Печное отопление
Конечно, мы все привыкли к централизованному водяному отоплению. Но и в наш век развития техники многие владельцы загородных домов хотят иметь печное отопление и камины. При некоторых определенных условиях печное отопление в загородном доме и на даче является самым оптимальным вариантом.
Во-первых, не во всех регионах имеется магистральный газ и не в каждом дачном поселке проведены линии электропередач. Во-вторых, в отличие от водогрейных котлов печи и камины обычно работают на древесном топливе – самом дешевом виде в европейской части России. В-третьих, печи и камины возводят из простых, доступных и дешевых строительных материалов.
Прежде чем возводить отопительное сооружение, следует решить, что вы выбираете – печь или камин. Конечно, камин эффектнее смотрится, его эксплуатация требует меньше времени и физических усилий. Но это не все критерии, которыми стоит руководствоваться.
Загородные дома, в которых люди живут в теплое время года, можно отапливать каминами и тонкостенными печами. Они быстро разогреваются, но так же быстро и остывают. Поэтому для обогрева большого загородного дома в течение года они не годятся. Для этого нужны толстостенные печи, у которых теплоотдача значительно выше. Они представляют собой довольно сложные устройства, рассчитанные не только на отопление дома, но и на приготовление пищи, нагрев воды и пр.
Классификация бытовых печей
Бытовые печи по своему назначению бывают:
• отопительные;
• отопительно-варочные;
• варочные;
• русские;
• каменки для русской бани.
Самым оптимальным вариантом для загородного дома является отопительная или отопительно-варочная печь. Для обогрева жилых помещений нужна печь с высоким КПД. Если печь правильно сложена и правильно эксплуатируется, то ее КПД составляет 80—85%. Это примерно столько же, сколько у электрообогревателей, и немного больше КПД водяных отопительных приборов. Так, КПД камина составляет только 20—35%.
Рис. 71. Печь, имеющая закрытые поверхности, обращенные в отступки (пространство между печью и стеной): 1 – стена; 2 – теплоизоляционная перегородка; 3 – кладка печи
Наружная поверхность отопительной печи не должна иметь температуру выше 60° С, а в отдельных ее точках – 80—90° С. Она должна нагреваться медленно и долго сохранять тепло. Все это возможно в том случае, когда толщина стенок печи составляет не меньше 1/2 кирпича.
Важным моментом в работе печи является ее теплоотдача. В среднем при одной топке в сутки удельная теплоотдача печи должна равняться 290—350 Вт/м2, а при двух топках – 520—580 Вт/м2. В случае когда печь имеет закрытые поверхности, обращенные к стене дома, то теплоотдачу печи рассчитывают, применяя поправочный коэффициент, равный 0,75—1 (рис. 71). Необходимо учитывать, что в течение суток теплоотдача отопительной печи изменяется, а максимального значения достигает примерно через 1,5—2 ч после начала работы для тонкостенных печей и через 2,5—3 ч для толстостенных.
Через 10 ч печь начнет охлаждаться, температура воздуха в комнате снизится, но станет ровной за счет тепла, отдаваемого нагретыми предметами. При использовании печей с толстыми стенками колебания температуры не так заметны, потому что чем толще стенки, тем дольше печь сохраняет тепло.
В табл. 50 даны параметры теплоотдачи различных бытовых печей.
Таблица 50
Теплоотдача бытовых печей в зависимости от конструкции
Отопительно-варочные печи не только обогревают помещение, также на них можно готовить пищу. Такого рода печи используются в двойном режиме:
– в летнем, когда массив печи не прогревается, а горячие газы от варочной плиты поступают в дымовую трубу;
– в зимнем, когда горячие газы поступают в дымоход печи и отдают свое тепло стенкам.
Проектирование печного отопления
Как правило, для обогрева всего дома одной печи бывает недостаточно, потому что она может обогреть не более трех смежных помещений (рис. 72).
Рис. 72. Оптимальное размещение печи в трехкомнатной квартире
Тем не менее при проектировании печного отопления следует стремиться минимизировать количество отопительных приборов путем рационального их размещения. Необходимо, чтобы соблюдалось правило, согласно которому теплоотдача выходящей в каждое помещение части нагретой печи полностью возмещала бы его тепловые потери (рис. 73).
При проектировании печного отопления для кухни, жилых комнат и подсобных помещений печи необходимо соединить в так называемый тепловой узел. При этом дымоходы должны быть объединены в один кирпичный стояк. Такой вариант позволяет значительно снизить финансовые затраты на возведение печей.
Рис. 73. Варианты размещения отопительных печей: а – в центре или с небольшим смещением от него; б – угловое; в – пристенное с наличием вентиляторов для создания тепловых потоков; 1 – печь; 2 – вентиляторы; 3 – потоки теплого воздуха
Отопительные печи нужно устанавливать у внутренних стен, потому что возведение их у наружных стен создаст дополнительные проблемы и увеличит расходы на постройку дымовых труб. Печь должна стоять открыто и свободно обогревать помещение.
Принцип работы печи
Вне зависимости от конструкции принцип работы печи связан с преобразованием энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и последующей передачей тепла в помещение конвекционным способом.
Печи классифицируют:
• по толщине стенок;
• по способу теплоотдачи;
• по форме;
• по направлению движения дымовых газов. Печи бывают одноэтажные и многоэтажные.
По способу топки они подразделяются на печи периодического, т. е. с прерывистым циклом горения, и непрерывного действия. На рис. 74 дана схема отопительной печи.
Принцип работы печи таков. Кислород, необходимый для горения топлива, поступает в топливник через поддувало, имеющее открытую или полуоткрытую дверцу и сообщающееся с помещением. Топливо сгорает в топочном пространстве, которое в нижней части через колосники сообщается с поддувалом, а в верхней – с системой дымооборотов, отводящих в атмосферу дымовые газы.
Рис. 74. Принципиальная схема отопительной печи: 1 – шанцы; 2 – поддувало; 3 – поддувальная дверка; 4 – колосниковая решетка; 5 – топочная дверка; 6 – под; 7 – топочное пространство (топливник); 8 – хайло; 9 – свод топливника; 10 – тепловоздушная камера; 11 – наружная теплоотдающая поверхность; 12 – дымообороты; 13 – перекрыша; 14 – дымоход; 15 – дымовая задвижка; 16 – внутренние тепловоспринимающие поверхности
При прохождении через систему газоходов или дымооборотов дымовые газы нагревают боковые и заднюю стенки печи, которые излучают большое количество тепла. В табл. 51 указана зависимость коэффициента теплоустойчивости от материалов ограждающих конструкций.
Таблица 51
Зависимость коэффициента теплоустойчивости от материалов ограждающих конструкций
Конструктивные элементы печи
Существует несколько конструкций печей, меняя геометрические размеры и расположение отдельных конструктивных элементов которых, можно добиться максимального использования тепловой энергии.
Фундамент
Этот конструктивный элемент служит основанием для печи и принимает на себя вес печи и дымоходов. От того, насколько правильно построен фундамент, как высока его надежность, зависит безопасность эксплуатации печного оборудования. Результатом любых просадок станут трещины как в массиве печи, так и в дымовых трубах. С появлением трещин в помещение могут проникать дым и искры.
Правильно возведенный фундамент должен брать на себя только вес печи, а не конструкций дома. Поэтому, если требуется поставить печной фундамент близко к фундаменту дома, их не объединяют, а устраивают между ними промежуток в 3—5 см. Промежуток заполняют песком или выполняют двухслойную гидроизоляцию.
В поперечнике фундамент должен быть на 120—150 мм больше самой печи, а его глубина зависит от качества грунта. Фундамент можно строить из бутового камня, обожженного кирпича или бетона (рис. 75, 76).
Для начала дно котлована под фундамент нужно выровнять (обязательно по уровню!). После этого насыпают слой щебня из кирпича или камня и хорошо утрамбовывают. Это будет подошва фундамента. Затем следует подошву пролить жидким цементным раствором.
В случае если возводится кирпичный или каменный фундамент, кладку следует вести правильными рядами, выполняя перевязку швов. Наружные швы кладут на растворе под лопатку, а внутреннюю часть выполняют забутовкой. На верхней площадке фундамента должен быть слой цементного раствора, который следует выровнять правилом с уровнем.
Рис. 75. Сплошные фундаменты для печей: а – фундамент из мелкого камня, гравия и кирпичной щебенки: 1 – пол; 2 – два ряда кирпичной кладки; 3, 6 – гидроизоляция; 4, 7 – выравнивающие слои из цементного раствора; 5 – наружный фундамент из шлакобетона; 8 – фундамент в грунте из кирпичного щебня и гравия; 9 – грунт; б – фундамент из бутового камня и кирпичной кладки: 1 – пол; 2 – кирпичная кладка; 3 – гидроизоляция; 4 – выравнивающий слой; 5 – фундамент; 6 – грунт
Рис. 76. Столбчатый фундамент для печей: а – первый вариант: 1 – пол; 2 – выравнивающий слой; 3 – кладка; 4 – кирпичный щебень и гравий; 5 – гидроизоляция; 6 – грунт; б – второй вариант: 1 – пол; 2 – гидроизоляция; 3 – выравнивающий слой; 4 – железобетонные перемычки или плита; 5 – фундамент в грунте из бутового камня и щебня; 6 – грунт; 7 – столбики из кирпичной кладки
Рис. 77. Устройство колосниковых решеток для различных видов топлива: а – правильная установка колосниковой решетки; б – неправильная установка колосниковой решетки; 1 – топливник; 2 – колосниковая решетка под дрова; 3 – колосник под уголь; 4 – колосник под торф; 5 – дверца топки; 6 – дверца поддувала; 7 – поддувало
Кладка фундамента должна заканчиваться ниже уровня «чистого» пола на 140—150 мм. После этого выполняют гидроизоляцию двумя слоями рубероида, толя или аналогичного материала.
Шанцы и зольниковая камера
Шанцы – это несколько рядов кирпичной кладки, поднимающих печь над фундаментом. Выполняются они обычно в 2—3 ряда кирпичной кладки, которые дают возможность низу печи стать теплоотдающим.
Зольниковая камера, или поддувало, обладает двумя функциями. Первая заключается в подводе в топливник воздуха, необходимого для поддержания процесса горения. Помимо этого, в поддувало проваливается зола из топливника и накапливается в нем. Для того чтобы зола попадала в зольниковую камеру, между ней и топливником монтируется колосниковая решетка. Она представляет собой решетку в виде стальных или чугунных полос с промежутками между ними (рис. 77). Дверца поддувала во время горения топлива должна быть открыта частично или полностью. После окончания топки ее нужно закрыть во избежание утечки теплого воздуха из помещения.
Топливник
Топливник – это камера внутри массива печи, в которой сжигается топливо (рис. 78). Во избежание попадания в помещения искр и пламени топливник оснащен металлической дверкой. Нижняя часть топливника называется «под», а верхняя – «свод». В своде имеется отверстие для выхода дымовых газов, которое называется «хайло».
Размеры топливника должны позволять загружать такое количество топлива, которого бы хватило для нормального разогрева печи. При этом над топливом должно оставаться свободное пространство для сгорания несгоревших в пламени частиц. В целях эффективного и полного сгорания топлива для каждого его вида имеется своя конструкция топливника.
Дровяные или торфяные топливники должны быть довольно большого объема, потому что в этих видах топлива содержится много летучих веществ и при горении они дают высокое пламя. В поде топливника устраиваются скосы – скаты к колосникам. Это делается для того, чтобы зола свободно скатывалась в поддувало. Чтобы угли и зола не выпадали из топочной камеры, ее дверку устанавливают на один ряд кирпичной кладки выше колосников.
Рис. 78. Топливники печи: а – для дров; б – для угля; 1 – топка; 2 – дверка топки; 3 – поддувало; 4 – дымоход; 5 – огнеупорная кладка; 6 – колосниковая решетка; 7 – под; 8 – свод; 9 – хайло
Угольные топливники выкладывают огнеупорным кирпичом, что значительно продляет срок службы печи.
Дымообороты
Дымообороты, или дымовые каналы, рассчитаны на забор тепла. Эффективность работы печи во многом зависит от их размеров и расположения. Дымовые каналы бывают вертикальными, горизонтальными, подъемными и опускными (рис. 79).
Рис. 79. Конструкции малооборотных и многооборотных систем дымовых каналов
Если переход из одного канала в другой выполнен поверху, то его называют перевалом, а переход, выполненный внизу, – подверткой. Проходя по каналам, дымовые газы отдают свое тепло их стенкам, а те, в свою очередь, нагревают саму печь. Для того чтобы дымовые газы отдали как можно больше тепла, обычно увеличивают длину дымооборотов и меняют их направление.
В этом и заключается правильное конструирование печи. Неправильно построенные дымовые каналы значительно уменьшают тягу в печи, а также большое количество тепла в прямом смысле улетает в трубу.
Самыми оптимальными размерами для дымооборотов считаются 130 х 130, 260 х 130, 260 х 260 мм. Независимо от сечения все дымообороты должны отвечать единым требованиям. Их стенки должны быть гладкими и ровными, их нельзя штукатурить, т. к. со временем от воздействия высоких температур штукатурка станет разрушаться и засорять каналы. В дымовых каналах обязательно устраивают специальные дверцы-чистки для того, чтобы можно было удалить накопившуюся сажу.
В зависимости от длины и направления дымовых каналов печи подразделяются на:
• канальные;
• бесканальные и смешанные;
• малооборотные;
• многооборотные.
При малооборотной системе дымовые каналы имеют один подъем и один или несколько спусков, которые соединяются между собой параллельно. В печах с многооборотной системой дымообороты представляют собой последовательно чередующиеся вертикальные и горизонтальные участки.
Дымовые трубы
Данные устройства предназначены для создания тяги, которая создает условия для удаления газов, образующихся при сгорании топлива. Чтобы тяга была хорошей, дымовые трубы выводят за пределы крыши дома (рис. 80). Независимо от каких-либо условий оголовники дымовых труб всегда выводят выше зоны действия дымового подпора.
Рис. 80. Надсадная дымовая труба: 1 – металлический колпак; 2 – оголовок трубы; 3 – шейка трубы; 4 – цементный раствор; 5 – выдра; 6 – кровля; 7 – обрешетка; 8 – стропила; 9 – стояк трубы; 10 – распушка (разделка); 11 – балка с перекрытием; 12 – изоляция; 13 – дымовая задвижка; 14 – шейка печи
В случае если кладка дымовой трубы была выполнена неплотно, в ней остались щели, может возникать подсос воздуха из атмосферы. Такие подсосы оказывают неблагоприятное воздействие на тягу в печи. Снижается температура дымовых газов, что уменьшает гравитационный напор, а также возрастает объем газов, требующий увеличения тяги. Поэтому все неплотности обязательно нужно выявлять и устранять.
Одним из главных условий сохранения нормальной тяги является обеспечение минимальных гидравлических сопротивлений в дымоходе. На уровень этих сопротивлений оказывают влияние форма поперечного сечения и состояние внутренних поверхностей. Оптимальной формой считается круглая, далее идет квадратная и потом – прямоугольная (рис. 81).
Рис. 81. Формы поперечного сечения дымоходов: а – наиболее оптимальная форма дымохода; б – хорошая форма дымохода; в – допустимая форма дымохода; 1 – места отложения сажи
Выбор формы обусловлен тем, что в прямых углах движение газов затруднено и в них часто откладывается сажа. В связи с этим для устройства дымоходов используют асбестоцементные или керамические трубы нужного диаметра. Но круглые трубы довольно трудно состыковать с дымоходом печи, поэтому дымовые трубы, как правило, делают из кирпича. Нужно не забывать, что следует избегать наклонных дымоходов, т. к. в местах поворотов возникает дополнительное сопротивление. Если же поворотов не избежать, то их необходимо выполнять по вертикали. Не стоит строить дымовую трубу большого диаметра, потому что в такой трубе газы будут остывать намного быстрее.
Согласно мнению специалистов, поперечное сечение дымовой трубы должно равняться 1/10—1/12 размера топочного отверстия. Толщина стенки дымовой трубы над крышей должна быть не менее толщины одного кирпича. Самую хорошую тягу обеспечит оголовник, выполненный без завершающих карнизов и выступов. Хорошим подспорьем для усиления тяги станет коньковый навес над оголовником трубы. Его должен свободно обдувать ветер, чтобы дымовые газы интенсивно отсасывались. Для обеспечения пожарной безопасности на оголовнике монтируется искроуловитель, представляющий собой колпак с глухой крышей и проволочной сеткой по бокам. Сетка должна иметь ячейки не более 3 мм.