Энергия

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ: ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ОЦЕНКА РЕСУРСОВ И АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Трудно рассматривать тепловой режим зданий и проектиро­вать солнечное отопление без понимания природы тепла и как оно переносится из одного места в другое. Существуют два основных вида измерения теплоты: в количественном и качественном от­ношении. Показатель, с которым мы наиболее знакомы, т. е. тем­пература, относится к показателю качественному; если мы гово­рим о плавательном бассейне с температурой воды 20° С, мы не имеем в виду количество тепла в бассейне. Интуитивно мы пони­маем, что потребуется большое количество теплоты для повыше­ния температуры воды в бассейне до, например, 25° С и гораздо меньшее количество для нагрева чайника с водой на столько же градусов. «Качество» тепла в бассейне при 25° С такое же, что и в чайнике при той же температуре, но количество тепла зави­сит от массы нагреваемого материала. Таким образом, единица количества теплоты [10] определяется как количество теплоты, под­вод (или отвод) которого вызывает нагревание (или, соответст­венно, охлаждение) 1 кг воды при атмосферном давлении на 1 К. В качестве базисного материала используется вода, поскольку она общедоступна и стандартна.

Другой мерой теплоты, тесно связанной с температурой и ко­личеством теплоты, является теплоемкость или удельная тепло­емкость. Не все материалы поглощают одинаковое количество тепла при определенном повышении температуры. В то время как для нагрева 100 кг воды на 1° потребуется 418,3 кДж; для нагрева 100 кг алюминия на 1° —лишь 94,1 кДж. Удельная теплоемкость представляет собой отношение количества теплоты, необходимого для повышения температуры определенной массы данного материала на определенное число градусов, к количест­ву теплоты, необходимого для повышения температуры той же массы воды на то же число градусов. Это отношение одинаково для любой системы единиц измерения — метрической, английской или любой другой. Единицами могут быть кДж/(кг-град), кал/(г-град) или ккал/(кг-град). Удельные теплоемкости раз­личных материалов можно найти в приложении под тем же на­званием.

Значение всего этого, по крайней мере что касается зданий, заключается в том, что производство тепла стоит денег и требует ресурсов. Стоимость зависит от расхода тепла, который в свою очередь зависит от плотности потока тепловых потерь из здания во вне (зимой) или притока тепла из окружающей среды в зда­ние (летом). Величина теплового потока пропорциональна раз­ности температур между источником тепла и предметом или по­мещением, в которое оно поступает. Таким образом, тепло будет покидать здание быстрее в холодный день, чем в умеренный. Это, конечно, предполагает, что в здании применяются некоторые средства для поддержания постоянной температуры, например калорифер, отопитель или дровяная печь. Если плотность потока пропорциональна разности температур, то количество реально поступающего тепла зависит от величины сопротивления этому потоку. Поскольку разность температур между внутренним по­мещением и внешней средой в основном определяется климатиче­скими условиями, за исключением случаев искусственного пони­жения температуры внутри помещения, то очевидно, что основ­ные усилия затрачиваются на увеличение сопротивления потоку тепловых потерь. Механизмы теплового потока и методы созда­ния сопротивления ему многочисленны. Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению теплового сопротивления, необходимо сделать обзор основных способов переноса тепла от теплого предмета к более холодному, а именно рассмотреть теплопровод­ность, конвекцию и радиацию.

Все мы узнаём о теплопроводности в раннем возрасте интуи­тивным, но непосредственным образом. Когда сковорода в тече­ние некоторого времени стоит на огне, ее ручка становится горячей. Это происходит потому, что тепло передается через металл от горелки плиты к ручке. Тепло поступает к ручке, пото­му что она намного холоднее горелки. Скорость перетока тепла к ручке чугунной сковороды значительно ниже, чем для медной сковороды, так как железо имеет меньший коэффициент тепло­проводности, т. е. обладает большим сопротивлением тепловому потоку, чем медь, и более высокую удельную теплоемкость, чем медь. Это значит, что потребуется меньшее количество теплоты для нагрева меди и меньше времени для нагрева всего металла, находящегося между горелкой и ручкой. Эти принципы являются основополагающими для расчета теплообмена за счет теплопро­водности.

Конвекция — это явление, состоящее в теплопередаче путем движения теплоносителей, т. е. жидкостей или газов. Нагретый теплоноситель может перемещаться или быть перемещаем в более холодную зону, где он отдаст свое тепло для нагрева этой зоны. Нагретая вода со дна чайника, стоящего на плите, поднимается вверх и смешивается там с более холодной водой, распространяя тепло и нагревая всю массу намного быстрее, чем это происходи­ло бы только за счет теплопроводности

Жилой дом, оборудованный калорифером, обогревается таким же способом. Воздух нагревается в газовой горелке и подается в жилые помещения Поскольку предметы в доме холоднее, чем горячий воздух, поступающий из горелки, тепло от воздуха пере­дается помещению

Нагретые теплоносители могут перемещаться путем естест­венной конвекции При нагреве теплоноситель расширяется, рас­пространяется в окружающей его более холодной среде и под­нимается вверх. Более холодный теплоноситель занимает его место и в свою очередь нагревается В то же время нагретый теплоноситель перемещается затем в место, где тепло поглоща­ется, охлаждая теплоноситель. Охлажденный таким образом теп­лоноситель, становясь тяжелее, стремится опуститься вниз, и цикл повторяется. Если мы хотим лучше использовать запасен­ное в теплоносителе тепло или если мы хотим повысить интенсив­ность переноса тепла по сравнению с естественной конвекцией (например, в помещении, удаленном от калорифера), то для пе­ремещения нагретого теплоносителя можно воспользоваться на сосом или вентилятором Следует отметить, что конвекция и теп­лопроводность как физические явления проявляются одновре­менно. Тепло от нагретой поверхности передается теплоносителю в результате теплопроводности до того, как это тепло будет уне­сено потоком, тепло от нагретого теплоносителя также передается холодной поверхности теплопроводностью. Чем больше разность температур между теплой и холодной поверхностями, тем боль­ше тепловой поток между ними. Удельная теплоемкость теплоно­сителя, его коэффициент теплопроводности и сопротивление по­току теплоносителя являются другими факторами, влияющими на конвективный теплообмен

Радиация представляет собой перенос тепла через простран­ство при помощи электромагнитных волн; большинство предме­тов, которые стоят на пути видимого света, также препятствуют распространению тепловой энергии в виде излучения Как мы знаем, земля получает тепло от солнца путем радиации. Мы так­же участвуем в радиационном теплообмене, когда стоим перед камином или горячей плитой. Радиация тепла осуществляется главным образом за счет невидимого длинноволнового излуче­ния Мы почувствуем излучение тепла горячей плитой, даже если она недостаточно горяча и не нагрета до свечения. Тепло постоянно переносится излучением от более теплых предметов к более холодным (пока они «видны» друг другу) пропорциональ­но разности их температур и расстоянию между ними Тот же эффект, хотя менее явный и труднее воспринимаемый, получа­ется, когда, сидя у окна зимней ночью, мы ощущаем холод' как источник тепла наше тело излучает его в холодную ночную ат­