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.

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.

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.

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.

Как считается отопительная теплоемкая печь

Возвращаемся к расчету печей. Формулы для точного определения габарита отопителя написали еще в середине XIX столетия. Но справиться с ними рядовому пользователю с изрядно подзабытым багажом средней школы нереально.

Поскольку иной раз теряются и выпускники технических вузов. Поэтому были созданы таблицы, учитывающие количество окон, дверей, материала утеплителя, стен, перекрытий, их конструкционные особенности и еще массу параметров, забивать которыми голову рядовому застройщику совершенно необязательно.

Табличные данные дают весьма хорошие результаты по подбору печного габарита, но это довольно объемная брошюра, разобраться в которой тоже непросто. А потому создали упрощенную схему расчета печи, которой, как оказалось, вполне достаточно для бытовых целей.

Формула дает довольно точные данные для печей с одноразовой топкой (один раз в сутки). Если планируется топить печи дважды, то их габарит можно уменьшить. Но не вдвое, как покажется, а не более как на 40%.

Отсюда простой вывод: лучше ориентироваться все же на одну топку в сутки, поскольку топка дважды в день требует дров в два раза больше, но такого же двойного выигрыша в теплоотдаче печи не будет и в целом КПД системы отопления уменьшится.

Переходим к цифрам. Один кубометр жилого объема в среднем теряет в час 21 ккал. Соответственно, для определения теплопотерь достаточно объем отапливаемого помещения умножить на 21.

Но здесь есть нюанс. Вне зависимости от материала стен и перекрытий, объем следует считать по внешнему габариту помещения, а не по внутреннему.

Проще говоря, если у нас в активе комната 4х5 метров с высотой потолков 2,5 метра, то объем, принимаемый за искомый будет не 50 (4х5х2,5) кубометров, а несколько больший – следует прибавлять к чистовым габаритам еще и толщину стен или перекрытий. И, если толщина стен в этом доме 0,25 метра, то площадь будет не 4х5=20 кв. метров, а 4,5х5,5=25 кв. метров. Как и высота уже не 2,5 метра, а 3,0 метра (потолок и пол по 25 см – величина взята условная для иллюстративного примера).

Соответственно, объем, с которого считываем теплопотери, будет не 50, а 75 кубометров. Разница, согласитесь, значительная.

Умножив полученное значение на 21, получаем ежечасные теплопотери помещения. В данном конкретном примере это 1575 ккал/час.

Теперь требуется подобрать печь, которая способна компенсировать вышеуказанные теплопотери. А это уже напрямую зависит от активной площади печи – то есть той внешней поверхности, которая участвует в нагреве.

Здесь важно учитывать только внешние стенки печи, за которыми проходят тепловые каналы (дымообороты) или расположена топка. Если у печи есть плита, над которой имеется варочная камера, сформированная кирпичной кладкой, внутри которой нет каналов отбора тепла от топливных газов (типичная печь-шведка – как пример), то этот участок поверхности нельзя принимать за активный.

Один квадратный метр активной площади печи при одноразовой суточной топке выдает 300 ккал.

Соответственно, для нашей условной комнаты потребуется печь с прогреваемой поверхностью 1575/300=5,25 м 2 .

То есть, если предположить, что основание нашей печи составляет 2х3 кирпича 0,51х0,77 м (что не обязательно, конечно же – просто для наглядности примера), то высота такой печи должна быть примерно 5,25/(0,51х2+0,77х2)=2,1 м, без учета той части поверхности, где печь не греется (обычно в чисто отопительной печи это около 20 см от пола).

Если рассматривать типовые отопительные печи, то под данные параметры подходит ПТО-2300 с площадью теплоотдающих поверхностей 5,5 м 2 .

В принципе, значения теплоотдачи печи могут немного отличаться от полученных оптимальных теоретических цифр.

Точного соответствия не требуется. Вполне допустим дефицит тепловой мощности в 5% или ее избыток в 10%.

При превышении этих допусков ухудшится тепловой комфорт в помещении и сократится ресурс печи (при недостатке мощности придется ее регулярно перегревать, перетапливать).

Так же важно учитывать, что расчет этот верен для неотделанных кирпичных печей или покрытых штукатуркой. Если печь изразцовая, то она будет отличаться большей теплоемкостью, но меньшей теплоотдачей – примерно на 10%, что стоит учитывать заранее.

Изразцы, как ни странно, снижают теплоотдачу печи. Но зато резко увеличивают ее декоративные и гигиенические свойства, поскольку исключают пригорание пыли на поверхности и делают возможной влажную уборку.

Какую печь с водяным контуром выбрать – кирпичную или металлическую

В прошлом веке частные одноэтажные жилища зачастую обогревались дровяной печкой, совмещенной с регистрами (батареями) самотечной системы. Внутри отопителя ставился железный бак – котел с водой, нагреваемой пламенем топки. Данная схема сохраняет привлекательность благодаря энергонезависимости и нетребовательности к качеству твердого топлива. Наша задача – помочь хозяину выбрать печь для дома с водяным отоплением, рассказать о трудностях подключения и эксплуатации.

Печи с водяным контуром – 3 разновидности

Для реализации печного обогрева, совмещенного с радиаторной системой частного дома, применяется 3 вида печей с водяным контуром:

• металлические – стальные и чугунные буржуйки со встроенным змеевиком под нагрев теплоносителя;
• каминные топки с теплообменником – водяной рубашкой;
• отопительные и варочные печи из кирпича со встроенным котлом.

Примечание. Буржуйки для бань, оборудованные баком и змеевиком, конструктивно похожи на перечисленные агрегаты. Приспособить банную печку для нужд парового отопления теоретически возможно, но чересчур хлопотно и неудобно с точки зрения эксплуатации.

Сюда же стоит причислить альтернативный вариант — стальные отопители на дровах, изготовленные своими руками. Подобные изделия заслуживают внимания, поскольку не уступают заводским по надежности и теплоотдаче, зато обходятся гораздо дешевле. Внешний вид буржуйки не всегда играет важную роль.

Предлагаем рассмотреть печки каждой группы отдельно, заостряя внимание на недостатках и достоинствах, важных для домовладельца.

Недостатки металлических буржуек

В дровяных печах заводского изготовления теплоноситель подогревается тремя способами:

1. В верхней зоне топливника либо рядом с выходом дымовых газов установлен водотрубный теплообменник.
2. Одна из стенок камеры сгорания (верхняя или боковая) контактирует с водяной прослойкой, напоминающей рубашку твердотопливного котла.
3. Несколько труб с теплоносителем огибают полукруглые стенки топливника. Снизу и сверху концы сварены в общие коллекторы, как показано на чертеже.

Модификация конвективного обогревателя «Бренеран» (аналог хорошо известного «Булерьяна») с водотрубным теплообменником

Справка. Пример изделия с частичной водяной рубашкой — печь для отопления дома «Термофор Гидравлик», с боковыми трубами – переделанные конвекционные отопители «Бренеран – Акватэн».

Производители зачастую снабжают печки дополнительным нагревателем – ТЭНом мощностью 1…15 кВт. Цель – поддержать температуру теплоносителя и воздуха в частном доме после выгорания порции твердого топлива. Некоторые модели оборудованы варочной панелью на 1—2 конфорки.

Реальное преимущество металлических отопительных агрегатов – низкая стоимость изделия и быстрота монтажа по сравнению с кладкой кирпичной печи. Пример: цена отопителя «Бренеран – Акватэн» мощностью 3.5 кВт — приблизительно 270 у. е. (без дымохода). При монтаже буржуйки своими руками вы потратите еще 50—100 у. е. на материалы, используемые для установки и обвязки.

Серия отопителей «Гидравлик» известного бренда «Термофор» оснащается водяной рубашкой и трубами, опоясывающими топку

Замечание. Стоимость дымоходной трубы, необходимой для любой печки, не учитывается. Цена сильно зависит от высоты подъема, конструкции канала и схемы прокладки.

Теперь разберемся с недостатками:

• что бы ни утверждали производители и продавцы, максимальный КПД воздушно-водяных печей на дровах и угле составляет 60%;
• агрегат одинаково быстро нагревается и остывает;
• теплообменника обычно хватает на обогрев 2—3 небольших комнат (по 1 радиатору в каждой);
• водяному контуру жизненно необходима система циркуляции.

Непросто сохранять чистоту и красоту возле печки, служащей основным источником тепла в доме

Разъясним последний пункт. Если течение воды через змеевик прекратится, элемент перегреется. Сначала теплоноситель закипит, потом испарится и разорвет ближайшее слабое соединение. Позже теплообменник прогорит и окончательно выйдет из строя.

Справедливости ради упомянем вопрос эстетики. Постоянно используя буржуйку для отопления жилища, вы не получите красивой картинки, которую любят показывать производители на фото. Печка довольно быстро загрязнится, в помещении появится древесная и угольная пыль, запах дыма.

Каминные топки — плюсы и минусы

Прямоугольная печь с водяным контуром, изготовленная в виде камина, конструктивно гораздо ближе к ТТ-котлу. Боковые стенки топливной камеры омываются теплоносителем, лицевая и верхняя часть подогревает воздух помещения. Днище получает мало теплоты, поэтому в расчет не принимается.

Позитивные стороны каминных топок, оснащенных водяной теплообменной рубашкой:

• эффективность сжигания топлива – до 70%;
• приемлемая стоимость (сравнительно с кирпичными сооружениями);
• простой и быстрый монтаж;
• печь–камин, оборудованный прозрачной дверцей, отлично впишется в интерьер жилой комнаты.

Справка. Каминная водяная топка «Термофор Аквариус» с теплоотдачей 12 кВт обойдется в 530 у. е. Дополнительные затраты оценить сложно, их величина зависит от способа декоративного оформления камина. Бюджетный вариант: помещаете отопитель на прочное основание, подключаете к радиаторной сети, а отделку выполняете самостоятельно либо откладываете на потом.

Минусы металлических топок сходны с недостатками печей:

• камин быстро разогревается и охлаждается, нуждается в непрерывной циркуляции теплоносителя;
• обеспечивает теплом ограниченное число батарей;
• из-за перепада температур на внутренних стенках образуется конденсат и откладывается сажевый налет;
• полное сходство с натуральным камином достигается за счет оформления – декоративной кирпичной кладки либо гипсокартонной обшивки.

Используя каминную топку в качестве основного источника тепловой энергии, не рассчитывайте на длительное горение с 1 закладки. Пример: полезный объем камеры сгорания вышеупомянутого «Аквариуса» — всего 62 литра, но полностью забить топливник дровами не получится. Придется подкидывать поленья каждые 3—4 часа.

Со временем стенки топливника покрываются сажевым налетом, а панорамное стекло – копотью

Примечание. Большинство стальных печей страдает аналогичным недостатком – в режиме интенсивного горения только успевай подбрасывать дровишки.

Сильные и слабые стороны кирпичных отопителей

Теплообменники устанавливаются внутрь печки двумя способами – в топливнике либо газоходе, на пути раскаленных продуктов горения. Каждый вариант отличается своими нюансами:

• котел в камере сгорания быстро прогревается под воздействием пламени, но образует конденсат и сажу на стенках;
• в случае закипания и образования пара бак может разорваться прямо в топливнике и развалить кирпичную кладку;
• теплообменник внутри дымооборотов гораздо безопаснее, но греется медленнее, поскольку получает меньше тепла.

Справка. Змеевик, помещенный в газоход, должен иметь вдвое большую теплообменную площадь, нежели сравнимый по мощности котел в топке.

Главный недостаток любого кирпичного отопителя – высокая стоимость материалов и кладочных работ. Предположим, вы решите сэкономить и сложить печку самостоятельно. Здесь потребуется опыт, время и техническая возможность — начинать строительство посреди обжитого дома непросто. Оптимальный вариант – закладывать фундамент и печь на этапе возведения стен.

За что же ценятся каменные печки со встроенным теплообменником:

• срок службы несравнимо больше любого теплогенератора – минимум 50 лет;
• способность накапливать тепло, долго обогревать смежные помещения после затухания;
• максимальный КПД – 70…75%;
• в натопленной печи хорошо выгорает сажа, образующаяся на стенках бака и в дымоходе;
• некоторые печки из кирпича – канальная «голландка», «шведка», колпаковая конструкция Кузнецова – могут спокойно отапливать двухэтажный дом.

Интересный факт. Секцию водонагревателя можно добавить в любую печку из кирпича. Толковые мастера–печники знают, как изменить схему и порядовки для установки теплообменного водяного регистра.

Советы по выбору печи

Рекомендация номер один: для нагрева теплоносителя в сети водяного отопления используйте твердотопливный котел. Если необходимо, купите модель длительного горения с объемом загрузочной камеры более 100 литров. Современные ТТ-котлы направляют 75—80% энергии сжигания на разогрев воды и почти не поднимают температуру окружающего воздуха.

Если в силу разных причин вы хотите ставить печь с теплообменником, прислушайтесь к следующим советам:

1. Чугунная или стальная буржуйка хорошо подойдет для небольшой дачи площадью 40—80 м². Отопителя хватит на конвекционный обогрев центральной комнаты, в соседних помещениях расположите батареи.
2. Каминная топка либо железная печка, оснащенная панорамным стеклом, станет удачным украшением гостиной. Одно условие: применяйте изделие в качестве дополнительного источника тепла, а основную нагрузку возложите на газовый либо дровяной теплогенератор. Тогда удастся сохранить чистоту и порядок возле буржуйки.

Пример схемы совместного подключения камина, газового двухконтурного котла и радиаторного отопления

На этапе строительства дома однозначно закладывайте печь из кирпича. Это лучший вариант по сравнению с железными отопителями.

Теоретически мощности каминной топки хватит на отопление квадратуры 100—120 м². Практика показывает: без помощи второго теплогенератора ее придется загружать дровами с интервалом 3—4 часа. Поэтому рассчитывайте на меньшую площадь обогрева.

Важный момент. Все дровяные отопители, оборудованные водным контуром, объединяет одна особенность: из-за интенсивного отбора теплоты поверхности регистра и стенки дымохода обильно покрываются сажей. Единственный выход – топить печку на максимуме, дабы сажевый налет выгорал от высокой температуры. Поддерживать такой режим не всегда удобно.

Как подобрать конструкцию и рассчитать площадь теплообменника в кирпичном варианте печи:

1. Если регистр находится внутри топливника, 1 м² его площади способен передать воде до 10 кВт теплоты. Пример: нужно обогреть помещения 80 квадратов – потребуется около 8 кВт энергии и поверхность теплообмена 0.8 м².
2. Змеевик в дымоходном канале не столь эффективен. Рассчитывайте на теплоотдачу 400—500 Вт с 1 м² регистра.
3. Для удобства чистки котел лучше сделать плоским – в виде бака с подводящими патрубками. Ребристые конструкции из круглых трубопроводов очищать тяжелее. Для монтажа внутри газохода сварите регистр из профильных труб.
4. Материал теплообменника – низкоуглеродистая сталь марки Ст10…Ст20 толщиной 4—5 мм. Допускается применять жаростойкую и нержавеющую сталь 2—4 мм, но ее нужно варить в среде инертного газа — аргона.
5. Использовать готовые чугунные батареи категорически не рекомендуется. Причины: металл дает трещины от температурного шока, а уплотнение между секциями со временем выгорит, появится течь.

Совет. Не завышайте теплообменную площадь контура «про запас». Тело печи получит гораздо меньше теплоты, а вода в регистре может перегреваться и кипеть. Не закладывайте в дымоход трубы из гофрированной нержавейки – ее реальную площадь и качество изготовления определить сложно.

Домашние умельцы постоянно выдвигают различные идеи по усовершенствованию отопителей. Заслуживает внимания вариант со стальными плоскими батареями, применяемыми в качестве печных водонагревателей. Обзор мастера смотрите на видео:

Схемы подключения теплообменника

В рамках данной публикации мы не станем описывать способы изготовления печек, а сразу перейдем к обвязке. Если вы желаете самостоятельно сделать водонагревательную печь, рекомендуем ознакомиться с отдельными руководствами:

• самодельный обогреватель для гаража на твердом топливе и отработке;
• инструкция по каминной и печной кладке;
• схема и порядовка варочной плиты с водяным котлом.

Если вы приобрели заводскую печь с теплообменником, внимательно изучите прилагаемую инструкцию. В документации всегда указаны диаметры патрубков и способы соединения водяного контура с отопительными приборами. Обычно применяется 2 схемы:

1. Открытая система с гравитационным (конвективным) течением теплоносителя.
2. Радиаторная сеть закрытого типа с принудительным движением воды от насоса.

Использовать в данной схеме циркуляционный насос не обязательно, но принудительное движение воды заметно ускоряет прогрев

Примечание. В самотечных схемах нередко используются циркуляционные насосы, установленные на байпасе. Цель – уменьшить перепад температур между подачей и обраткой, повысив скорость теплоносителя и эффективность нагрева. При отсутствии электроэнергии система продолжит работу в гравитационном режиме.

Самотек организуется за счет увеличения диаметров магистралей и уклонов горизонтальных участков. Минимальное сечение разводящего коллектора при гравитационной схеме – 32 мм (дюйм с четвертью), величина наклона – 3…5 мм на 1 погонный метр. Открытый расширительный бак стоит в верхней точке, туда уходит весь воздух, попадающий в систему.

Группа безопасности на подаче условно не показана, но она должна присутствовать обязательно

При закрытой схеме, показанной выше на рисунке, теплоноситель находится под давлением (минимум 1 Бар «на холодную») и движется под напором насоса. Мембранный расширительный бачок располагается в нижней точке и подключается к обратной магистрали через отсекающий кран. Обязателен монтаж группы безопасности с воздухоотводчиком, манометром и сбросным клапаном.

Совет по выбору схемы. Покупая печь для дома с водяным отоплением, домовладелец, очевидно, рассчитывает на автономную работу системы. Отсюда вывод: для совместной работы с водогрейной печью лучше всего подойдет самотечная схема. После отключения света циркуляция в контуре не прекратится и теплообменник не прогорит.

Заключение

Вариант объединения водяных отопительных систем с печами нельзя назвать идеальным. Более того, мы настоятельно рекомендуем избегать подобных схем и устанавливать нормальные котлы. Исключение – особые обстоятельства и условия проживания, например, перебои с электроэнергией либо покупка готового дома с дровяной печкой, куда уже встроен водогрейный контур.