Методика расчёта отопительной печи и камина

Одна из самых серьезных ошибок многих владельцев дачных домов – выбор конструкции печи или камина по экстерьерным особенностям или из расчета функциональных возможностей конкретной конструкции. Что в корне неверно.

Любая бытовая печная конструкция, прежде всего, ориентирована на обогрев помещения, и потому ее в первую очередь следует оценивать именно по этим параметрам. И только потом говорить о каких-то дополнительных опциях или декоре.

Введение

В книгах о печах часто описания или порядовки печей дополняются указанием их теплоотдачи, выраженной в килокалориях. В магазинах, как правило, на ценнике металлических печек указывают мощность печи уже в киловаттах.

При этом большинству пользователей довольно сложно оценить конкретно эти цифры, тем более, что многие производители лукавят и в описаниях к своей продукции (металлическим печам) указывают достаточно фантастические параметры или попросту недоговаривают, что чревато применением неподходящей модели в помещении с указанной площадью.

К примеру, часто уверяют, что печи способны обогреть площади по 100 и более квадратов без всяких дополнительных ухищрений. Что в принципе невозможно по законам физики – естественной конвекции.

Такой печи хватит на то, чтобы в этом помещении была плюсовая температура, но вот атмосферу в такой комнате вряд ли можно будет назвать комфортной.

Поскольку у самой печи будет зона сильного прогрева и стоять откровенная жара, а вот по дальним углам станет отчётливо ощущаться прохлада. И это только полбеды. Скорее всего, такие перепады еще и дополнятся конденсатом и сыростью по углам.

Избавиться от этих неприятных явлений можно только, устроив принудительную воздушную конвекцию (вентилятор), или устроить принудительную транспортировку тепла непосредственно в проблемные зоны помещения – проще говоря, устроить тепловой контур с циркуляцией теплоносителя. То есть превратить печь в котел и греть дом уже водяной системой.

Определимся с теплопотерями нашего дома

Нам необходимо понять, какой расход энергии потребуется для поддержания нужной температуры в доме. Проще всего сделать это экспериментальным путем.

Вашему вниманию подборка материалов:

се, что нужно знать об отоплении и климат-контроле Особенности выбора и обслуживания котлов и горелок. Сравнение топлива (газ, дизель, масло, уголь, дрова, электричество). Печи своими руками. Теплоноситель, радиаторы, трубы, теплый пол, циркуляцинные насосы. Чистка дымоходов. Кондиционирование

В пасмурную ветреную погоду закрываем в доме все окна, двери, вентиляционные отверстия, отключаем все оборудование, например, холодильник. В доме ничего не готовим, лучше вообще в нем не находимся. Все внутренние двери открываем, чтобы образовать единое пространство. Оставляем так на сутки. Через сутки измеряем температуру. Лучше измерить во всех комнатах и усреднить.

Теперь включаем электрический обогреватель, мощностью, например, 1 киловатт. Если комнат много, то можно включить несколько нагревателей небольшой мощности в разных комнатах. Опять оставляем на сутки. Через сутки измеряем температуру. Опять же лучше измерить во всех комнатах и усреднить.

Этот эксперимент можно делать в любое время года. Базовые значения температур на результат не влияют, важны только относительные изменения. Но необходимо проводить эксперимент в пасмурную погоду. Солнечный свет, особенно инфракрасная составляющая, испортят все измерения. И нужен ветер, так как теплопотери при ветре обычно в разы выше, чем без него.

Рассчитываем разницу средней температуры без нагревателей и с ними. Делим на мощность нагревателей в киловаттах. Получаем число, которое показывает, на сколько градусов Цельсия поднимается температура в доме от нагревателя в один киловатт. У меня в доме получается 10 градусов на киловатт.

Основные понятия и термины

На «магазинных» печках и каминах обычно указывают теплоотдачу, как уже говорилось, в киловаттах. По одной простой причине: так легче считать площадь, которую они могут обогреть.

В помещениях с высотой потолка до 3 метров 1 киловатт – это 10 квадратов площади. Соответственно, печь в 8 кВт в теории греет 80 квадратных метров.

И такие же данные дают для каминов. Которые, на самом деле, следует относить к камино-печам, а не чистым каминам. И в этом случае указание их мощности корректно (правда, у многих моделей во время топки нельзя открывать дверцу, ну да то дело десятое).

Но вот перенос этого шаблона на кирпичные конструкции перестает работать корректно. А еще в книгах по печному ремеслу принято указывать тепловую мощность в килокалориях. И тут вовсе наступает путаница.

Начнем с того, что отопительная печь и камин – совершенно различные конструкции с совсем разными задачами. И считаются по разным формулам. А еще железные печи и кирпичные хоть и родственники, но очень дальние. И потому работают совершенно иначе.

Для понимания вопроса:

металл хорошо проводит тепло, но плохо его накапливает (быстро прогрелся – быстро остыл). И потому все металлические печи греют, пока в их топках горит топливо. Чтобы увеличить период их активности, устраивают системы длительного горения. И расчет их мощности ведется именно с учетом такой особенности.

А вот кирпичные печи в массе своей относятся к теплоемким конструкциям периодического нагрева, и потому их топят пару часов, а потом они долгое время отдают накопленное тепло, постепенно транслируя его из своих недр на наружные стенки. И потому считать их мощность (напрямую связанную с их массой и габаритом) следует как-то иначе.

Вообще, без применения искусственной конвекции одной печью можно прогреть примерно 30 – 40 квадратов. В более габаритном помещении уже не получится обеспечить комфортных условий для проживания – все из-за того же некомфортного температурного градиента, возрастающего по мере удаления от источника тепла (печи).

А вот с камином картина несколько иная. Камин греет комнату только в момент своей работы, пока горит топливо. И греет исключительно лучистым теплом. Без аккумулирования тепла. И потому КПД его не отличается рекордными значениями. Примерно 33% при топке дровами и до 55% при использовании каменного угля.

А вот для печки КПД 80% – вполне рядовое значение. Но у камина есть огромное преимущество. Забирая в открытую топку воздух для горения, камин это делает с запасом, избытком. И потому камин очень хорошо вентилирует помещение, сушит его. А еще камин прогревает этот объем максимально быстро.

Фото старинного камина

Именно по этой причине камин предпочитали во многих Европейских странах. Особенно показательна в этом отношении Британия, где климат довольно мягкий, но излишне влажный, и где проблема отопления стояла не так остро, как необходимость избавления от лишней влажности жилья.

По той же причине дореволюционные пособия рекомендуют иметь в большой квартире в дополнение к печам один камин – для организации нормального воздухообмена. И потому камины часто сооружали в больничных палатах – своеобразный аналог кварцевания.

Так что камин уже считают не из соображений восполнения теплопотерь здания, а с позиций нормального воздухообмена. И потому методики расчёта печи и камина различаются кардинально.

Мощность печи должна соответствовать теплопотерям помещения. Недостаток мощности приведет к снижению экологии помещения (попросту окажется слишком прохладно), а избыток приведет к перерасходу топлива.

Говоря образно, картина в чем-то схожа с выбором двигателя для автомобиля. Глупо пытаться выпустить миникупер с двигателем от карьерного самосвала, как и бесполезно оснащать этот самосвал мотором от компактной легковушки.

Излишне габаритный камин в маленьком помещении станет страдать от недостатка кислорода, требуемого для нормального сгорания топлива. И потому он или начнет дымить, или устроит такой сквозняк, что двери попросту начнут интенсивно хлопать. Ну а слишком маленький камин в огромном зале окажется бесполезен – он попросту не согреет его.

Вес сухих дров зависит от их плотности.

По плотности древесины все породы делят на три группы:

с малой плотностью (540 кг/м³ и меньше-) — ель, сосна, тополь, бальза, пихта, кедр, можжевельник, осина, ива, липа, ольха, каштан;
средней плотности (540…740 кг/м³) — лиственница, берёза, бук, дуб, клён, ясень, орех грецкий, рябина, яблоня, груша, вяз, лещина;
высокой плотности (750 кг/м³ и более+) — акация, граб, берёза железная, дуб, ясень, керуинг, самшит, фисташка.

Сколько килограмм дров в топке.

Зная примерный вес кубического метра дров и объём топки мы можем высчитать её мощность.

Для расчёта нам необходимо понимать, сколько объёма топки будет заполнено дровами, а сколько останется воздуха.

Пример расчёта мощности топки и печи:

Плита варочная кирпичная, без духовки.
Топка этой печи имеет объём 0,05 куб.метра.

Она будет заполнена дровами на 50%, с учётом воздуха между поленьями и т.п.

Получаем 0,025 куб.метра дров в полной загрузке топки.

Взяв среднее значение веса древесины и умножив на объём дров в топке получаем вес одной закладки.

Я считаю берёзу т.к. для меня это наиболее приемлемое топливо.

0,034 * 640 = 16кг.

Теперь мы выяснили сколько килограмм дров в одной топке печи.

Можно приступать к расчёту мощности топки.

Расчёт мощности топки дровяной печи.

Зная вес сжигаемого топлива и удельную теплоту его сгорания высчитываем мощность топки.

Вес дров в одной закладке 16 кг.

Среднее значение теплоты сгорания сухих дров 13000 килоджоулей на килограмм.

16*13000=208000 килоджоулей.

Для удобства переводим килоджоули в киловатты.

1 КДж = 0.00027778 Киловатт.

208000 / 0.00027778 = 57,7 киловатт.

Почти 58 киловатт мощность топки в этой печи, неплохо для такой малышки.

Какая будет мощность у теплоёмкой печи с такой топкой.

Мощность печи рассчитывается исходя из мощности топки и эффективности самой печи.

Например: если предположить что КПД этой печи 70% получим мощность 40,6 квт. за цикл.

Чтобы рассчитать мощность печи в квт.ч. нам необходимо разделить общую мощность на время цикла.

Топочный цикл – всё время от топки до топки печи.

При двукратной топке в сутки цикл длится 12 часов.

40,6 / 12 = 3,38 квт.ч.

Мощность этой печи 3.38 квт.ч неплохой результат для такой малышки.

Формула расчета камина

Камин считать проще, а потому начнем с него. Постулатов всего несколько и запомнить их просто.

Площадь портала (площадь проема открытой каминной топки) должна находиться в пределах 1/65 – 1/80 от площади помещения. Вне зависимости от его высоты. Оптимальным стоит признать соотношение 1/75.

При этом высота трубы любого камина должна быть не ниже, чем 5 метров. При меньшей высоте возможно дымление. А сечение трубы должно быть не менее 1/10 площади портала. Но не менее 1 кирпича. То есть не менее, чем 120х250 мм.

Топку делают глубиной не более 2/3 высоты портала. Над топкой ставят дымосборник, объем которого должен составлять не менее 1/6 от объема топки. Собственно, это все данные для камина с открытой топкой. При соблюдении этих пропорций и размеров камин практически всегда работает без проблем вне зависимости от погоды на улице.

Проблемы с эксплуатацией печи

Если печь не горит, то какие хорошие в ней дрова или уголь не стапливай, дела не будет. Проблема очевидна и заключается в тяге. Стоит только её увеличить, как эффект сразу же заметен. Большинство проблем с эксплуатацией печи, связанны с недостаточной высотой дымохода.

Поэтому в первую очередь, обращаем внимание на то, достаточной ли высоты дымоходная труба. В идеале она должна выступать над кровлей дома, не менее чем на полметра. Хотя здесь все во многом и зависит от того, какое именно расположение имеет строение.

Второй момент, связан с недостаточным утеплением дымохода. Если дымоходная труба плохо утеплена, то печь будет долго разгораться, да и проблем с её эксплуатацией возникнет намного больше. Если дымоход из кирпича, то утеплять его не стоит, разве что оштукатурить глиной, и все. В других же случаях, рекомендуется произвести утепление дымоходной трубы.

Как рассчитать камни

Количество камня, которое размещено на печи, важно рассчитывать, в первую очередь, для русской бани. Именно энергия, накопленная булыжниками, будет использоваться для генерации горячего водяного пара.

Важно! С расчетом количества булыжников у владельцев самодельных бань возникают самые большие сложности. Если выбрать чрезмерный объем камня, он будет долго прогреваться и создавать нагрузку на элементы печи. Если камней мало – в парилке практически невозможно создать комфортные условия для отдыха.

По некоторым алгоритмам расчета, для 5 пользователей бани потребуется забутить целых 250 кг булыжника. Такая цифра неприемлема для большинства владельцев самодельных парилок. Поэтому следует воспользоваться очень старым советом. Он гласит:

на 6 л испаряемой жидкости нужно выбирать 8 кг камня;
на каждый кубометр парилки (с учетом потерь на окна, двери, кирпич) дополнительно добавляется 1.5 кг булыжника.

По среднестатистической оценке, один человек за час в парилке расходует от 0.5 до 0.8 литров воды. Таким образом, для парной на 5 посетителей потребуется испарять 4 литра жидкости ежечасно. Даже если рассчитывать помещение на непрерывное пользование в течение 4-6 часов, суммарные требования по количеству воды нужно уменьшать на треть, так как парная будет проветриваться, а ее посетители делать паузы.

В итоге получается, что камни в бане рационально рассчитывать на испарение около 19 литров воды. Это примерно 40 кг булыжника. Добавив требуемую массу на объем помещения, можно получить достаточно приемлемое количество камня, которое без труда разместится в любой бане.

Дополнительные факторы улучшения отопления в доме

Улучшить отопление дома можно не только доработкой топки и теплосъема. Снизив теплопотери здания, можно добиться более значимых результатов. Установить качественные окна, утеплить перекрытия и стены, поставить систему рециркуляции и рекуперации воздуха порой дешевле, чем переделывать систему отопления.

При усовершенствовании отопления стоит использовать только испытанные способы улучшения сгорания топлива. При этом лучше подсчитать экономию и затраченные на переоборудование средства.

Дощатая подшивка чернового потолка по деревянным балкам

Наиболее подходящий вариант подшивки приходится выбирать, исходя из характеристик здания, способа его утепления, наличия теплого или холодного чердачного помещения, материала стен, влажности атмосферы внутри коробки.

Идеальным вариантом чернового потолка вполне может считаться подбивка деревянных балок перекрытия обычной шалевкой или обрезной доской.

Существует три самых проверенных способа настила:

Креплением длинномерной доски по нижним торцам чернового перекрытия;
Установка досок на черепных планках;
Настил по наружной поверхности деревянных балок.

На первый взгляд, варианты материалов мало чем отличаются, но это не совсем так, есть определенные различия. Прежде чем подшить черновой потолок по балкам, необходимо обратить внимание на устройство чердака и перекрытия.

Настил деревянной рейки по верхней плоскости бруса используется лишь в случае серьезной потребности в увеличении высоты потолочного перекрытия или обустройстве мансардных помещений зимнего типа. В этом случае для уменьшения потерь пол утепляется с дополнительным слоем минеральной ваты над черновой обрешеткой деревянных балок. Вынос лаг из слоя утеплителя снижает потери тепла и значительно улучшает пароизоляцию.

Размеры для дров

Учитывая высокий ствол пламени, специалисты рекомендуют делать топку для дров высотой от 80 см до 1 м. При несоблюдении этих параметров не будет происходить сгорания летучих веществ, в результате чего эти частички будут оседать в дымоходной системе.

Спустя время накопится значительный слой сажи, что приведет к снижению КПД всей печи. Чтобы угли скатывались, необходимо слегка скосить угловые части пода топки, которые непосредственно контактируют с колосниковой решеткой.

Материалы

Материалы из которых изготовлена печь имеют важное значение:

чугунные печи-камины наиболее долговечны и лучше сохраняют тепло. Они конечно не являются накопителями тепла, так как вес их очень мал, но остывают в 2-3 раза дольше стальных печей.
стальные печи с чугунными, керамическими или шамотными вставками в топочной камере. Быстро нагревают помещение и гораздо легче чугунных.
печи из нержавейки. Еще быстрее, чем стальные с футировкой, отдают тепло. Но тепловое излучение от них жесткое. Боятся перегрева, так как нержавейка при высоких температурах сильно деформируется.

Как рассчитать объем топки

Рассчитать печь для бани, которую планируется делать самостоятельно с питанием от электросети, достаточно просто. Нужно получить конечные требования к мощности и затем вычислить необходимое количество ТЭНов по их характеристикам и возможностям проводки.

Однако у владельцев бань часто возникают трудности с определением параметров дровяных печей. Здесь также нет ничего сложного. Достаточно высчитать объем топки, отсека, где будет гореть топливо. Формула расчета проста:

объем вычисляется путем деления показателя требуемой мощности на 0.6 для печи, установленной непосредственно в парилке;
литраж топки равен двукратному значению рассчитанной мощности, если печь стоит в смежном помещении.

Полученная цифра измеряется в литрах. Чтобы примерно оценить габариты топки, из нее нужно извлечь кубический корень и разделить результат на 1000. Так можно получить значение в линейных метрах. Однако это приблизительная оценка. Она покажет сторону кубика без учета вписывания геометрии топки в существующее помещение.

Запас на форсаж

Опытные строители бань и саун рекомендуют увеличивать конечную мощность печи на 10-15% от расчетной. Идея такого действа очень проста. Во-первых, улучшается удобство эксплуатации печи. Ее не нужно прокаливать до предела и постоянно следить за количеством топлива или температурой. Агрегат будет работать не на пиковом уровне мощности, предоставляя определенный диапазон регулировки.

Во-вторых, для бань, посещаемых не постоянно, образуется возможность быстрого прогрева на форсаже. Особенно это важно для строений на загородных участках. Для такой бани, которая зимой способна промерзнуть буквально насквозь, можно принять допуск на уровне 20%. Это позволит оперативнее подготовить помещение и быстрее начать принимать термопроцедуры.

Данные цифры верны для печей дровяного типа. Если используется электрический агрегат, запас по мощности делается всегда. Это может быть допуск в 10-15% для нейтрализации возможных бросков напряжения и разных режимов теплоотбора. Если же есть необходимость в ускоренном прогреве помещения, мощность электрической печи (особенно самодельной) рекомендуется выбирать на 20-25% выше расчетной.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия определяется как отношение числа тепловой энергии, переданное от печи на обогрев помещения к количеству энергии, которую можно получить при полном сжигании топлива, выраженное в процентах.

Понятно, что чем выше КПД печи, тем больше тепла будет поступать в помещение и меньше уходить в дымоход. КПД печей колеблется от 60 до 80%. Высокое КПД это всегда хорошо, но за счет чего она становится таким? Какие новые технологии используются в современных печах, что влияет на высокие показатели КПД и мощности?

Система дожига дымовых газов способствует белее полному сгоранию топлива в печи. Осуществляется дожиг дымовых газов за счет подачи воздуха в разные участки топочной камеры. Из курса химии мы знаем, что катализатором для горения служит кислород. Он то и поступает вместе с воздухом через специальные каналы и дымовые газы, содержащие частички углерода, дожигаются вторично или третично. Поэтому и существует двойная и тройная система дожига дымовых газов. На выходе из печи дымовые газы после дожига становятся более холодными, значит, больше тепла выделилось в помещение, а не в трубу. Чем выше степень дожига дымовых газов, тем выше показатели КПД! Кроме этого, воздух, врываясь в топочную камеру и, воспламеняясь в ней, создает невообразимое огненное шоу,

Качество дров сильно влияет на тепловую эффективность

отопительной печи

. Нужно использовать только сухую древесину и желательи, так и на дымоходе.

При сгорании хвойные породы образуют очень много сажи, которая налипает на стекло и на внутренних стенках трубы. Следовательно, чистить дымоход и стекло придется гораздо чаще. Есть большая вероятность возгорания этой сажи внутри дымохода. Температура возгорания сажи внутри дымохода может достигать 1500 градусов по Цельсию, так как это углерод в чистом виде. Такую температуру дымоход выдержит только минут 15-20, дальше происходит разрушение дымохода и опасность возникновения пожара.

Будьте предельно требовательны к качеству используемого топлива!

Плюсы печного отопления

Печи на дровах быстро нагреваются и распределяют тепло на протяжении долгого времени. От кирпича выделяется лучистая энергия, которая полезна для здоровья. В доме, где установлена печь всегда комфортно и тепло. Благодаря тяге в помещении создается естественная вентиляция. В конструкциях часто устроена варочная поверхность, на которой можно приготовить пищу. Кроме того, на такой печи можно сушить вещи, обувь и продукты.

Комбинированная печь – это устройство, которое имеет несколько функций. Сюда можно отнести печь-камин, отопительно-варочную и русскую печь.

Единственным существенным недостатком является плохой обогрев отдаленных помещений. Именно поэтому всю конструкцию стараются устанавливать по центру дома для равномерной отдачи тепла. В больших домах желательно устанавливать несколько печей, которые имеют объединенный дымоход. Варочную поверхность обычно устанавливают по расположению к кухне.

Отопительное оборудование отличается по внешнему виду и конструкции.

Обычно печь устанавливается между несколькими смежными комнатами, чтобы они все прогревались равномерно Источник pechnoy.guru

Система очистки стекла

Отдельно хотелось бы остановиться на системе очистки стекла. Существует несколько систем:

Очистка стекла холодным воздухом.
Осуществляется через зазор между стеклом и чугунной рамкой печи. Воздух поступает сверху вниз, создавая при этом барьер между очагом воспламенения и стеклом. Недостаток – остаются следы нагара на стекле, которые очень трудно чистить.
Очистка стекла горячим воздухом (CB).
На мой взгляд, самая эффективная система очистки стекла. Воздух в топку подается уже горячим, благодаря двойному корпусу печи. По специальным каналам в двойном корпусе воздух подается на стекло и отсекает сажу от стекла.
Двойное стекло.
Эффект лучше, чем от очистки стекла холодным воздухом, но есть дополнительные трудности при чистке из-за двойных стекол. – пиролизное напыление. Такое напыление на стекле, в виде пленки, защищает стекло от образования на нем сажи. Но оно со временем прогорает и эффект пропадает.

Как правильно выбрать мощность печи для отопления дома