на рынок первые немецкие чугунные котлы. В 1898 году Будерус начал серийное производство чугунных котлов по собственному патенту.
В начале 20-го века прогресс ускорился – во-первых, выросли требования к комфорту, во-вторых, появились научные основы для расчета систем водяного отопления или парового отопления низкого давления. Профессор ГЕРМАН РИТШЕЛЬ стал очень известным после выпуска своего «Руководства по расчету устройств отопления и вентиляции».
Первые предписания по расчету появились в 1926 году с выходом стандарта DIN 4701 «Правила для расчета теплопотребления зданий».
В 1901 году в Дрездене была построена первая в Европе районная паровая отопительная котельная.
В 1906 году ТИХЕЛЬМАН построил первую районную водяную отопительную котельную, которая работала на принципе естественной циркуляции.
С развитием первых насосов благодаря В. ОПЛЭНДЕРУ в 1930 году пришло время насосного отопления.
В 1950 году на рынке появился не требующий надзора циркуляционный насос. Тем самым были сильно улучшены возможности применения систем водяного отопления. Начиная с 1955 года, эти системы совершенно вытеснили в жилищном строительстве системы парового отопления низкого давления. Но доля централизованного отопления увеличивалась достаточно медленно.
В качестве батарей применялись, прежде всего, чугунные или стальные радиаторы. Первые стандарты в этой области появились в 1936-1938 годах.
С середины 50-х годов начали применять плоские отопительные батареи из стали.
Как для изготовления отопительных батарей, так и для производства котлов стало предпочтительным использование стальных конструкций. Это произошло потому, что в качестве основного источника энергии использовалась нефть. С увеличением доли применения газа также выросло значение чугунных котлов.
После первого энергетического кризиса в 1973 году начались поиски альтернативы ископаемому топливу и возможностей энергосбережения.
Одной из таких альтернатив стали новые источники энергии – например, солнечная энергия или тепло окружающей среды, с другой стороны стали применяться новые меры по минимизации тепловых потерь. Это привело к сильным изменениям в расчете теплопотребления и конструированию новых отопительных систем.
Благодаря развитию экологии как науки и осознанию вреда, который наносится окружающей среде при сжигании горючих ископаемых, развитие техники сжигания также проходило в определенном направлении. Например, уменьшалось количество выбросов отработанного газа, оксидов азота при горении, минимизировалось содержание серы в топливе. Добыча горючих ископаемых становится все меньше, и это также ведет к появлению новых разработок в области топочной техники.

Надписи на полях:
Гипокаустовые системы
Кафельные печи
Пар
Паровое отопление низкого давления
Централизованное водяное отопление
Закон о паровых котлах
Чугунные котлы
Первые предписания по расчетам
Насосы
Плоские отопительные батареи

1.2 Дальнейшее развитие техники центрального отопления

Будущее отопительной техники из-за появления множества различных тенденций спрогнозировать очень трудно. Со ссылкой на [1.1] все же можно говорить о четырех основных влияющих факторах, которые представлены на рис 1.1.
Важным моментом в рыночных и общих условиях является ожидаемое развитие жилищного фонда.
Увеличение количества нового снабжающего оборудования сопровождается все более строгими законодательными условиями. Несмотря на увеличение количества новостроек, реконструкция старого жилищного фонда будет оказывать большое влияние на изменение отопительной техники.
Введение общих условий, например, требований по повышенной теплозащите зданий, установка терморегуляторов, регулирование приборов и теплоизоляция трубопроводов ведет к тому, что доля потребления топлива, а вместе с этим и количество вредных выбросов в атмосферу будут увеличиваться не в той же мере, как количество новых отопительных приборов. Потребляемая мощность будет постепенно уменьшаться.
Эта тенденция к меньшим, хорошо регулируемым мощностям ведет также к изменениям в применении теплоносителей и к новой структуре отопления, к более централизованной системе отопления и использованию газа в качестве топлива, как это показано на рис 1.2.
Необходимые инвестиционные меры по снижению стоимости тепла в новых и старых постройках показаны на рис 1.3.
Знания о стоимости тепла и расчетах необходимых затрат находят значительное применение на практике. Например, повышение теплоизоляции ведет к уменьшению теплопотребления. Hо также должна быть выбрана оптимальная толщина изоляционного слоя, которая согласно [1.1] и с точки зрения минимизации общих затрат находится в пределах от 0,06 до 0,08 м.
При этом следует отметить, что изоляция оказывает влияние только на потери тепла при передаче, а потребность в нагревании воздуха остается неизменной. Из этого следует, что только совместное применение нескольких мер окажется эффективным. Дальнейшее увеличение изоляции принесет лишь незначительную экономию.

Рис 1.1 Возможное развитие отопительной техники до 2010 года [1.1]

Рис. 1.2 Сравнение систем отопления

(вверх) доля, %→
(слева - направо)
центральное отопление/газ
центральное отопление/нефть
теплоцентраль
центральное отопление/твердое топливо/электричество
индивидуальное отопление/твердое топливо
индивидуальное отопление/электричество
индивидуальное отопление/нефть/газ

Рис 1.3 Стоимость сэкономленной тепловой энергии при применении различных мероприятий [1.1]
Мероприятие Стоимость энергии (руб/кВтч), включая возможные затраты на эксплуатацию и уход
1 Конденсационная техника 0,28

2 Изолирование подвала + 6 см полистирол 0,46
3 Изолирование подвала + 6 см полистирол +5 см текталан 1,54
4 Изолирование крыши + 8 см минеральной ваты 1,85
5 Пемзование наружной стены 1,96
6 Газомоторные тепловые насосы 1,96
7 Солнечная энергия из больших устройств 1,68-2,80
8 Силикатный кирпич или бетон + термопокрытие 10 см 1,96-2,94
9 Крыша + 10 см минеральной ваты 2,80
10 Силикатный кирпич или бетон + термопокрытие 16 см 3,08-3,64
11 Пористый кирпич для наружных стен 36,5 см 5,46
12 Тройные стеклопакеты 8,82
13 Рекуперация тепла из отработанного воздуха 11,62

На все эти соображения влияют также и финансовые условия владельцев строения, так как спрос на доступные по цене, но надежные отопительные системы постоянно растет.
Решающим фактором является постоянное влияние потребностей покупателя, то есть технический комфорт, простое обслуживание, быстрое введение в эксплуатацию, низкое водопотребление, модулируемость системы и полный сервис.
Из-за законодательных барьеров или в зависимости от дальнейшего наличия топлива появляются другие ограничения технологических предложений по отопительной технике. С точки зрения сокращения использования топлива и тем самым уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу отопительная техника должна быть все сильнее ориентирована на будущую энергосистему.
Наряду с энергосистемой, использующей горючие ископаемые, применение возобновляемой энергии приобретет все возрастающее значение, так как это повысит экологичность и предоставит возможность использования более дешевых источников альтернативной энергии.
При выборе системы энергоснабжения значительную роль играют стоимость энергии и использование первичной энергии, как это показано на рис.1.4.

Рис. 4 Анализ различных отопительных систем с точки зрения использования первичной энергии [1.1]
Электроотопление Использование первичной энергии 294 % Электростанция
КПД = 0,34 Топливные потери 194 %, 100 % Электроотопление
КПД = 1 100 % Отопительная энергия 100 %
Отопление на нефти Использование первичной энергии 125 % Нефтеперерабатывающий завод, КПД = 0,89 Топливные потери 14 %, 111 % Отопительный котел на нефти,
КПД = 0,9 100 % Отопительная энергия 100 %
Отопление на газе Использование первичной энергии 119 % Газоснабжение, КПД = 0,93 Топливные потери 8 %, 111 % Отопительный котел на газе, КПД = 0,9 100 % Отопительная энергия 100 %
Электрический теплонасос Использование первичной энергии 101 % Электростанция
КПД = 0,34 Топливные потери 67 %, 34 % Электрический теплонасос, мощность = 3 100 % Отопительная энергия 100 %
Газовый теплонасос Использование первичной энергии 71 % Газоснабжение, КПД = 0,93 Топливные потери 5 %, 66 % Газовый теплонасос, мощность = 3,3 механич. КПД = 0,3 35 %
65 % Отопительная энергия 100 %

На основании вышеперечисленных тенденций можно сделать два прогноза:
- доминирование сокращения затрат,
- доминирование сокращения выброса СО2.

Надписи на полях:
Увеличение затрат
Прогнозы

1.3 Физиологические, гигиенические и строительно-физические основы

Здоровье и производительность человека зависят в основном от качества климата в помещении, так как большую часть времени он проводит в жилых или рабочих помещениях или зданиях.
При этом здоровье рассматривается как совокупность физического, психологического и социального самочувствия.
Физическое состояние, как первичный и доминирующий фактор, определяется, прежде всего, температурой воздуха, относительной влажностью и скоростью движения воздуха, а также зависит от строения здания и строительно-физических свойств ограждающих строительных конструкций (стен), таких как например температура поверхности.
«Дыхание» ограждающих строительных конструкций с целью обмена между воздухом внутри и снаружи помещения происходить не может, то есть использовать это явление для улучшения качества воздуха в помещении нельзя.
Но при этом происходит диффузионный процесс (выравнивание различий по концентрации), то есть проникновение влаги через стену. Воздействие влажности в жилом помещении, образование конденсата, защита от дождевых или грунтовых вод также как и прежде остаются задачами строителей. Защита от влаги и защита от теплопотерь тесно связаны между собой.
Посредством защиты от влаги сокращают теплозащиту, плохая теплозащита ведет к повреждениям от влаги.

В воздухе всегда содержатся водяные пары. При этом воздух определенной температуры может содержать только определенное количество водяного пара, то есть относительная влажность воздуха в помещении и его температура находятся в непосредственной зависимости. Если достигнута точка насыщения или точка росы, то при дальнейшем повышении влажности, например, при снижении температуры, часть пара сконденсируется. На открытом воздухе это явление можно наблюдать как туман. В закрытых помещениях пар осаждается на ограждающие поверхности.
Гигроскопичные материалы (впитывающие воду материалы) – к ним относятся все материалы для стен – не являются при обычном воздухе в помещении абсолютно сухими, а впитывают влагу из воздуха в зависимости от влажности. При изменении влажности воздуха изменяется и содержание влаги в ограждающих поверхностях.
Со строительно-физической точки зрения это означает, что между содержанием влаги в воздухе помещения и ограждающих поверхностях существует равновесие, то есть поверхности впитывают влагу и выделяют ее обратно в воздух помещения.
Если температура элемента конструкции при снижении достигнет температуры точки росы, то на этой поверхности образуется конденсат (роса). Если температура поверхности диффузионноустойчивого слоя остается ниже температуры точки росы, то конденсат продолжает осаждаться и дальше.
При повышении температуры воздуха в помещении находящаяся в стенах влага вновь выделяется в воздух.
Если увлажнение строительной конструкции из-за низкой температуры воздуха и/или высокой влажности продолжается длительное время, то это ведет к ухудшению свойств теплоизоляции и повреждениям конструкции. Чтобы уменьшить вред из-за повышенной влажности, рекомендуется согласно [1.2] поддерживать в помещениях соответствующую температуру (таб. 1.1).

Таблица 1.1 Рекомендуемая величина температуры и влажности в жилых помещениях [1.2]
Помещение Температура воздуха, оС Температура поверхности стен, оС Относительная влажность воздуха, %
Жилая, столовая и детская комната 20 17 45-55
Спальня 14 11 60-75
Ванная комната 22 17 70-90
Кухня 20 15 50-80

Рис 1.5 h-x-диаграмма [1.2]

Ось у – сухая температура t1
Ось – х сверху – содержание водяного пара х (абсолютная влажность), г/кг
Ось – х снизу – давление пара, pП, мбар
Ось по диагонали – удельная энтальпия h, кДж/кг
Надписи на рисунке, сверху вниз:
Relative Feuchtigkeit – относительная влажность
Feuchttemperatur – влажная температура t1
Wasser – вода
h-x-диаграмма для влажного воздуха при низкой температуре
Жилая комната/спальня
Кухня
Ванная комната

Зависимость между температурой воздуха в помещении, относительной влажностью и температурой точки росы наиболее наглядно представлена на h-x-диаграмме. На рис. 1.5 показаны величины из таблицы 1.2.
Например, если в ванной комнате снизить температуру воздуха с 22оС до 18 оС, или если температура поверхности стен будет составлять 18оС, то будет конденсироваться водяной пар.
С целью избежания вреда из-за конденсирующейся влаги при соответствующей величине относительной влажности и соответствующих отоплении и вентиляции, согласно DIN 4108 часть 2 (Теплозащита в зданиях) установлен минимальный коэффициент теплопередачи k, который должен обеспечивать определенную температуру стен.
В небольших помещениях с преимущественно высокой влажностью и диффузионноустойчивыми поверхностями стен, например, в ванной комнате или кухне, должна быть дополнительно предусмотрена хорошая вентиляция.
Эта вентиляция, что также справедливо и для других помещений, делает возможным в достаточной степени выравнивание влажности воздуха внутри помещения и снаружи.

Надписи на полях
Климат в помещении
Защита от влаги
Точка насыщения
h-x-диаграмма
Коэффициент теплопередачи

1.4 Температурный комфорт

Выражением хорошего физического самочувствия является температурный комфорт. Основной задачей при этом является установить, при каких условиях, на которые может влиять отопительная техника, человек, находящийся в помещении, чувствует себя хорошо.
Согласно DIN 1946 часть 2 «Вентиляция и кондиционирование воздуха: технические требования по обеспечению санитарных норм», температурный комфорт считается достигнутым, когда человек удовлетворен температурой, влажностью и скоростью движения воздуха в окружающем его пространстве и не хочет более холодного или теплого, влажного или сырого воздуха в помещении.
Человек имеет постоянную температуру тела около 37 оС. Чтобы человек чувствовал себя комфортно, должно выполнятся основное условие температурного комфорта:

Теплоотдача = выработка тепла

В зависимости от своей деятельности человек выделяет тепло, которое обычно равномерно отдается в окружающее пространство. Величины общей теплоотдачи одного человека согласно DIN 1946 часть 2 приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Величина общей теплоотдачи одного человека согласно DIN 1946/2
Деятельность Степень активности Общая теплоотдача человека, Вт
Сидячая работа, обычная офисная работа I 100
Легкая нагрузка стоя, работа в лаборатории II 150
Умеренно тяжелая физическая деятельность III 200
Тяжелая физическая деятельность IV более 250

Если от человека отводится слишком много тепла, например, из-за холодных окружающих стен, то это воспринимается как дискомфорт.
Наряду с одеждой и видом деятельности большую роль также играют названные выше физические факторы климата в помещении (рис. 1.6):

- относительная влажность воздуха,
- температура поверхности ограждающих конструкций (стен и т.п.),
- скорость движения воздуха.

Рис 1.6. Зоны комфорта [1.3]

Рисунок вверху справа: Зона относительной влажности φв от 30 до 70%, скорость движения воздуха v от 0 до 20 см/с, температуры ограждающих поверхностей практически равны (по Г. Рейхеру и В. Франку)
Ось х – температура воздуха в помещении, tв, оС
Ось у – средняя температура поверхности ограничивающих пространство плоскостей, tвпс, оС
Надписи на рисунке, сверху вниз:
некомфортно тепло
еще комфортно
комфортно
tэ =0,5∙(tв + tвп)
эффективная температура
некомфортно холодно

Рисунок вверху слева Зона средней температуры поверхности ограничивающих пространство плоскостей tвпс от 19,5 до 23 оС, скорость движения воздуха v от 0 до 20 см/с, (по Ф.П. Лойздену и Н. Фраймарку)

Ось х – температура воздуха в помещении, tв, оС
Ось у – относительная влажность воздуха φв, %
Надписи на рисунке, сверху вниз:
некомфортно влажно
комфортно
еще комфортно
некомфортно сухо

Рисунок внизу Зона средней температуры поверхности ограничивающих пространство плоскостей tвпс от 19,5 до 23 оС, относительная влажность φв от 30 до 70 %, (по Риршелю-Райсу)

Ось х – температура воздуха в помещении, tв, оС
Ось у – Скорость движения воздуха вблизи тела v, см/с
Надписи на рисунке, сверху вниз:
некомфортно
комфортно
некомфортно

Восприимчивость к теплу у людей неодинакова, а отличается от человека к человеку. Поэтому воспринимаемая температура обозначается как эффективная температура tэ и определяется как средняя величина между температурой ограждающих поверхностей и температурой окружающего воздуха.

(уравнение 1.1)

Чем ниже температура ограждающих поверхностей, тем выше должна быть температура воздуха в помещении – это условие должно соблюдаться для достижения одинакового теплового комфорта.
Обычно зимой значение tэ для зоны комфортности задается в интервале от 19 до 23 оС. В этих границах должна также находиться и температура воздуха в помещении, которая измеряется посредством термометра, защищенного от влияния излучения. Эффективную температуру измерить нельзя.
Для плоскостей с низкой температурой поверхности, например окна, наружные стены, внутренние стены, граничащие с неотапливаемыми помещениями, должны быть предусмотрены дополнительные меры, которые повышают температуру воздуха в помещении.
Эффективная температура используется как нормальная внутренняя температура tв для расчета теплопотребления согласно DIN 4701.
Выравнивание низкой температуры поверхности с помощью повышения температуры воздуха в помещении возможно только в ограниченном объеме.
Температура поверхности определяется с помощью коэффициента теплопередачи k и может быть вычислена по основным величинам в соответствии с рис. 1.7.

Рис. 1.7 Температура поверхности наружной стены в зависимости от коэффициента теплопередачи наружной стены k и температуры наружного воздуха [1.4].

Ось х – коэффициент теплопередачи k,

Ось у – температура поверхности tп

Пример по рисунку 1.7
Человек сидит в помещении при температуре внутреннего воздуха 20 оС перед наружной стеной с коэффициентом k = 0,55 Вт/м2∙К при температуре наружного воздуха, равной -12 оС. Согласно рис. 1.7 температура поверхности стены с внутренней стороны составит 17,8 оС. Согласно уравнению 1.1 эффективная температура составит 18,9 оС. Так как согласно DIN 4701 эта температура должна составлять 20 оС, то, как это следует после преобразования уравнения 1.1, необходимо повысить температуру воздуха в помещении до 22,1 оС.
Имеющаяся разница между температурой стен и воздуха в помещении обозначается как поглощение тепла или поглощение излучения.
В общем, как термически некомфортное воспринимается одностороннее поглощение излучения при разнице температур между стеной и воздухом более 4,5 К.
Превышение данной температурной разницы встречается, прежде всего, у поверхности окна. Из рисунка 1.7 следует, что, например, при температуре наружного воздуха -12 оС температура поверхности на внутренней стороне окна составляет примерно 9 оС. Это нельзя компенсировать с помощью увеличения температуры воздуха в помещении. Подобный эффект наступает также и в помещениях с холодными стенами вследствие ограниченного отопления или у стен, граничащих с помещениями с более низкой температурой воздуха.
Вследствие этого в закрытом жилом помещении необходимо по возможности избегать большой разницы температур в помещениях, (например неотапливаемых спален), так как они будут восприниматься соседними помещениями как «холодные стены» и наряду с теплопотерями будет возникать эффект поглощения излучения.
В дальнейшем будет дано определение критериев комфорта или дефицита комфорта согласно VDI 6030, «Тепловой комфорт и выбор отопительного прибора». При этом речь пойдет о нижней температуре «холодных ограждающих поверхностей», которая определяется в соответствии с уравнением 1.2:

(уравнение. 1.2)

Коэффициент термического сопротивления 1/αв определяется согласно DIN 4108 часть 4.
Возникающий дефицит излучения должен быть компенсирован поступающим излучением от свободных нагревательных поверхностей. Согласно VDI 6030 отопительная батарея должна быть нагрета до необходимой верхней температуры ΔTб, которая определяется исходя из длины и высоты нагревательной поверхности. VDI 6030 подразделяет следующие зоны комфорта:
Зона 1. Полное устранение дефицита комфорта.
Обеспечивается с помощью оптимального расположения, выбора размеров и верхней температуры нагревательных поверхностей, например, компенсация случайных воздушных потоков, выравнивание нижней температуры «холодных» ограждающих поверхностей, предусмотрение резерва по отоплению.
Зона 2 . Частичное устранение дефицита комфорта.
Достигается тогда, когда предусмотрено только выравнивание температуры по излучению, то есть используются нагревательные поверхности с недостаточной длиной.
Зона 3. Покрытие нормальной отопительной нагрузки без устранения дефицита комфорта.
Считается выполненным, когда отопительные поверхности покрывают отопительную нагрузку, но их расположение и размер выбираются независимо от дефицита комфортности.

Так как окно является самым холодным местом в помещении, и к тому же сквозь оконные стыки в помещение могут постоянно проникать потоки воздуха с улицы, то именно окно определяет расположение и размер нагревательных поверхностей (батарей). Наилучшее распределение температуры и наибольшее выравнивание дефицита излучения достигается в том случае, когда нагревательная поверхность (батарея) располагается под окном.
Если батарея, которая около 60 % тепла отдает конвекцией, свободно устанавливается перед наружной стеной под окном, то подъемная сила воздуха является настолько большой, что холодный воздух, который проникает через окно и/или охлаждается о поверхность окна, не может проникнуть в помещение. Возникает воздушный поток (циркуляция воздуха в помещении). Рисунок 1.8 показывает воздушный поток в помещении, которое отапливается с помощью радиатора [1.4].

Рис. 1.8 Воздушный поток в помещении, которое отапливается с помощью радиатора [1.4]
tн
tв = 20 оС

Система напольного отопления (рис. 1.9) действует по-другому. Холодный воздух опускается вниз и нагревается над полом. Чтобы нагреть его как можно быстрей рекомендуется использовать краевую зону с более высокой плотностью теплового потока. При использовании системы напольного отопления возникает более высокое количество излучения, которое воспринимается как более комфортное.

Рис. 1.9 Воздушный поток в помещении с системой напольного отопления [1.4]
tн
tв = 20 оС

Рис. 1.10 Сравнение графиков температуры воздуха, измеренных в середине помещения [1.4]
Ось у – высота помещения, м
1 кроткая отопительная батарея qср = 80 оС, расположенная под окном
2 отопительная батарея с низкой температурой, длина батареи равна ширине окна
3 система напольного отопления на промежуточном этаже
4 отопительная батарея, установленная на внутренней стене

Как видно из рисунка 1.10, существуют различные графики распределения температуры воздуха в зависимости от вида отопительной поверхности. Это необходимо учитывать при планировании расположения и выборе размеров нагревательных поверхностей.
При расположении батарей под окном основой для выбора длины батареи является ширина окна. Это ведет к уравновешиванию воздушных потоков и повышению количества излучения от батареи. При этом более высокая доля излучения (например, применение равной по тепловой мощности однорядной батареи вместо многорядной) более интенсивно влияет на комфорт, так как поглощение излучения наружной стеной лучше компенсируется при увеличении площади излучения. Например, общая доля излучения плоской трехрядной батареи составляет около 18%. При этом общая доля излучения однорядной батарей без конвекционного элемента составляет примерно 57% при равной тепловой мощности.
Таким способом лучше всего учитываются критерии комфорта третьей зоны согласно VDI 6030.
Благодаря снижению температуры отопительной системы и связанным с этим увеличением размеров отопительных поверхностей, которое необходимо для реализации требуемой тепловой мощности, доля излучения будет все равно повышена.
Это согласование между системной температурой, длиной конструкции и максимальной долей излучения отопительной батареи обозначается как «новое тепло».

Надписи на полях
Температурный комфорт
Факторы климата в помещении
Эффективная температура
Нормальная внутренняя температура
Пример
Поглощение тепла
Одностороннее поглощение излучения
VDI 6030
Зоны комфорта
Циркуляция воздуха в помещении
Новое тепло