Методика расчёта отопительной печи и камина

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.

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.

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.

Старинная печь, покрытая изразцом

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 .

Типовая отопительная печь ПТО-2300 с площадью теплоотдающей поверхности 5,5 кв. м

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.

Как рассчитать размеры печи и выбрать для нее место в дачном доме

У дачного печного отопления есть особенности, которые стоит учитывать при проектировании и строительстве. Часто все сводится к попыткам сократить общую стоимость и ускорить прогрев помещения при возобновлении эксплуатации после длительного перерыва. Поэтому эпизодичность, прерывистость работы — почти постоянный спутник дачной печи. То есть важно найти такую конструкцию, где бы сочетались малая тепловая инерционность, большая теплоемкость и максимальная универсальность применения — редко какие дачные печи работают только как отопительные: обычно хозяева стараются «прилепить» к ним плиту, камин или еще какой-либо функциональный бонус.

С учетом этого аспекта и строится обзор печных конструкций в книге Ильи Полякова «Печи для дачи своими руками», главы из которой мы предлагаем вашему вниманию в серии «Мастер своего дела».

Трудности компоновки: пропорции и расчеты

Не все дачные застройщики представляют, насколько важно подобрать печь, способную поддерживать комфортную температуру в доме. Многим кажется, что достаточно чуть-чуть подогреть помещение во времена межсезонья. А зимой вообще не посещать дачу. Зато экономия на затратах. На деле выходит так, что рано или поздно возникает потребность нагреть дом в глухозимье, но ресурсов на это не предусмотрено первоначальным проектом.

Рано или поздно у каждого дачника возникает потребность нагреть дом в сильные морозы

Попытки обойтись наличными ресурсами всегда приводят к одному результату — перегреву печи и растрескиванию кладки. Поэтому для дачи или загородного дома лучше проектировать что-то более серьезное, позволяющее круглогодичное проживание. Просто стоит учитывать, что возможен длительный перерыв в работе и промерзание дома. А отсюда вытекает основное требование к дачной печи: никаких контуров с водой в качестве теплоносителя и максимум внимания к ускорению прогрева. Контур с водой — это печь, которая работает как котел, такой гибрид котла и печки. Ерунда редкая. И как печь не очень, и в котельной как в бане. Объем контура большой — сливать муторно и хлопотно при перерыве.

Рассчитываем габариты

Стоит заметить, что любая печь окажется бесполезной, если помещение не утеплено и продувается со всех сторон. Но даже хорошо утепленный дом допускает теплопотери, поэтому задача печного отопления — не растопить снег вокруг здания, а компенсировать потерю калорий.

Нельзя надеяться, что путем каких-то хитрых инженерно-технических решений получится создать некую компактную конструкцию, работающую по периодическому принципу, способную согреть концертный зал. Нельзя одним нагретым кирпичом нагреть квартиру. Поддон кирпича уже согреет комнату. Стопа тысячи в полторы — квартиру. К сожалению, истории о небольшой печурке, выделяющей тепла на уровне ядерного реактора, не более чем миф. Физику пока никому обмануть не получилось.

Как бы ни хотелось, согреть большой дом с помощью крошечной печурки не получится

Поэтому первый пункт, которого нельзя избежать при проектировании печного отопления, — определение теплопотерь дома. Точнее, того помещения (или нескольких), которое планируется нагреть до комфортного для проживания уровня.

Технология эта довольно сложная и учитывает массу факторов: особенности конструкции дома, эффективность утепления стен и перекрытий, качество остекления. Для облегчения процедуры давно получен серьезный объем табличных данных, но все же для домашнего употребления эта механика излишне громоздкая.

На практике достаточно простого упрощенного метода, основанного на усредненных данных. Для расчета достаточно знать внешние габариты помещения. Кубометр объема жилого помещения зимой теряет в среднем 21 ккал/час. Поэтому достаточно высчитать объем комнаты в кубических метрах и умножить полученную цифру на 21.

Одна тонкость: считать объем помещения требуется по внешнему периметру. Это и будут теплопотери, которые требуется возместить печным отоплением. Полученную цифру несложно перевести в иные единицы, принятые в теплотехнике. Все предельно просто: 1 ккал равна 4,19 кДж, а 1 ккал/ч соответствует 1,16 Вт. Если будет установлена покупная металлическая или каменная печь, то ее мощность, как правило, указана в паспорте. Следовательно, паспортная мощность должна соответствовать потерям мощности или превосходить их.

• Один квадратный метр активной поверхности печи выделяет 300 ккал/час. Следовательно, делим теплопотери помещения на 300 и получаем площадь активной поверхности печи.
• Если высоту принять за два метра, а печь в плане квадратная, то совсем просто. Делим полученную площадь на 8 (четыре стены плюс высота) и в остатке имеем длину основания печи. Это размер печи, необходимый для обогрева при одной ежедневной топке.
• Если планируется топить печь дважды — утром и вечером, — то такой режим увеличивает теплоотдачу в 1,4 раза. Этим можно воспользоваться при проектировании, слегка уменьшив габариты печи.

Выбираем место

Дальнейший вопрос — куда всю эту красоту поставить. Печь — она как мебельный гарнитур, который потом невозможно переставить. А потому штатное место должно быть определено сразу и как можно точнее. Наиболее логичное (на первый взгляд неискушенного человека) место для печи, как достаточно габаритного предмета обстановки, где-то в углу — как у холодильника. Но беда в том, что в таком случае из процесса обогрева исключаются одна или две стены печи.

Любопытно, что русскую печь ставили в угол или к одной стене. Хотя в литературе встречаются твердые уверения, что русская печь занимала центр помещения, на практике такие безумия не встречаются.

Русскую печь ставили в угол или к одной стене: уж очень габаритный предмет

Русскую печь старались отодвинуть куда-нибудь на периферию домашней ойкумены. Но тут простая мотивация — уж очень габаритный предмет. Поэтому если печь и ставят ближе к стенке, то стремятся отступить от стены примерно на четверть метра — для обеспечения нормальной естественной конвекции. Хотя в таком случае стены печи, обращенные к стенам дома, теряют примерно пятую часть тепла.

Идеальное место для печки — в центре комнаты. Что не всегда возможно из соображений эргономики.

Идеальное место для печки — в центре комнаты

Можно разместить печь по центру помещения, разделенного перегородками. И тогда каждую из комнат, образованных перегородками, получится обогреть одной из стенок печи. Для выравнивания нагрева можно снабдить отступки, отделяющие печь от перегородок, вентиляционными решетками. По две на каждую отступку — у пола и потолка.

Определение размеров печей на конкретных примерах

Размеры печей определяют или их подбирают на основании расчета теплопотерь отапливаемых помещений. Точный расчет теплопотерь сложен и его выполняют по специальному методу и имеющимся нормам. Которые предусматривают, что теплоотдача печи при двух топках в сутки может быть на 15% больше или меньше теплопотерь помещения.

При расчете отопления необходимо знать теплопотери всех видов конструкций дома: стен, дверей, оконных проемов, перекрытий, материалов, из которых сделаны стены, высоту, наружную температуру воздуха и пр. При неправильном расчете или выборе печи она будет ил много выделять тепла или наоборот. Правильно выбранная печь должна соответствовать средней часовой теплоотдаче и такой же часовой теплопотере. Таким образом, количество теряемого помещением тепла должно соответственно возмещаться теплом, выделенным печью.

Способы определения размеров печей

Рассмотрим самые простейшие и приближенные способы определения размеров печей на конкретных примерах.

Пример 1

Зеркало печи, выходящей в отступку, дает в 2 раза меньше тепла, щитки от плиты — в 1,5 раза меньше, чем печи, поэтому их поверхность должна быть в 2 — 2,5 раза больше указанных данных.

Пример 2

В этом расчете печи подбирают по кубатуре здания, которую определяют по наружному периметру с последующим умножением на 21. Это число является количеством тепла в килокалориях, требуемых для обогрева 1 куб. м здания до температуры плюс 18º С и при наружной температуре воздуха до минус 30º С.

По вышеприведенным данным находят потребную теплоотдачу печи.

В нашем случае имеется дом размером по наружному обмеру 6,6X7,4 м, высота помещения 3 м. Стены кирпичные, толщиной 540 мм. В ломе имеются две жилые комнаты 1,2, кухня 3 и прихожая 4 (рис. 1).

Рисунок 1. Установка печей в комнатах дома и их подбор на теплоотдачу

Рассмотрим подбор печи для кухни и прихожей:

• объем кухни 54,39 куб. м. (3,7X4,0X3,0)
• объем прихожей 18,87 куб. м. (3,7X1,7X3,0)
• Всего 73,26 куб. м.

Рассчитаем теплоотдачу печи: 73,26X21=1538 ккал/ч.

Каждый квадратный метр зеркала печи излучает в среднем 300 ккал/ч. Для определения площади нагрева печи необходи­мо 1538 ккал/ч разделить на 300, получаем 5,1 кв. м. Эту циф­ру можно округлить до 5 кв. м или повысить до 5,2—5,4 кв. м.

Чтобы найти размеры печи, следует имеющуюся площадь зеркал печи разделить на активную высоту печи, то есть ту высо­ту, которая нагревается. В данном случае она равняется 2,2 м. После деления площади зеркала печи на ее высоту получаем периметр печи 5,1: 2,2=2,3 м (округленно 2,5 м).

Полученный периметр печи делим на два и получаем две стороны печи, то есть длину и ширину, вместе взятые они бу­дут равны 1,15 м (2,3:2). Если ширина печи 510 мм, то ее дли­на должна быть 640 мм, а в плане 510×640 мм.

Таким образом, воспользовавшись этим примером, можно подобрать размер, печи для любого помещения. Необходимо указать, что кроме печи в кухне имеется плита, которая может выделять при двух топках в сутки от 600 до 900 ккал/ч.

Конечно, вместо печи можно поставить к плите отопитель­ный щиток, работающий от плиты, выделяя до 1200 ккал/ч. Имеются щитки с плитой и с отдельной топкой, тогда их тепло­отдача еще выше.

Если печь ставят в районах, где наружная температура в зимнее время достигает минус 50°С, можно рассчитать размер печи по третьему примеру.

Пример 3

Рассмотрены дома из разных материалов с раз­личной минусовой температурой. Как было сказано выше, рас­четы теплопотерь помещением весьма сложны и в данном слу­чае они даются приближенно.

Из данных таблицы 2 видно, что теплопотери стен при раз­личной температуре неодинаковы.

Поэтому при расчетах (свыше — 31°С) на каждые два гра­дуса прибавляются три единицы.

Таблица 2. Удельные теплопотери для основных охлаждающихся поверхностей в жилых зданиях

Первый этаж и одноэтажные зда­ния:

Первый этаж и одноэтажные зда­ния:

Первый этаж и одноэтажные зда­ния:

Первый этаж и одноэтажные зда­ния:

Примечание к таблице. При определении теплопотерь через поверхности, выходящие в неотапливаемые помещения, количество тепла, приведенное в таблице, умножают на 0,7, если последние выходят наружу (неотапливаемые лестничные клетки), и на 0,4, если неотапливаемые помещения не имеют указанного сообщения.

Если при этом теплоотдача печи и будет немного выше, то в этом нет большой ошибки.
Следует напомнить, что в примере подбора печей по этой таблице опущена проверка на амплитуду колебания и другие данные.

Пример 4

Рассмотрим способ определения тепловых по­терь и подбор печи для одноэтажного рубленого дома из бре­вен толщиной 25 см, с односторонней штукатуркой, деревянны­ми перегородками, оштукатуренными с двух сторон, с полом, утепленным над подвалом, окном из двух остекленных пере­плетов (двойное остекление). Комната угловая площадью 9 кв. м. Внутренний размер комнаты: высота — 3 м, длина каж­дой стены — 3, ширина окна—1, высота его—1,7 м.

Удельные теплопотери на 1 кв. м поверхности, согласно данным таблицы, составят в данном случае: для деревянной стены рубленой толщиной 25 см, оштукатуренной в угловых помещениях,— 52 ккал/ч на 1 кв. м, для окна с двойным осте­клением— 100 ккал/ч на 1 кв. м, для чердачного перекрытия (потолка) — 26 ккал/ч на 1 кв. м, для утепленного пола—» 19 ккал/ч на 1 кв. м.

• наружные стены (две) — (3,0+3,0)X3,0—1,7=16,3 кв. м.
• пол — 3,0X3,0 = 9,0 кв. м.
• потолок — 3,0X3,0 = 9,0 кв. м.
• окно — 1,0X1,7= 1,7 кв. м.

Общие теплопотери комнаты составят, ккал/ч:

• через наружные стены — 16,3X52 = 848;
• через пол — 9,0X19,0 = 171;
• через потолок — 9,0X26 = 234;
• через окно — 1,7X100 = 170;
• Всего — 1423.

Для такого расхода тепла нужна печь с теплоотдачей 1500 ккал/ч или несколько большая. Может быть принята печь отопительная, прямоугольная оштукатуренная, размером 510Х770 мм, с теплоотдачей при двух топках в сутки 1760 ккал/ч (см. соответствующий раздел). Если эта печь будет отстоять всеми своими стенками от стены или перегородки и они будут полностью отдавать тепло, то она несколько больше допусти­мых процентов, указанных в нормах. Когда одна стенка или бу­дет выходить в другое помещение (комнату), или же иметь не­большую отступку от перегородки, то печь полностью отвечает расчету. Напоминаем, что у этой печи передняя и задняя стен­ки выделяют по 340 ккал/ч, а левая и правая — по 540 ккал/ч.

Источник https://remsovet.com/146-raschet-pechi-i-kamina.html

Источник https://7dach.ru/izdatelstvo_AST/kak-rasschitat-razmery-pechi-i-vybrat-dlya-nee-mesto-v-dachnom-dome-260267.html

Источник https://arxipedia.ru/kladka-pechej/opredelenie-razmerov-pechej.html