Siltumpārnese un fāžu pārējas

Ēku energoefektivitāte

Paraudzīsimies uz siltuma pārnesi no ēku siltumapmaiņas viedokļa - kā ar apkārtējo vidi, tā pašas ēkas ietvaros. Mēs vēlamies, lai aukstajos gadalaikos telpas būtu siltas, bet karstā vasarā  temperatūra nebūtu pārāk augsta. Vēlamies zaudēt pēc iespējas mazāk siltuma, lai būtu mazākas apkures izmaksas un kaitējums dabai. 

Lai atklātu vietas ēkas konstrukcijā, kur notiek vislielākie siltuma zudumi, ir ērti veikt siltumstarojuma vizualizāciju. 

1. un 2. attēlā redzama ēkas termogrāfija, kas iegūta ar īpašu kameru – siltuma sensoru, kas fiksē siltumstarojumu. Tādā veidā uzreiz atklājas siltuma noplūdes vietas. Piemēram, ja apskata loga konstrukcijas siltumstarojumu (1. attēls), tad redzams, ka ar zilo krāsu ir atzīmētās vēsākās vietas, kas attiecīgi ir tās, pa kurām siltums aizplūst visvairāk. 

1.att. Loga konstrukcijas siltumstarojums

Savukārt, ja aplūko telpas grīdu (2. attēls), tad atklājas, ka visvairāk siltuma zūd vietā, kur grīda savienojas ar sienu.

2.att. Grīdas siltumstarojums

3. attēlā redzams, cik daudz siltuma ēka varētu zaudēt caur dažādām tās daļām. Ja ēka ir labā tehniskā stāvoklī, tad noteicošie siltuma zudumi ir tieši siltumvadīšanas dēļ. Nepareizi un slikti siltinātas sienas var kļūt par noteicošo siltuma zudumu avotu, jo to virsmas laukums ir ļoti liels. Tādēļ sienu uzbūve ir ļoti svarīga.

3.att. Siltuma zudumi ēkā

Ēku sienas nereti nav viendabīgas, bet veidotas no dažādiem celtniecības blokiem, kurus kopā savieno kāda saistviela. Celtniecības bloki un saistviela nereti atšķiras ar to, cik labi tie vada siltumu. 4. attēlā redzama kādas siena ziemas laikā. Uz tās izveidojies rūtains raksts, jo gāzbetona blokus savienojošajai javai ir mazāks siltumvadīšanas koeficients \(k\), nekā pašiem gāzbetona blokiem (skatīt nodaļu ''Siltuma plūsma'').

4.att. Siena ziemas laikā

Logi parasti ir ēkas ''vājais punkts''. Zudumus šajā gadījumā var iedalīt siltumvadīšanas un ''ventilācijas'' zudumos. Zudumi siltumvadīšanas dēļ caur stiklu ir 4-6 reizes lielāki nekā caur sienām. 
Šos siltuma zudumus var aprēķināt, izmantojot siltuma plūsmas formulu (skatīt nodaļu ''Siltuma plūsma'').

Aplūkosim piemēru

Piemēram aprēķināsim siltuma plūsmu, pieņemot, ka loga virsmas laukums ir 2,0 m² , bet stikla rūts biezums: 3,0 mm. Varam pieņemt arī, ka stikla virsmas iekšpuses temperatūra ir 15,0 °C, bet ārpuses: 14,0 °C (5. attēls).  

5.att. Siltuma plūsma caur loga stiklu

Protams, telpa var būt daudz siltāka, bet ārā vēsāks. Šie 15 °C un 14 °C ir temperatūras pie logu virsmām – parasti loga tuvumā vērojama būtiska gaisa temperatūras pazemināšanās iekšpusē, un pieaugums ārpusē – gaisa slānis abās loga pusēs darbojas kā izolators, un lielākais temperatūras kritums starp mājas iekšpusi un ārpusi ir šajos gaisa slāņos.

Tādā gadījumā, pieņemot, ka stikla siltumvadītskējas koeficients \(k=0,93 \) \(W\cdot{m^{-1}}\cdot{K^{-1}}\) :

\(\frac{Q}{t}=kS\frac{\Delta{T}}{l}=(0,93\cdot 2,0 \cdot (15 – 14))/0,003 = 620\)\(J/s\)

Būtiska nozīme ir arī izmantoto būvmateriālu īpatnējai siltumietilpībai – jo tā lielāka, jo vairāk laika vajadzēs pašas ēkas uzsilšanai un atdzišanai, jo ''stabilāka'' būs ēkas temperatūra – ziemā šādā ēkā būs siltāk, vasarā – vēsāk.

Kā samazināt siltuma zudumus?

Parasti vislielākie zudumi ir vietās starp loga rāmi un sienu. Šie ''ventilācijas'' zudumi var būt ļoti lieli, ja logus nevar blīvi aizvērt vai ja starp rāmi un sienu ir šķirbas. Šajos gadījumos kāpņu telpās siltuma zudumi īpaši pieaug konvekcijas plūsmu (vilkmes) dēļ.

Siltuma zudumus caur logiem ietekmē to skaits un izmēri. Jo logi lielāki, jo vairāk siltuma caur tiem izdalās. Būtiska ir arī logu kvalitāte. Lai samazinātu siltuma zudumus siltumvadīšanas dēļ, izmanto daudzkameru logus, kas ir hermētiski noslēgti un labi aiztur siltumu. Piemēram, starp dubultām stikla rūtīm ir atstāta sprauga gaisam vai kādai inertai gāze (6. attēls). Gāze ir slikts siltuma vadītājs, līdz ar to samazinās siltuma daudzums, kas no ēkas nonāk apkārtējā vidē. 

Piemēram, aptuvenie zudumi gada laikā caur labi noblīvētiem logiem:

• 1 stikls 600 kWh/m²
• 2 stikli 270 kWh/m²
• 3 stikli 180 kWh/m²
  

6.att. Logs ar dubultām stikla rūtīm

Nozīme ir arī tam, kā logi uzstādīti. Pēc montāžas logu ailēm ir jābūt kvalitatīvi nosiltinātām, arī zem palodzēm. Siltuma zudumus samazina logu un ārdurvju spraugu hermētiska noblīvēšana. Kad ārā ir zema temperatūra, ir svarīgi aizvērt žalūzijas. Dubulti stiklots logs ar aizvērtām žalūzijām var būt līdzvērtīgs trīskārtīgi stiklotam logam. Dubulti stikloti logi var samazināt siltuma zudumus caur logiem par 50%. Jauni, augstākās energoefektivitātes stikli siltuma zudumus var samazināt par vēl 10%. Optimālais attālums starp dubultajiem stikliem ir 20 mm.

Logu aizsardzība pret laika apstākļu ietekmi (putu materiāls, lente vai audums) var ievērojami samazināt nevēlamos ventilācijas zudumus.

Caur nenoblīvētām ārdurvīm var zaudēt 20% siltuma. Līdzīgi logiem, arī durvīm ir spraugas starp rāmi un sienu, arī pašās durvīs var būt šķirbas. Tāpat kā gadījumā ar logiem, arī ārdurvju blīvēšanai nav nepieciešami lieli kapitālieguldījumi. Noderēs arī atspere durvīs, ko uzstāda, lai durvis pašas aizvērtos. Siltumenerģijas ietaupījumi durvis noblīvējot var būt tādi paši, kā uzstādot jaunas durvis. 

Siltuma zudumus var samazināt, arī nosiltinot jumtu. Piemēram, jumtu nosiltinot ar 150 mm biezu siltumizolācijas vati, var ietaupīt ap 20% no siltuma izmaksām. Lietderīgi ir siltināt arī bēniņu lūkas.

Savukārt bēniņu siltināšana ir viens no efektīvākajiem siltuma taupīšanas pasākumiem. To var izdarīt, piemēram, uz bēniņu grīdas uzberot vai uzklājot siltumizolāciju.

Tāpat arī pagraba siltināšana palīdz samazināt siltuma zudumus. To var darīt, siltinot pagraba griestus, uzklājot tiem izolācijas slāni, kā arī siltinot pagraba ārsienas un pamatu. 

Lai efektīvi apsildītu telpu, ir jāņem vērā ne tikai ar siltuma zudumi, bet arī ar tas, kādā veidā siltuma apmaiņa notiks pašā telpā. Siltumapmaiņu telpas ietvaros galvenokārt nosaka konvekcija. 7. attēlā redzamas gaisa konvekcijas plūsmas telpā, kurā siltumu nodrošina zem loga novietots radiators.

Redzams, ka aukstais gaiss pie radiatora sasilst un paceļas augšup, un tad, izklīstot pa telpu, atdziest un atkal nonāk pie radiatora.

7.att. Konvekcija telpā

Ap radiatoriem ir jābūt brīvai telpai, lai konvekcija notiktu. Tos nevajadzētu aizsegt ar mēbelēm. Radiatorus nevajadzētu aizsegt arī ar aizkariem, jo tad siltais gaiss paceļas gar auksto loga stiklu, nevis ieplūst telpā. Uz vai zem radiatoriem nevajadzētu likt dažādus priekšmetus - arī tas traucē brīvai siltuma plūsmai. Aiz radiatora vajadzētu novietot siltumu atstarojošu materiālu. Piemēram, siltumizolējošas putupolistirola tapetes ar atstarojošo virsmu nodrošina 90% tā siltumstarojuma atstarošanu telpā, ko izstaro radiators (sildelements) virzienā uz ārsienu. Radiatorus pirms apkures sezonas jāattīra no putekļiem un nosēdumiem. Bez vajadzības radiatorus nevajag arī krāsot - katrs krāsas slānis samazina to siltumatdevi.

Būtiski, lai katrs radiators saņemtu tam nepieciešamo karstā  ūdens plūsmu. Ja apkures sistēma nav sabalansēta, daži radiatori saņem pārāk lielu plūsmu, bet citi - pārāk mazu, un atbilstošo telpu temperatūra krītas. Tad, lai situāciju ''labotu'', mēdz paaugstināt sistēmā ieplūstošā ūdens temperatūru. Tas, savukārt, rada diskomfortu pārāk siltajās telpās un lieku enerģijas patēriņu. Daļēji šo problēmu var risināt, uzstādot regulatorus vai termostatus konkrētiem radiatoriem. 

Savukārt, automātiskā temperatūras regulatora uzstādīšana dod iespēju samazināt siltumenerģijas patēriņu kā diennakts laikā (piemēram, naktī uzturot zemāku temperatūru), tā arī automātiski regulēt ūdens temperatūru atkarībā no āra gaisa temperatūras. Siltuma zudumus palīdz samazināt arī individuālu siltuma mezglu ierīkošana.

Arī par to, lai siltums nokļūtu apkures radiatoros, nereti ir atbildīga tieši konvekcija. Ja ēkā ir centrālapkure (8. attēls), tad centrālajā krāsnī sadedzina kurināmo un iegūst siltumu, kas sakarsē pa radiatora caurulēm plūstošo šķidrumu, piemēram, ūdeni. Sakarsētais ūdens plūst pa caurulēm uz augšu, nonākot ēkas radiators, kur siltumu atdod. Atdodot siltumu, ūdens radiatoros atdziest un plūst atpakaļ lejā. Dažkārt, lai paātrinātu ūdens plūsmu centrālapkurē, izmanto sūkņus, kas nodrošina ātrāku siltuma izplatīšanos un līdz ar to arī ātrāku telpu apsildi.

8.att. Ēkas centrālapkure

Konvekcija ir būtiska ne tikai siltumapmaiņai telpu iekšpusē. Ja mājas sienu dobumos vai spraugās starp vairākiem sienas slāņiem nav izolējoša materiāla (9. att a), tad siltais gaiss konvekcijas iespaidā ceļas augšup un nonāk ārpus telpas, bet, ja dobumos izolācija ir (9. att. b), tad šāda konvekcija nenotiek un vairāk siltuma saglabājas telpā. Bultiņu ''biezums'' 9. attēla labajā pusē parāda ēkas kopējos siltuma zudumus. Siltais gaiss spraugā starp sienas slāņiem konvekcijas dēļ ceļas uz augšu, nonākot ēkas daļās ar sliktāku siltumizolāciju (bēniņos vai mansardā). Iespējams, ka ēkas kopējie siltuma zudumi a gadījumā pat  nav īpaši lielāki, bet telpu temperatūra var būtiski atšķirties – pirmajos stāvos būs auksti, kamēr mansardā vai bēniņos – karsti.

9.att. Siltumapmaiņa caur dobumu sienā

Izvēloties celtniecības un apdares materiālus, jāņem vērā arī to siltuma atstarošanas īpašības. Tā, piemēram, karstā klimatā logu stiklam izmanto pārklājumu, kas atstaro infrasarkano starojumu, neļaujot tam nokļūt telpā.

Lūk vēl virkne padomu, kā ēku vai dzīvokli padarīt resursus taupošu:

ES Finansējums daudzdzīvokļu māju siltināšanai.

Lai labi iet, turiet siltumu ciet!

Siltuma starojums

Termiskais starojums

Diviem siltruma pārneses veidiem - konvekcijai un siltumvadīšanai – ir nepieciešama vides (vielas) klātbūtne. Bet trešais siltuma pārneses veids notiek bez jebkādas vides starpniecības. 

Šis enerģijas pārneses veids ir starojums (siltumastarojums vai termiskais starojums) – siltumenerģijas pārnese no siltākas vietas uz aukstāku bez vides līdzdalības šajā procesā. Siltuma izplatīšanās notiek starojuma (elektromagnētisko viļņu) veidā no sakarsēta ķermeņa uz visām pusēm. 

Tā, piemēram, dzīvība uz Zemes ir atkarīga no enerģijas, kas saņemta no Saules, un šī enerģija tiek pārnesta uz Zemi tukšā (vai gandrīz tukšā) telpā.

Dabā visizplatītākais elektromagnētiskā starojuma veids ir termiskais jeb siltuma starojums, ko izstaro visi ķermeņi, kuru temperatūra ir virs absolūtās nulles. Tas rodas no vielas atomu un molekulu termiskās kustības enerģijas — vielas iekšējās enerģijas, un tādēļ izraisa izstarojošā ķermeņa atdzišanu. Termisko starojumu izstaro VISI ķermeņi ar jebkuru temperatūru, kas atšķiras no absolūtās nulles. Termiskajam starojumam ir nepārtraukts spektrs, tomēr enerģijas sadalījums tajā ir būtiski atkarīgs no temperatūras — zemās temperatūrās termiskais starojums sastāv galvenokārt no infrasarkanā starojuma un augstās temperatūrās — no redzamās gaismas un ultravioletā starojuma (1. attēls b). Redzamo gaismu ķermeņi sāk izstarot aptuveni 700 °C temperatūrā (1. attēls a).

Siltumstarojuma jauda un spektrālais sadalījums

1.att. Siltumstarojums

Ķermeņa izstarotā siltumstarojumu jaudu \(P\) (1. attēls b), apraksta izteiksme \(P=\sigma\varepsilon{T^4S}\) (Stefana-Bolcmaņa vienādojums), kur

\(\sigma\) – Stefana-Bolcmana konstante, \(W : (m^2\cdot{K^4})\);
\(\varepsilon\) – pilnā emisijas spēja. Tas ir ir skaitlis no 0 līdz 1, kas raksturīgs izstarojošā materiāla virsmai. Ļoti melnām virsmām, piemēram, oglēm, izstarojuma koeficients ir tuvu 1, savukārt spīdīgām metāla virsmām ir tuvu nullei, un tādējādi tās izstaro attiecīgi mazāku starojumu;
\(T\) – starojošā ķermeņa temperatūra, \(K\);
\(S\) – starojošā ķermeņa virsmas laukums, \(m^2\).

Izmēģini simulāciju par melna ķermeņa starojumu!

Redzams, ka, palielinoties temperatūrai, palielinās ne tikai kopējā starojuma intensitāte, bet tā spektrā parādās augstākas frekvences (aptuveni 700 °C temperatūrā ķermeņi sāk izstarot redzamo gaismu 1. attēls a).

Katrs ķermenis, kas pats izstaro, absorbē daļu starojuma enerģijas, ko izstaro citi (apkārtējie) ķermeņi.

Ķermeņa spēju absorbēt starojumu raksturo pilnā absorbcijas spēja A, kas ir ķermeņa absorbētās enerģijas attiecība pret visu uz tā krītošā starojuma enerģiju (tātad – lielums bez mērvienības).

Eksperimenti rāda, ka ķermeņa izstarotā (un arī absorbētā) enerģija dažādiem viļņa garumiem ir atšķirīga. Tādēļ ieved spektrālās emisijas spējas (kā arī absorbcijas spējas) jēdzienu. Par ķermeņa spektrālo emisijas spēju sauc emisijas spēju, kas aprēķināta kādam šauram viļņa garumu intervālam. Līdzīgi definē spektrālo absorbcijas spēju.

Visu reālo ķermeņu absorbcijas spēja ir mazāka par vienu. Piemēram, redzamajā spektra daļā alumīnija absorbcijas spēja ir 0,1, vara — 0,5 un ūdens — 0,67.

Iedomātu ķermeni, kas pie jebkuras temperatūras absorbē visu uz tā krītošo starojuma enerģiju, sauc par absolūti melno ķermeni. Tāda ķermeņa absorbcijas spēja visiem viļņa garumiem ir vienāda un skaitliski vienāda ar vienu. Redzamajā spektra daļā ķermenis, kura īpašības vislabāk atbilst absolūti melnā ķermeņa īpašībām, ir sodrēji (\(A\) =0,95).

Praktiski vispilnīgākais absolūti melnais ķermenis varētu būt mazs atvērums doba ķermeņa sienā, kura iekšpuse nokrāsota melna (1. attēls). Stars, kas caur atvērumu nokļūst ķermenī, vairākkārt atstarojoties no dobuma sienām, praktiski atpakaļ neizkļūst, jo katrā atstarošanās procesā daļu no tā enerģijas absorbē sienas. Absolūti melna ķermeņa paraugs var būt arī acs zīlīte.

Absolūti melnais ķermenis, absorbējot uz tā krītošo enerģiju, tai pašā laikā arī pats izstaro. Zemā temperatūrā dobuma atvērums izskatās melns. Ja dobums ir sakarsēts līdz augstai temperatūrai, tad atvērums spoži spīd. 

Katrs ķermenis, kas pats izstaro, absorbē daļu starojuma enerģijas, ko izstaro citi (apkārtējie) ķermeņi. 
Pastāv cieša saistība starp ķermeņa absorbcijas spēju un emisijas spēju. Var pierādīt, ka ir spēkā Kirhofa likums – dotā temperatūrā visiem ķermeņiem emisijas spējas attiecība pret absorbcijas spēju ir konstants lielums, kas vienāds ar absolūti melna ķermeņa emisijas spēju pie tās pašas temperatūras.

Secinājums - labs absorbētājs ir arī labs izstarotājs. 

Kā mēs izmantojam siltumstarojumu

Tātad - absorbējot starojumu, ķermeņi sasilst. Dzīvība uz Zemes ir pilnībā atkarīga no enerģijas, kas saņemta no Saules. Saules virsmas temperatūra (6000 K) ir daudz augstāka nekā Zemes temperatūra.

Saules starojums sastāv no redzamās gaismas un daudziem citiem viļņu garumiem, pret kuriem acs nav jutīga, tostarp infrasarkanais (IR) starojums, kas galvenokārt ir atbildīgs par Zemes sildīšanu. Cilvēka ķermenim absorbējot infrasarkano starojumu, rodas ''siltuma sajūta''. Tāpat arī ķermeņi ''istabas temperatūrā'' izstaro enerģiju tieši infrasarkanajā starojuma diapazonā. Šo iemeslu dēļ daudzās mācību grāmatās par ‘’siltumstarojumu’’ sauc tieši infrasarkano starojumu.

Infrasarkanais starojums ir elektromagnētiskie viļņi ar viļņa garumu 1 000 000 nm līdz 760 mm (pēc citiem datiem 800 nm līdz 0,35 mm). Šo viļņu garums ir lielāks nekā redzamajai gaismai, bet mazāks nekā radioviļņiem (mikroviļņi). Termins infrasarkanais radies no latīņu vārda „infra”, kas nozīmē „zem” - sarkanā krāsa ir redzamā gaisma ar lielāko viļņa garumu, kādu spēj uztvert cilvēka redze.

Jo augstāka ir ķermeņa temperatūra, jo spēcīgāku infrasarkano starojumu tas izstaro. Ņemot vērā šo faktu, infrasarkano starojumu ir iespējams vizualizēt, ķermenim piešķirot dažādas krāsas atkarība no temperatūras un līdz ar to infrasarkanā starojuma intensitātes (2. attēls).

2.att. Cilvēka radītā infrasarkanā starojuma vizualizācija

Spožas, baltas virsmas ne tikai izstaro mazāk starojuma, bet arī mazāk absorbē uz tām krītošā starojuma daļu (lielākā daļa tiek atstarota). Melni un ļoti tumši priekšmeti labi izstaro, tie arī absorbē gandrīz visu uz tiem krītošo starojumu.

Tāpēc karstā dienā parasti ir labāk izvēlēties gaišu apģērbu, nevis tumšu apģērbu. Savukārt polārpētnieki izvēlas baltu apģērbu, lai nezaudētu siltumu starojuma veidā. 

Ja tiešos saules staros noliek divus tējkannas, kuru vienīgā atšķirība ir to virsma, tad melnā matētā tējkannā ūdens sasils ātrāk kā baltā, spožā. Savukārt, ja šādās tējkannās uzvārīs ūdeni, melnā matētā atdzisīs pirmā.

Katrā automašīnas aptieciņā ir atrodama plāna metāla folija sedziņa – tā aizņem ļoti maz vietas, bet neļauj cilvēka ķermenim zaudēt siltumu – atšķirībā no ''parastajām'' segām, aizkavē nevis siltumvadīšanu, bet gan siltuma izstarošanu (3. attēls).

3.att. Folijas sega

Siltuma pārnese starojuma veidā ir nozīmīga ne tikai saņemot enerģiju no Saules. Tā, piemēram, siltums, ko mēs saņemam no uguns, galvenokārt ir starojuma enerģija (gaiss ir slikts siltumvadītājs, bet konvekcijas rezultātā sasilst gaiss virs ugunskura). Arī centrālapkures radiatora nosaukums liecina, ka tas siltumu atdod starojot (radiate – starot).

Ar infrasarkanā siltumstarojuma absorbēšanos atmosfērā esošajā ogļskābajā gāzē CO₂ un citās gāzēs ir saistīts ''siltumnīcas efekts'' (4. attēls).

4.att. Siltumnīcas efekts