Лучевое тепло

 

   В этой статье мы хотим рассказать вам о том, по каким законам живут дома, а именно какие естественные физические законы обусловливают надёжность дома и комфорт проживающих в нём людей. И львиную долю в комфорт проживания вносят стены, при условии, что это стены правильные, то есть кирпичные. И в таком случае оградительная и несущая функция не исчерпывают назначение стен домов. Стены дома могут и должны быть элементами обогрева и охлаждения здания. Вот об этих-то функциях стен деятели современной строительной индустрии совсем забыли. А ведь ещё сто с небольшим лет назад об этом помнили архитекторы купеческих домов, многие из которых сохранились и по сей день.

 

   Всё новое – это хорошо забытое старое, вот уж точно! Изучая вопрос домостроения, я немало времени уделил изучению купеческих домов. Могу сказать с полной ответственностью, что эти дома, по своей конструкции и для своего времени были оптимальны для нашего климата. Смотрите, цокольный и первый этаж – каменные. Стены толстые, около метра. Отопительный прибор – печь – располагается в цокольном этаже. Над печью свод, который собирает горячий воздух и по каналам в стенах доставляет его к двум стенам. Две другие стены подогреваются продуктами горения, т.е. печным дымом. Заметьте, дым не просто выбрасывается на улицу, как в современном камине))), а ещё делает доброе дело – отдаёт стене излишки тепла. В толстых каменных стенах устроены воздушные пазухи, куда попадает горячий воздух и, вытесняя остывающий и более холодный, заменяет его. А сверху, над первым этажом, уже можно и сруб поставить. А на доски перекрытия под потолком второго, слой песка насыпать, сантиметра 3-4, а сверху уже утеплить золой с опилками. Что даёт песочек? Тепло всего дома поднимается вверх и, проходя сквозь доски перекрытия, нагревает песок. Над песком засыпана теплоизоляция, снизу, под досками – жилое пространство. Вот именно туда, в жилое пространство, песок, как и большой камень, как скала, отдавал это остаточное тепло в виде теплового излучения, которое является для нас самым приятным. То есть, получив тепло конвективное, возвращал в жилое пространство тепло лучевое. Как здорово продрогнув на морозе, прижаться всем телом к тёплой печной стене!

 

   Как тонко научились наши предки понимать суть вещей, без всякой электроники, естественно и просто. И съездите в любой старый городок, где ещё сохранились действующие дома постройки 19 – начала 20-го века… Причём заезжать лучше так в конце июля – начале августа, когда летняя жара нагрела уже всё, что можно, и кондиционеры в новостройках работают без продыху. А в старых домах комфортно и без кондиционеров. Поэтому их там и нет. Не нужны (Охлаждение). Вывод – строить умели. И не только умели, а ещё тонко понимали суть физических процессов, происходящих в доме. То есть знание было глубинное, а не поверхностное. Если бы такой дом ещё дополнительно утеплить снаружи для уменьшения теплопотерь...

 

   В любом доме, через стены из дома уходит до 40% тепла. При этом, если стены утеплены недостаточно, то тепла может уходить в разы больше, чем через стены утеплённые хорошо. Так зачем нам кирпичные стены, скажете вы? Построим дом сразу из утеплителя по каркасной (канадской) технологии. Недостатки каркасников и причины их появления хорошо разобраны в этом материале. К тому же, по результатам исследований Национального бюро стандартов Канады дома построенные по каркасной технологии, фактически из утеплителя, требуют больше энергии на поддержание комфортного микроклимата внутри, чем дома из массивного бревна, и уж тем более камня. Тепло в таком доме обеспечивается исключительно нагревом воздуха, который удерживается утеплителем. В таких домах хочется постоянно открывать окна – проветривать, так как становится душно. А если основной носитель тепла в них – воздух, то он очень быстро при проветривании заменится холодным с улицы. И опять требуется большое количество энергии для нагрева воздуха. И так по кругу: нагреваем – проветриваем – нагреваем… Такие дома называются теплодинамичными. А для того, чтобы экономить энергию, чтобы в доме было и тепло, и свежо одновременно – дом должен быть ТЕПЛОИНЕРЦИОННЫМ. В чём суть – рассмотрим подробнее. И ещё — отапливать воздухом нельзя!

 

   Для того, чтобы понимать тепловые процессы происходящие в доме, давайте для начала рассмотрим как именно передаётся тепло и какие способы теплопередачи существуют. В нашем физическом мире тепло передаётся тремя способами:

 

   Кондуктивное тепло, или непосредственная теплопередача. Это когда происходит непосредственное, физическое соприкосновение различных предметов/конструкций/материалов. Причём движение тепла всегда будет в сторону меньшей температуры. Например, вы налили горячий чай в чашку, и стенки чашки нагреваются.

 

   Конвекционное тепло – это тепло, которое содержится в нагретом кондуктивным способом воздухе. Принцип конвекции (рисунок) – это когда нагретый радиаторами воздух поднимается вверх, а остывший опускается вниз. Опасность такого отопления в том, что вместе с воздухом поднимается осевшая пыль и частично разложившиеся от соприкосновения с горячими радиаторами остатки микроорганизмов, а человек это всё вдыхает, получая в лёгкие целый букет биологического мусора. И чем выше температура теплоносителя (конвекция требует температуры теплоносителя в системе отопления в 70-90 градусов, например температура воды в 60 градусов является для человека нестерпимой и вызывает боль и ожёг), тем хуже экология в помещении. При температуре свыше 70 С, происходит активное сжигание бытовой пыли, продукты распада которой поднимаются вверх и вдыхаются человеком.

 

   Лучевое тепло – это тепло, передающееся волновым способом, это инфракрасное излучение. Именно так нам передает свое тепло Солнце, именно по такому принципу передается тепло от русской печки, по такому же принципу работают знаменитые турецкие бани, в которых жарко и в то же время свежо, потому что воздух не иссушается от соприкосновения с горячими камнями. Так уж сложилось в процессе эволюции, что наш организм на 99% «заточен» под получение тепла из пространства посредством именно теплового излучения. Но так сложилось исторически, вернее будет сказать экономически, что сегодня нас обогревают посредством конвекционного отопления. Почему так сложилось, и «в чём правда брат»?..

 

   Наглядный пример передачи лучевой энергии - Вселенная, Космос. Представьте солнечную систему. Температура глубокого космоса — минус 270 градусов. Расстояния между планетами и Солнцем огромны. Солнечная энергия движется от светила во все стороны и достигает все планеты без исключения. Меркурий, Венера, Земля, Марс находятся к Солнцу ближе, а Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун — дальше. Вся солнечная энергия долетает до планет в виде волновой, лучевой энергии. Планеты которые находятся к Солнцу ближе, получают больше энергии, которые дальше, получают меньше. Каждый из нас знаком с силой солнечных лучей жарким летом. Известно, что мощность солнечной радиации на поверхности Земли составляет 1,75∙1017 Вт, что эквивалентно 5,4∙1024 Дж энергии в год. Это в 10 раз превышает общемировые запасы органического топлива, которые оцениваются в 6,9∙1023 Дж, или в 1000 раз превышает прогнозируемое до конца столетия общемировое энергопотребление, равное 15,3∙1020 Дж. Следовательно, использование даже 0,1 % суммарного энергетического потенциала солнечной радиации позволит целиком удовлетворить энергетические потребности человечества до конца XXI века. Солнце беспрерывно шлёт нам свою энергию. А космическое пространство разделяющее Солнце и Землю остаётся холодным (-270 С).

 

   Так вот, нагревая массивные каменные элементы любым из способов, мы получаем от них здоровое лучевое тепло. А количество лучевого тепла напрямую зависит от массивности каменных элементов. А камня должно быть много, т.к. тепловая инерция – это величина прямо пропорциональная общей теплоёмкости здания и обратно пропорциональная сумме всех теплопотерь. Важно понять, что основным элементом теплового комфорта, в данном случае, является массивная каменная оболочка, которая окружает человека со всех сторон. Немцы, будучи людьми к материи дотошными, провели эксперимент на тему теплового комфорта и выяснили – люди, находящиеся в помещении с температурой воздуха +50 С, но специально охлаждёнными стенами мёрзли; зато при +10 С и накалённых стенах начинали потеть.

Источник – Техн. Информ. "Энергия излучения – первичная энергия, открытая заново",

TT Technotherm GmbH, Нюрнберг.

 

   Для увеличения теплоёмкости в Ловце Солнца предусмотрен также массивный каменный пол. Пол - это не просто бетонная стяжка, имеющая своим основанием строительный мусор вперемежку со щебнем. Это слоёный пирог, состоящий из тепло- и гидроизоляции, каменной отсыпки, щебня и низкотемпературного тёплого пола.

 

   Теперь обо всём по порядку. Так как пол должен увеличивать теплоинерционность дома и он должен быть массивным.  Тем более, что пол будет прогреваться Солнцем  и напрямую, и косвенно, с помощью солнечной печи и водяного тёплого пола. Тон пола, там куда попадает осенне/зимне/весеннее Солнце должен быть тёмным. Поверхность — с хорошей теплопроводностью. Почему тёмный? Скажите, почему мы летом ходим в светлой одежде, а зимой больше в тёмной? Верно, летом в светлой одежде комфортнее, чем в тёмной, потому что светлые поверхности солнечный свет отражают, а тёмные притягивают. Проведите простой эксперимент: возьмите два камня – белый и чёрный, и положите их на солнце. Через какое-то время потрогайте на ощупь, какой из них нагрелся сильнее? Правильно, чёрный. Чёрная поверхность поглощает солнечную энергию и происходит нагрев массы камня. По этому принципу и проектируется ловушка солнечного тепла дома – облицовка тёмным керамическим гранитом или окраска стен и пола принимает солнечное тепло и передает его каменному массиву.

 

   Любой дом проекта Ловец Солнца – это дом, в котором всё остекление, или основная его часть смотрит на юг. Через это южное остекление в дом поступает солнечное тепло. Поступает и нагревает пол и толстые каменные стены. Благодаря толщине стен и пола, они после захода солнца ещё какое-то время остаются тёплыми, и отдают внутрь полученное за день тепло. В холода, после захода солнца, лучше сразу закрыть окна толстыми тёплыми ставнями, и тем самым уменьшить теплопотери через окна.  Подобный принцип обогрева можно сравнить с качелями – приём тепла днём, ночью – отдача. Дом же подобен цветку — утром раскрываясь встречает Солнце и ловит солнечное тепло, а ночью закрывается до следующего утра. Такого способа отопления будет достаточно с сентября до середины ноября и с конца февраля до мая. С середины ноября до конца февраля нам нужно будет подогревать дом дополнительным тепловым прибором. Почему я убеждён, что с середины февраля, когда кругом зима и морозы, солнечное отопление уже будет действенным? Да потому что к этому времени Солнце начинает набирать силу, и от времени зимнего солнцестояния (22 декабря – самый короткий день в году) проходит уже полтора месяца. Но это всё слова, есть и более весомые доводы.

 

   Эти фотографии наглядно демонстрируют  принцип действия солнечного обогрева с помощью каменного массива. Это Санкт-Петербург, стены Петропавловской крепости. Время - конец февраля – начало марта. Толщина стен – около метра. Что там делают эти люди? Они загорают. А почему около стен? Потому что возле стен тепло. Отойди от них на пару метров и будет уже не так комфортно. Почему комфортно около стен? Ведь зима, и стены должны быть холодные? Потому что к этому времени года сила Солнца становится такой, что уже способна ощутимо нагреть тёмный каменный массив, который, в свою очередь, греет людей лучевым теплом. Это убедительный и действенный пример солнечного обогрева. А если добавить к этой стене стекло, утепление со всех сторон… Что получится? Верно, Ловец Солнца!..

 

   В Ловце Солнца внешние каменные стены должны иметь толщину не менее чем полтора кирпича, это 380 мм. Внутренние  стены — в полкирпича или 125 мм. Полнотелого тяжелого кирпича. Почему именно полнотелый кирпич? Потому что кирпич, так же как и камень, имеет высокие показатели теплоёмкости и теплопроводности. Здесь нужно напомнить, что такое теплоёмкость и что такое теплопроводность. Удельная теплоёмкость определяется количеством тепла, требуемого для нагрева 1 кг вещества на 1 градус Цельсия (Кельвина).Теплоёмкость – это способность материала накапливать тепловую энергию; чем выше показатель теплоёмкости, тем большее количество энергии необходимо для нагрева материала до определенной температуры. И отсюда уже понятно, что для того, чтобы стены грели нужно, чтобы они взяли как можно больше тепла от источника нагрева – будь то Солнце, печь или трубы с теплоносителем.

 

Давайте посчитаем какое количество энергии получит каменный массив дома проекта Ловец Солнца всё той же площади — 85 м2:

 

​

 

   Итак, фундаментная плита нашего дома имеет размеры 13800х7450 мм. Площадь плиты — 13,8 м х 7,45 м = 102,8 м2. Умножим на толщину плиты — 350 мм, получим 36 м3 бетона. Посчитаем массу получившегося объёма — 1 м3 железобетона весит 2 500 кг. Умножаем 36 м3 на 2 500 кг = 90 000 килограмм — масса фундаментной плиты. Теплоёмкость бетона составляет 1,13 кДж/(кг•°С). Умножим 90 000 кг на 1,13 кДж/(кг•°С) и на 30 градусов (максимально разрешенная температура теплого пола), получим 3 051 000 кДж. Переведём в киловатты — 847,5 кВт. То есть, при остывании до ноля, наша фундаментная плита выделит 847,5 кВт тепловой энергии. Но естественно нам до ноля не нужно, ведь это крайне не комфортно. Соответственно мы можем посчитать сколько энергии может выделиться из фундаментной плиты при остывании её до 22 градусов. Для этого 847,5 кВт /30 *8= 225,8 кВт. Эта величина говорит о том, что наша расчётная фундаментная плита весом 90 т. может нагреваясь в течение светового дня поглощать, и ночью остывая отдавать 225,8 кВт тепловой энергии.

 

   Теперь стены — не буду утомлять вас расчётами, с учётом внутренних перегородок получается  31,2 м3 полнотелого кирпича. Масса 1 м3  кладки на цементном растворе из полнотелого кирпича весит 2 420 кг. Умножим 31,2 м3 кладки на 2 420 кг получаем 75 500 килограмм — масса стен из полнотелого кирпича. Масса конструктивных элементов дома, пола и стен, площадью 85 м2 составит — 90т +75,5т = 165 т.

 

   Теплоёмкость красного кирпича — 0,84 кДж/(кг•°С). Умножим 75 500 кг на 0,84 кДж/(кг•°С) и на 38 градусов (максимальная температура внешней стены темперированной низкотемпературным источником тепловой энергии; можно и больше, но уже будет не очень комфортно), получим 2 409 960 кДж. Переведём в киловатты — 670 кВт. То есть, при остывании до ноля, наши кирпичные стены выделят 670 кВт тепловой энергии. Считаем, сколько энергии может выделиться из стен при остывании их до 25 градусов. Для этого 670 кВт /38 *13(разница между 38 и 25 градусов) = 229 кВт. Эта величина говорит о том, что рассчитываемые нами стены весом    75,5 т. могут в течение светового дня нагреваясь поглощать, и ночью, остывая, отдавать до 229 кВт тепловой энергии.  Сложим полученные результаты 161 кВт + 229 кВт = 390 кВт. Конструктив нашего расчётного дома проекта Ловец Солнца, площадью 85 м2 способен принимать извне до 390 кВт тепловой энергии и отдавать её своим жильцам в вечернее и ночное время, и это только в комфортном для его жильцов диапазоне температур. Без ремонта, сервиса, запчастей. Каждый день. Каждый месяц. Каждый год.

 

   Теплопроводность показывает какое количество тепла теряется за 1 метр толщины стены при различии температуры на 1 градус между наружной и внутренней областью. Теплопроводность – это способность материала передавать накопленную тепловую энергию.  Теплопроводность кладки из полнотелого керамического кирпича – 0,8 Вт/(м*С), во-первых, способствует более равномерному нагреву поверхности всей стены, даже если источник тепла находится на разном расстоянии от неё, а, во-вторых, обеспечивает более эффективную теплоотдачу лучистого тепла в окружающую среду. У дерева теплопроводность например 0,15 Вт/(м*С). Так вот, теплопроводность кладки из полнотелого кирпича 0,8 Вт/(м*С) считается высокой для строительных конструкций и говорит нам о том, что стены из этого материала будут прогреваться на всю глубину (380 мм), что для нас важно, так как в сочетании с высокой теплоёмкостью позволяет «запасать» тепло в массивных конструкциях стен и пола.

 

   Теплопередача. Обычно принято говорить о коэффициенте теплопередачи многослойной стены, где рассчитывается коэффициент каждого слоя, потом все величины складываются и получается коэффициент термосопротивления ограждающей конструкции. Чем выше значение коэффициента, тем лучше энергосберегающие характеристики стены. Кирпичная стена в полтора полнотелых кирпича, толщиной 380 мм,  имеет коэффициент теплопередачи 0,97 (м2*С)/Вт при температуре воздуха на улице — 15 С. Норма для климата г. Магнитогорска не менее 3,53 (м2*С)/Вт. Поэтому, с внешней стороны утепляем внешние стены утеплителем толщиной 100-120 мм и получаем коэффициент термосопротивления в 4,3 (м2*С)/Вт. В данном случае, высокая теплопередача кирпичной кладки является отрицательной для дома, и помочь исправить ситуацию можно только с помощью внешнего утепления наружных стен.

 

   Высокая теплоёмкость и теплопроводность в совокупности с большой массой камня, а также хорошим утеплением стен дома снаружи обеспечивают ту самую тепловую инерционность дома В практическом плане тепловая инерция означает то, что дом очень медленно реагирует на изменения температуры снаружи или остановку работы источника тепла. Например, в каркасном или шлакоблочном доме тепло, пока котел включён. Как только источник тепла перестал нагревать воздух, в доме становится холодно очень быстро. И тем быстрее, чем холоднее на улице. То же касается домов с большим остеклением: пока солнышко греет – тепло, даже жарко, как только оно спряталось за горизонт – становится холодно, возрастают теплопотери через стекло. А как закрыть шторами стеклянный фасад зимнего сада высотой в два этажа? Да никак! Будем греть!.. В теплоинерционном доме тепло будут излучать каменные массивные стены даже ночью, когда Солнца нет.

 

   Чтобы не было разночтения в понимании описываемых мною процессов, хочется сразу разъяснить одну существеннейшую деталь – мы будем говорить о теплоёмкости, но не совсем в парадигме сегодняшнего научного понимания этого слова. На наш взгляд, сегодняшнее понимание слова «Теплоёмкость» не в полной мере отражает свойства природы, заключённые в этом слове. Теплоёмкость состоит из двух слов – «тепло» и «ёмкость», то есть ёмкость для тепла. Соответственно, применительно к значению одного этого слова, мы подразумеваем три различных свойства – принятие тепла, возможность к накоплению и последующая отдача этого тепла. Здесь, на страницах этого сайта, мы будем говорить именно о такой теплоёмкости, и это потому ещё, что на наш взгляд, для более правильного описания этого процесса приёма, накопления и отдачи тепла нет более подходящего слова. Теплоёмкость в понимании Ловца Солнца – это симбиоз теплоёмкости как таковой, теплопроводности и тепловой инерции.

 

   Что имеем? Тяжёлый каменно/кирпично/бетонный конструктив массой 165 тонн, обширные внутренние поверхности которого нагреваются с помощью прямого и косвенного солнечного тепла и передаются нам в виде самой комфортной для нас лучевой энергии в течение нескольких дней после каждого приёма солнечных ванн. В домах проекта Ловец Солнца, каменный массив является ключевым элементом всей системы отопления.

 

   И запомните — зимней ночью нельзя уменьшать отопление! Сегодняшние умные системы отопления имеют встроенную функцию на уменьшение энергопотребления системы отопления в холодные ночные часы. Это якобы экономит энергию. Увы, это миф. Дому, в зависимости от внешней температуры и того, насколько он утеплён, нужно ровно столько энергии сколько ему нужно. Расчётная температура внутри +22 С. Ночные зимние температуры всегда ниже дневных. Днём на солнце может быть -10 — 15 С, а ночью — 20 — 30 С. И мы ещё уменьшим отопление? Напомню вам, что задача системы отопления — компенсировать теплопотери внешних стен, кровли, окон и пола. Возместить то тепло, которое уходит через внешние конструкции. Поэтому ночью, при понижении   уличной температуры, нужно увеличивать подачу тепла. Когда внешние конструкции хорошо и правильно утеплены, то тепла уходит гораздо меньше. Так вот, когда на улице минус, то ежечасно, ежеминутно, ежесекундно из вашего дома на улицу утекает тепло. Чем холоднее на улице, тем быстрее оно утекает. Чем лучше утеплён дом, тем медленнее оно уходит. Сколько тепла ушло в какой-либо промежуток времени, столько и должна возместить система отопления. Ни больше и не меньше. Что происходит, когда на улице с приходом ночи понижается температура, и в доме уменьшается поступление тепловой энергии в систему отопления? Все внешние конструкции - стены, пол, кровля, начинают остывать. То есть они теряют тепло, которое уходит на улицу, но не получают достаточной тепловой энергии от системы отопления. Остывают тем больше, чем больше разница температур между улицей и  системой отопления. Охлаждение внешних конструкций провоцирует в них выпадение влаги. Если это происходит регулярно, то дом может заболеть. Заболеть сыростью и плесенью.

 

   Представьте что вы путешественник и движетесь по бескрайним зимним просторам Аляски Джека Лондона. Останавливаясь на ночлег вы будете экономить дрова, или заботясь о своём здоровье разведёте костёр побольше, а то и два, чтобы хорошо согреться ночью? Если вы будете экономить дрова и мёрзнуть у вашего ночного костра, то долго не протяните. Заболеете и умрёте. Так же и с домом. Если он недополучает тепло, то скоро придёт болезнь в виде холодных и сырых стен, плесени и прочей прелести. Если болезнь не лечить, то дом будет разрушаться.

 

 

Поликарпов Евгений с помощью Андрея Курышева

2013 г.