In dit artikel: Stralingsverwarming – 10.000 jaar geschiedenis; de eerste stralingsverwarmingssystemen; Russische kachel – generator van infraroodstralen; stralingswarmte van het menselijk lichaam; soorten moderne huishoudelijke stralingsverwarmingssystemen; aan het einde – de omstandigheden waaronder stralingsverwarming winstgevender zal zijn dan convectie.
Ongeveer 200 jaar geleden begonnen de verwarmingssystemen van onze huizen opnieuw te worden geboren, kachels en open haarden, al duizenden jaren populair, werden archaïsmen genoemd, ze werden vervangen door een waterverwarmingssysteem dat convectiewarmte afgeeft. In de loop van een eeuw werd een kruis op de stralingswarmte geplaatst, het werd afgeschreven voor schroot, maar de studies van wetenschappers die in de afgelopen halve eeuw zijn uitgevoerd, tonen precies het tegenovergestelde aan: stralingswarmte overtreft convectiewarmte in zijn kenmerken en in een aantal kenmerken. We stellen voor om dit probleem te begrijpen en erachter te komen waarom stralingsverwarming beter is dan convectie.
De geschiedenis van verwarming – van stralend naar convectie en … weer naar stralend?
Duizenden jaren lang was de eerste en enige verwarmingsbron in een menselijke woning een vuur, en de verwarmingsmethode zelf was convectiestraal. Tijdens het branden van een vuur in een primitieve kachel, en daarna, toen het vuur smeulde, kwamen er infrarode stralen uit het stenen portaal en als gevolg van convectie werd de lucht in de kamer verwarmd. Het voor de hand liggende nadeel van deze verwarmingsmethode is dat wanneer er brand brandde, de woning werd gevuld met rookgassen, waardoor een ondraaglijke atmosfeer ontstond. Daarom werd aan de bovenkant van het dak van de huizen een schoorsteengat gemaakt, waardoor hete rook samen met verwarmde lucht ontsnapte, de belangrijkste inzet werd gemaakt op stralingsverwarming, omdat de intensiteit ervan niet afhing van de mate van luchtverwarming.
Tweeduizend jaar geleden werden nieuwe verwarmingssystemen gecreëerd, gebaseerd op kanalen onder het oppervlak van stenen vloeren, waarlangs rookgassen van gesmolten ovens zich voortbewogen en de vloeren verwarmden met hun warmte (hypocaust (Dr. Rome), Gloria (Spanje), ondol (Korea), dikan (China), enz.). De bevolking van Europa gebruikte ondertussen een gedeeltelijk aangepaste versie van het vuur: een geplaveide haard die in het zwart werd verwarmd. Pas tegen de 15e eeuw verbeterden de Europeanen de stenen haard door er een uitlaatpijp van hout naartoe te brengen.
Hypocaust verwarmingssysteem
In de 17e eeuw was het ‘Russische verwarmingssysteem’ populair in de kasteel- en paleiscomplexen van Rusland en Europa – de luchtinlaatschacht liep dicht langs de ovenmuur en erlangs, waar de lucht werd verwarmd en, als gevolg van convectie, steeg door vertakte stenen kanalen naar de gebouwen die verwarmd moesten worden. Nadat warmte was afgegeven, ging de lucht van het pand naar buiten via de afvoerkanalen buiten het gebouw. Een verwarmingssysteem van dit ontwerp sloot de mogelijkheid volledig uit dat rookgassen de woonruimte binnendringen, wat in die tijd een verbazingwekkende knowhow was. Dit verwarmingssysteem, het “vuurluchtsysteem” genoemd, genoot tot het midden van de 19e eeuw een groeiende populariteit, maar tegen het einde was er geen vraag meer naar, wat werd mogelijk gemaakt door het constante laagfrequente brommen in de luchtkanalen, overmatige droogte van de lucht, verbranding van stof met afzetting van stofroet op de muren en interieurartikelen.
Aan het einde van de 18e eeuw bedacht en bouwde de Franse ingenieur Jean-Simon Bonneman het eerste warmwaterverwarmingssysteem, waarbij de circulatie van het koelmiddel op een natuurlijke manier gebeurde. Een halve eeuw later verscheen in Rusland een verwarmingssysteem met natuurlijke circulatie van het koelmiddel, ontwikkeld door professor Petr Grigorievich Sobolevsky. Convectiewater-, stoom- en vuurluchtverwarmingstypen winnen van jaar tot jaar aan populariteit, grotendeels dankzij de technische vooruitgang, de opkomst en ontwikkeling van gecentraliseerde verwarmingsbronnen voor het koelmiddel en systemen voor levering aan consumentenobjecten. De grootschalige constructie van typische hoogbouw met minimale isolatie van gevels, laagwaardige overlapping van raam- en deuropeningen speelde in het voordeel van convectieve waterverwarming – stralingsverwarming is alleen effectief in een goed geïsoleerd gebouw.
150 jaar later hebben wetenschappers echter ontdekt dat de perceptie van stralingsverwarming veel dichter bij de mens ligt dan convectieverwarming van lucht. En niet alleen voor een persoon, maar ook voor huishoudelijke artikelen, maar ook voor materialen die worden gebruikt bij de interieurdecoratie van gebouwen.
Thuis verwarmen – realiteit
Ben je in de winter ooit in een onverwarmde of slecht verwarmde kamer geweest – een klaslokaal op school, een collegezaal voor een instituut of een aula bij een instelling? Als reactie op de ontevredenheid van het publiek kalmeert de leraar (docent) – niets, laten we ademen en over een half uur is het warm. En inderdaad, na een tijdje wordt het warmer, maar de reden hiervoor is helemaal niet verbonden met de term “ingeademd” – de aanwezigen verwarmden de atmosfeer van de kamer met thermische straling die door hun eigen lichaam werd opgewekt. Infraroodstralen die afkomstig zijn van de lichamen van de aanwezigen in het publiek, verwarmen de objecten in de buurt van hen, die op hun beurt hun eigen straling genereren en deze overbrengen naar naburige objecten en de warmte van hun oppervlakken naar de lucht.
Elk object met een temperatuur boven het absolute nulpunt Kelvin (of –273,15 ° C) zendt infraroodstralen uit. Hoe hoger de temperatuur van het object, hoe intenser de straling – het menselijk lichaam bijvoorbeeld bij zijn normale temperatuur (van 36,6 tot 37 ° C) genereert infraroodstralen van het gemiddelde golflengtebereik, met een golflengte van 5 tot 25 micron. Het verbruik van menselijke energie voor infraroodstraling wordt verminderd als de omgevingstemperatuur stijgt, maar niet de lucht, maar de omhullende constructies (muren, plafond en vloer) en meubels. Het feit is dat de luchtomgeving transparant is en doorlaatbaar voor infraroodstralen, koude muren en vloeren zullen zelfs bij een kamertemperatuur van 25 graden infraroodwarmte van menselijke lichamen onttrekken – dit is stralingswarmte-uitwisseling, verklaard door de wetten van Planck en Stefan-Boltzmann.
Generaties stadsmensen zijn gewend aan de leefomstandigheden in bakstenen en paneelhuizen en proberen de infrarode energie van het lichaam te compenseren, die de omhullende structuren gaat verwarmen met behulp van verschillende soorten elektrische convectoren. In de nagedachtenis van de stadsmensen was er een vage overtuiging over het belang van houten muren in het huis, die kunnen ‘ademen’ en de vochtigheid van de lucht compenseren – een dergelijk vermogen is inderdaad aanwezig in ongeverfd hout en houten muren, maar de hoofdrol in houten huizen werd niet door hen gespeeld, maar door de Rus oven.
De massieve constructie van de Russische kachel kreeg een belangrijke plaats in huis, hield de warmte perfect vast en verwarmde het hele huis met infraroodstraling. Geen enkel water- of luchtverwarmingssysteem kan qua verwarmingsvermogen vergelijken met een Russische kachel! Overigens is het juist door de radiale verwarmingsmethode dat gebakken producten in de Russische oven veel smakelijker en smakelijker blijken te zijn dan in de modernste oven, waarbij het kookprincipe gebaseerd is op hete lucht (vuurluchtsysteem).
De eigenschappen van stralingsenergie vanuit het standpunt van verwarming werden onderzocht door een laboratorium aan de Yale University, gefinancierd door de John Bartlett Pearce Foundation – de resultaten van een experiment uitgevoerd met de medewerking van vrijwilligers waren zeer onthullend. In de eerste fase werden de proefpersonen in een kleine kamer met kunstmatig gekoelde wanden geplaatst, de luchttemperatuur daarin werd door middel van luchtverhitters op een niveau van 50 ° C gehouden – vrijwilligers gekleed in lichte kleding, nadat ze in deze kamer hadden verbleven, klaagden over extreme kou. Tijdens de tweede fase werd de luchttemperatuur opzettelijk verlaagd tot 10 ° C en werden de muren verwarmd met behulp van in het interieur ingebouwde buizen, waardoor warm water circuleerde – de net zo luchtig aangeklede proefpersonen zweetten hevig als ze in deze kamer waren, ze waren heet.
Ieder van ons kan echter op elk moment het “vampirisme” van kou en “donatie” van verwarmde muren controleren en persoonlijk ervaren – je hoeft alleen maar naar boven te komen en voor de muur te gaan staan. In de winter voel je de kou eruit komen, aangezien het materiaal dat de muur vormt de infrarode stralen die van jou afkomstig zijn, zal absorberen, in de zomer zul je de warmte voelen, dat wil zeggen dat je lichaam de infrarode straling die de muur van de zon ontvangt gedurende de dag al zal absorberen.
Beschrijving van stralingsverwarmingssystemen
Een massieve kachel was en blijft een ideale bron van stralingsverwarming, maar in een appartement of kantoor en in veel privéwoningen is het onrealistisch om zo’n kachel te plaatsen. Overweeg moderne stralingsverwarmingssystemen die het mogelijk maken om zonder zo’n kachel te stellen – “warme vloer”, wand- en plafondstralingspanelen.
Vloerverwarmingssystemen verschillen in ontwerp en verwarmingsprincipe:
- convectieve systemen omvatten alle systemen met een waterwarmtedrager, evenals kabel, kabellegging in warmte-isolerende platen en film (verwarmingsmatten – een dunne kabel geplaatst in een gaasbodem)
- stralingswarmte wordt gegenereerd door koolstoffilm (verwarmingselement – grafietstrips verzegeld in een polyesterfilm) en kernvloeren (hun verwarmingselementen zijn ook gemaakt van grafiet).
De panelen die op de muren zijn geïnstalleerd, zijn modulaire blokken gemaakt van koperen buizen, de warmtedrager erin is warm water. De warmteoverdracht van stralingswarmte van wandpanelen met circulerend warm water met een temperatuur van 40 ° C is ongeveer 80%, de resterende 20% is te wijten aan convectie – dit komt door de toelaatbare hoge temperatuur van het koelmiddel, die het maximum overschrijdt dat door de Europese normen van 30 ° C voor een ‘warme vloer’ is vastgesteld.
Koperen modulaire blokken worden op het muuroppervlak geïnstalleerd met behulp van horizontale of verticale staafsteunen, voordat een isolatielaag met aluminiumfolie op het muuroppervlak wordt gemonteerd. Na plaatsing worden de wandpanelen afgedicht met een 350 mm pleisterlaag, bedekt met gipsplaat of andere harde bekledingen. Naast externe installatie kunnen modulaire blokken voor stralingsverwarming in betonnen muren worden geïnstalleerd – ze worden bevestigd aan een versterkingsframe en vervolgens met beton gestort.
Het voordeel van wandpanelen is een lagere thermische inertie in vergelijking met “warme vloeren”, wat vooral handig is voor gebouwen met intermitterende verwarming. Opgemerkt moet worden dat wandpanelen voor effectieve verwarming vrije ruimte nodig hebben rond de omtrek van de muren waarin ze zijn geïnstalleerd – met een groot aantal kastmeubels is het irrationeel om ze te gebruiken.
De eerste modellen van stralingsplafondpanelen werden gemaakt lang voordat de ‘warme vloeren’ en wandpanelen werden gemaakt, de interesse van fabrikanten in deze panelen werd eenvoudig uitgelegd – het plafond, en dus de plafondpanelen, bevonden zich het verst van de huishoudens, waardoor het mogelijk was om de panelen zonder problemen op hoge temperaturen te verwarmen. schade aan mensen. De maximale temperatuur van moderne plafondpanelen hangt af van de hoogte van de plafonds – het optimale verschil tussen de luchttemperatuur in de kamer en de oppervlaktetemperatuur van het balkpaneel is 10 ° C. Moderne plafondpanelen worden niet in plafonds ingebouwd – ze worden op het plafondoppervlak geïnstalleerd, wat hun installatie en onderhoud vereenvoudigt.
Op het eind
De populariteit van convectieverwarming is tegenwoordig alleen te danken aan het feit dat de meeste huizen minimale warmte-vasthoudende eigenschappen hebben – eerder was dit niet interessant voor ontwerpers en bouwers, omdat hun taken gericht waren op het verlagen van de kosten van projecten. Vandaar dat huizen ’s nachts gloeien in infrarooddetectoren, kolossale verwarmingskosten en frequente cosmetische reparaties. En juist vanwege het hoge warmteverlies door de raamopeningen, werden er direct onder hen verwarmingsradiatoren geïnstalleerd – om de koude lucht van de straat af te sluiten die door de sleuven van de raamkozijnen en door hun beglazing komt.
Convectieverwarming stelt u in staat om snel en relatief goedkoop niet-geïsoleerde kamers te verwarmen, maar u kunt niet voorkomen dat de lucht uitdroogt, koude lucht op vloerniveau (de warmste laag lucht verzamelt zich aan het plafond), constante schimmelgroei van de muren in het koude seizoen (door vochtafzetting op hun koude oppervlakken) en de noodzaak van frequente cosmetische reparaties – de bovenstaande feiten zijn onmiskenbaar.
Als de omhullende constructies van het huis zijn gemaakt van hout, baksteen of gewapend beton, wordt isolatie (sandwichpanelen, thermische isolatiematerialen gevolgd door pleisterwerk enz.) Uitgevoerd aan de buitenzijde (straat) en worden moderne deuren en ramen in de raam- en deuropeningen geïnstalleerd met voldoende lage thermische geleidbaarheid, en vervolgens het probleem van verwarming oplossen met behulp van een stralingsverwarmingssysteem, zal zichzelf rechtvaardigen. Aan de andere kant, bij het isoleren van omhullende structuren van de binnenkant van een kamer, wat vooral vaak wordt uitgevoerd in gebouwen met meerdere verdiepingen van Sovjetconstructie, heeft het geen zin om een verwarmingssysteem op infraroodverwarming te bouwen, omdat het materiaal waarvan de muren zijn gemaakt niet opwarmt en warmte afgeeft in de vorm van straling, omdat wandoppervlakken zijn thermisch geïsoleerd met isolatiematerialen.
Rekening houdend met de nieuwe vereisten voor de thermische bescherming van gebouwen, uiteengezet in SNiP 23-02-2003, kunnen stralingsverwarmingssystemen het leiderschap op het gebied van convectieverwarming overnemen. Het zal voor huishoudens van elke leeftijd veel aangenamer en nuttiger zijn om infraroodstralen van een bepaalde golflengte waar te nemen dan om in een lucht “aquarium” te zijn met constant koude muren, gevuld met lucht die wordt verwarmd als gevolg van convectie en zwevend stof..
Is stralende huisverwarming een goede optie om in overweging te nemen? Zijn er specifieke voordelen of nadelen verbonden aan deze oude, maar mogelijk vergeten methode?