Расчет теплоотдачи кирпичной печи для жилого и нежилого помещения

В соседней статье по выбору печи для дома или дачи, была затронута тема по расчету теплоотдачи самой печи, но как определить, какого размера, а точнее говоря мощности необходима печь в вашем доме и какая температура является комфортной? Каждому человеку комфортна своя окружающая среда, кому-то нравится тепло, а кого-то бодрит легкая прохлада. Такая разница может зависеть от проживания в разных климатических условиях и от степени закалки человека. Комфортная температура окружающей среды имеет некоторый диапазон с минимальным и максимальным значением, при которых человеческий организм не будет испытывать перегрева, или переохлаждения.

Значения комфортного микроклимата окружающей среды могут зависеть и от назначения помещения, ведь кроме жилого дома, отопление может понадобиться и для рабочих помещений или питомников. Когда человек занимается физическим трудом, то в его организме происходит теплоотдача и чем тяжелее выполняется работа, тем больше эта теплоотдача и комфортная температура окружающей среды становится ниже, чем в состоянии покоя.

Все эти моменты конечно же изучаются различными учёными, а затем результаты конспектируются и таким образом рождаются не только научные книги, но и СНиПы с ГОСТами, к которым мы в первую очередь обращаемся при проектировании и постройке того, или иного строения. Поэтому рассмотрим и мы, необходимые нам нормативы, которые обсуждали уже в статье "СНиП к печи и дымоходам", а именно, обратимся к действующим на сегодня СНиП 41-01-2003, в которых имеется отсылка (п.5) на ГОСТ 30494, где оговариваются интересующие нас детали для жилых помещений, а для изучения микроклимата в производственных помещениях, мы можем обратиться к ГОСТ 12.1.005-88. Таким образом мы выяснили, что для жилых помещений комфортная температура воздуха в холодный период времени t_в = 18-23^oC (кладовые, ванные комнаты и лестничные площадки не станем учитывать), а для нежилых помещений ГОСТ 12.1.005-88 указывает на t_в=16-24^oC, в зависимости от категории работ и назначения нежилого помещения. При подсчётах теплопотерь помещения, должно учитываться очень много различных параметров, которые впоследствии суммируются. Важно учитывать не только теплопотери проёмов, но и уровни теплопотерь наружных ограждений (это не только стены, но и полы с потолком), одни из которых могут граничить с наружным воздухом, а другие с холодными помещениями (чердак, подвал, подполье и т.п.). Таким образом теплопотери помещений делят на зоны (по 2 метра шириной вдоль наружных ограждений), площади которых в итоге высчитывают и подставляют в формулу по расчету теплопотерь ограждений помещения, после чего результаты теплопотерь каждой зоны суммируются.

Сама формула выглядит следующим образом:

Q_огр F/R_огр (t_в-t_н)(1+∑β_i)n = kF(t_в-t_н)ψn

, где Q_огр - теплопотери ограждающей конструкции помещения

F - площадь ограждающей конструкции, м²

R_огр - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, (м²·K)/Вт

k = 1/R_огр - коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м²·К)

t_в - расчетная температура воздуха в помещении, ^oC

t_н - температура наружного воздуха, определяется в СП 131.13330.2012, а в случае связи ограждаждений с холодными (неотапливаемыми) помещениями, рассчитывают по балансу теплоты, поступающей в неотапливаемое помещение и теряемой через его ограждения. Для этого имеется соответствующая формула, но не хочется вас сильно запутывать в новых коэффициентах, поэтому не будем её расписывать (кому интересно, см. стр. 42 в учебнике Свистунова, источник в конце статьи).

ψ=1+∑β_i - коэффициент, учитывающий добавочные потери через ограждающую конструкцию, который определяют в процентах от основных теплопотерь ограждений не более 4 м и по 2% добавляется на каждый метр, что выше, но не более 15%.

β - добавочные теплопотери в долях от основных потерь:

β = 0 - не учитывается для запасных и летних дверей, или ворот

β = 0.2H - тройные двери с двумя тамбурами

β = 0.22H - одинарные двери

β = 0.27H - двойные двери с тамбурами

β = 0.34H - двойные двери без тамбура

β = 1 - наружные ворота с тамбуром и воздушно-тепловой завес

β = 3 - наружные ворота без тамбуров воздушно-тепловых завес

n - поправочный коэффициент к расчетной разности температур (t_в-t_н), который применяется при ограждениях, обращенных в неотапливаемые помещения (чердак, подполье, неотапливаемый подвал и т.п.):

n = 0.4 - перекрытия над неотапливаемыми техническими подпольями, ниже уровня земли

n = 0.6 - перекрытия над неотапливаемыми подвалами без световых проёмов в стенах, которые выше уровня земли

n = 0.79 - перекрытия над неотапливаемыми подвалами со световыми проёмами в стенах

n = 0.9 - перекрытия над холодными полами, сообщающимися с наружным воздухом, перекрытия чердачные (с кровлей из рулонных материалов)

n = 1 - при ограждениях, обращенным к наружному воздуху

Кроме этих расчетов, существуют еще так называемые теплопотери на инфильтрацию, т.е. это попадание воздуха в помещение через различные микрощели и тем самым теплопотери помещения могут составлять 30-40% и более от основных теплопотерь. Подробности по теплопотерям через инфильтрацию можно посмотреть в СНиП 2.04.05-91 (прекратило действие с появлением 41-01-2003), в приложении 10. Можно еще добавить то, что стороны света тоже могут играть роль на теплопотери.

Что этим хочется сказать? Даже, если вы будете соблюдать все точности в расчетах с применением выше описанных правил, идеально рассчитать теплопотери помещения у вас не получится и результат ваших расчетов всё равно будет иметь какую-то погрешность. Тогда как подобрать печь с нужной вашему помещению теплоотдачей?

Кроме мощности печи, нам необходимо знать, какие условия необходимы в помещении для комфортного проживания в нем. Один из методов расчета, указывает на расчет площади "зеркала" печи, т.е. это все греющие, открытые и свободно отдающие тепло в помещение плоскости печи. Отсюда следует, что перекрытие печи тоже является "зеркалом", которое не все почему-то учитывают это в расчетах, но в некоторой литературе указывается, что перекрытие в среднем отдаёт 50% тепла в отличие от стенок (возможно по этой причине не учитывают), но тут многое может зависеть от конструкции печи, поэтому не будем заморачиваться на половине теплоёмкости зеркала перекрытия и в колпаковых печах будем тоже принимать за 100%. Хочется еще отметить, что кто-то лезет дальше в болото и берёт в расчет объемный вес печи, вычитая из неё пустоты и использует эти данные в расчетах. В канальной системе печей это скорее будет походить на правду, т.к. под действием тяги, газы не задерживаются, а вот в колпаковых печах, - пустоты тоже могут являться теплоаккумулирующим звеном. Все мы понимаем, что при сжигании топлива в печи, температура сначала передаётся её стенкам, а затем эти стенки постепенно отдают тепло помещению, где сначала температура повышается, достигает предельной температуры, а затем постепенно понижается и все это время тепло отдается помещению путём конвекции, излучения и теплопроводности. Конвекция осуществляется за счет соприкосновения движущихся газов со стенками каналов, излучение происходит путём передачи тепла от горящего топлива и раскалённых газов к стенкам топливника путём лучистой энергии, а теплопроводность выполняет свою роль за счет свойств материалов передавать тепло через собственный массив. Также большую роль играет тип топлива, применяемый в топке печи, объем его и масса, а значит и размер топливника. Немаловажную роль играет толщина стен печи и их облицовка. Типы печей бывают тоже совершенно разные, поэтому в первую очередь интересующие нас расчеты должны относиться к бытовым отопительным печам и если для сравнения взять печь с варочной плитой или регистром, то такие печи уже будут иметь разную теплоёмкость. Тогда как рассчитать теплоотдачу печи при таком количестве факторов? На этот вопрос существует не мало различной литературы, где у каждой своя правда с множеством страниц, таблиц и формул расчета. С несколькими, к примеру, вы можете ознакомиться по списку:

- Д.Ф. Нагорский "Общая методика расчета печей" (не для основной массы читателей, больше подходит для лиц, имеющих общие знания о типах и системах печей);
- Школьник А.Е. "Печное отопление малоэтажных зданий" (её можно назвать азбукой печника, считается самой легкой в освоении для основной массы читателей и является самой популярной книгой по печному делу);
- В.М. Свистунов, Н.К. Пушняков "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха" (рекомендована для студентов вузов по теплоэнергетике)

...есть и другие не менее интересные книги, но мы остановисмся на этом и перейдем к следующему вопросу.

Расчет теплоотдачи (мощности) печи

Одним из самых популярных методов расчета, является расчет по теплоотдаче зеркала печи. В различных источниках, средняя теплоотдача 1м² отопительной печи может сильно отличаться, особенно, если стенки печей имеют разную толщину, дополнительное оштукатуривание, или изразцовую поверхность. Если посмотреть пример в книге Школьника А.Е. на 9 стр., то увидим разницу теплоотдачи в примерах, где при двухкратной топке достигается до 550 Вт/м² при стандартной толщине (120 мм.) стенок и до 330 Вт/м² при однократной, где не сложно вычислить, что для однократной топки применяется коэффициент K=0.6. В итоге, глядя на таблицу и другие факторы, получается, что подобрать константу для точного подсчета теплоотдачи печи крайне сложно и поэтому все расчеты всегда являются усреднёнными. Кузнецов для расчётов взял цифру в 500 Вт·ч при двухкратной протопке в сутки, а для однократной указывает на коэффициент 0.6-0.7.
Возьмём и мы эту цифру в 500 Вт·ч за константу для двухкратной топки, которую выдаёт нам 1м_², а для разовой топки возьмём коэффициент К=0.6.

В результате, мощность отопительной печи при двухкратной топке печи можно посчитать по формуле:

Q = F _зер. / 2

, где Q - мощность нашей печи в кВт·ч, а F _зер. - площадь зеркала печи в м².

Для однократной топки, соответственно получается так:

Q = F _зер. / 2 * 0.6

Если для примера взять отопительно-варочную печь, то мы знаем, что варочная плита является холодным звеном в печи, через которое печь быстрее теряет тепло. В таком случае можно навскидку взять коэффициенты 0.95 для двухкратной топки и 0.55 для однократной. Стоит помнить, что если к печи примыкают стены, то площадь боковой стенки печи рассчитывается та, которая является открытой, т.е. с вычетом площади примыкающих стен. Тут можно тоже долго вести дискуссию, ведь часть стены тоже нагревается от печи и затем передаёт тепло, но это зависит от толщины стен и мы помним, что все наши расчеты усреднённые!

Если в качестве примера взять расположенную в центре комнаты отопительную печь, размером 1000*1000*2100 мм. (стандартная высота печи для потолков в 2.5 м.), то получим следующие значения:

F _зер. = 1*2.1*4+1*1 (помним про зеркало перекрытия) = 9.4 м²

Q = 9.4 / 2 = 4.7 кВт·ч

Мы получили теплоотдачу печи при двухразовой протопке за сутки, а чтобы вычислить теплоотдачу при одноразовой топке, получится следующее Q = 4.7 * 0.6 = 2.82 кВт·ч.

Есть и другие варианты расчета теплоёмкости печи, но рассмотренный способ считается наиболее простым. И если кто-то уже присматривал себе железные печи, то у него скорее всего возникнет вопрос: отчего такой слабый показатель теплоотдачи кирпичной печи в сравнении с железной? Ответ кроется в том, что железная печь нагревается быстро, температура стенок в сравнении с кирпичной печью достигает очень высоких температур (дополнительно может выжигать кислород) и остывает она также быстро. Поэтому, чтобы применять железную печь в соответствии с ее показателями, необходимо будет значительно чаще ее топить и тратить в несколько раз больше топлива. Кирпичная печь более инертна, температура стенок нагревается слабее, топлива тратится меньше и соответственно теплоотдача такой печи получается ниже, чем у железной.

Итак, мощность печи мы научились рассчитывать, но как разобраться, какой мощности нужна печь для вашего дома?

О помещениях с печным отоплением

Для расчета необходимой мощности печи важно знать, сколько тепла теряет помещение при наружной температуре в самые холодные зимние дни, за определённый промежуток времени? Свойство материалов, из которых построено помещение играет важную роль, как и наружная температура, которая сильно отличается в разных регионах. В первую очередь, нам нужно знать объем отапливаемого помещения и необходимую усреднённую температуру. Для этого нам подойдёт следующая формула:

V*T_ср.*К = ккал/ч (равно ккал/ч??? Почему??? ЧИТАТЬ КНИГУ!!!)

, где V - объем отапливаемого помещения (умножение ширины, глубины и высоты), T_ср. - среднее значение между температурой внешней среды и необходимой температуры в помещении, а К - коэффициент применяемый к свойствам материалов, из которых состоит ваше строение, где чаще всего значение применяют за 1, а в случае каких-то особенностей с утеплением, можно сравнить со следующими значениями:

K = 3.0-4.0 (стены из простой деревянной конструкции, или металлического листа. Без теплоизоляции)
K = 2.0-2.9 (одинарный слой кирпича, простая конструкция окон и крыши. Небольшая теплоизоляция)
K = 1.0-1.9 (двойная кладка кирпича. Средняя теплоизоляция)
K = 0.6-0.9 (кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, пол и крыша хорошо утеплены, окна с двойными рамами. Высокая теплоизоляция)

Мы знаем, что 1кВт·ч = 860 ккал/ч, поэтому:

Q_рсч. = (V*Tср.*К) / 860

, где мы и получим необходимую мощность печи для нашего помещения Q_рсч. в кВт·ч.

На просторах Интернета была найдена еще одна очень упрощённая система расчета мощности дровяной печи для жилых помещений, где гласит, что на каждый кВт мощности печи необходимо иметь 1м³ отапливаемого жилого помещения. На сколько это верный расчет, нам cмогут ответить те мастера, которые построили печи по нашим проектам в комментариях ниже.

Расчет количества кирпича в печи и общей массы

Бывают случаи, когда нам необходимо знать количество кирпича в печи и её массу. Начнем с подсчета количества кирпича в печи:

Допустим, мы имеем печь в размере 4(L)*3(B) кирпича и высотой 32 ряда (1000*750*2240 мм.)

Посчитаем количество кирпича в одном ряду: N_р. = 2LB = 4*3*2 = 24 шт.

Умножаем количество кирпича в этом ряду на количество рядов и коэффициент заполнения:

N_п. = N_р. * 32 * k

, где k - коэффициент заполнения пространства печи и в среднем он равен k = 0.7

Получается следующее: N_п. = 24 * 32 * 0.7 = 538 шт.

Теперь необходимо добавить количество кирпича в трубе, а значит нужно узнать её высоту и размер. Например мы имеем в одном ряду трубы 5 кирпичей (пятерик), а высота трубы должна быть 5 м.

Зная высоту ряда (70 мм.) узнаём, что в одном метре вмещается 14 рядов, а это 70 шт. Получается, что в трубе 350 штук, но в перекрытии первого этажа обязательно должна быть противопожарная распушка, которая добавит тоже кирпичиков. По нашему опыту, для расчета можно смело добавлять 50 штук (как на пятерик, так и шестерик, тут уже +/- погоду не особо сыграет). Бывает, что кому-то выдру тоже надо, т.к. нравится (раньше была необходимость, а сегодня существует много средств по герметизации крыши), тогда еще +15 штук, итого, получается: N_тр. = 350 + 50 + 15 = 415 шт.

Подведём общий итог по кирпичу: N = N_п. + N_тр. = 538 + 415 = 953 шт. (с учетом шамотного ядра и без учета подготовительных рядов, на которые тоже бывает нужен кирпич).

Трубу, конечно, можно делать и из полуторного кирпича, но там уже считаем по приведенному выше примеру.

Количество мы выяснили, теперь и массу печи узнать не сложно. Допустим наша печь построена из полнотелого кирпича "Кемма" и шамотного ядра.

Масса 1 кирпича производителя "Кемма" – 3.75-3.90 кг., шамот примерно на 300 гр. тяжелее (но швы, как правило, заменяются на мастику, т.е. таким образом вес как бы компенсируется).

Расход смеси, как правило, зависит от толщины шва и в качестве примера мы можем взять показатели смеси "Терракот", где указывается, что мешок расходуется на 50-80 шт. одинарного кирпича. Возьмём среднее значение и получим, что на нашу печь необходимо 953 / 65 = 15 мешков по 20 кг.

Считаем массу печи с трубой: m_п. = 953 * 3.8 (усредним вес кирпича) + 15 * 20 = 3921 кг.

Расчет объема каменки для парилки?

На просторах Интернета есть информация о том, что на каждый 1м³ в парилке необходимо 1.5 кг. камней. Верно ли утверждение? К этой теме мы как-нибудь позже вернёмся...

На этом статья подходит к завершению и если вы посчитаете, что в каком-то месте допущены ошибки, то будет очень интересно узнать ваше мнение в комментариях. Хочется подчеркнуть, что данная статья не претендует на защиту научной диссертации, а только лишь пытается "на пальцах" решить сложные вопросы, чтобы в дальнейшем её можно было использовать в качестве справочника. Будет очень здорово, если получится общими усилиями создать правильное решение для каждого заголовка нашей печной темы по расчетам.

Также мы еще не рассмотрели расчет теплообменника для печи и ёмкости для теплообменников. Вопрос остаётся открытым...

Автор статьи: Марцинюк Евгений

Статья создана на сайте plantove.com

Источники:

- Свистунов М.В., Пушняков Н.К. - Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (2-е издание) - 2007 г.

- СНиП, ГОСТ и СП

- Кузнецов И.В.

- Просторы Интернета