Печи и камины

Отопительное оборудование и инженерные системы

Теплоаккумулирующие камины и печи

Печи и камины | №1 (66) '2014

Современные теплоаккумулирующие печи и камины создают в доме комфортный и полезный микроклимат и позволяют не заботиться о регулярной закладке дров в топку. Кроме того, они могут быть компактными, элегантными и уместными в любом интерьере. Перед европейскими производителями отопительного оборудования сейчас стоит непростая задача: повысить теплоаккумуляционные свойства камина или печи, не увеличивая при этом мощность.

Почему аккумулирование

Тепло от камина или печи распространяется двумя способами — конвекцией и излучением. В первом случае энергия передается потоком воздуха, обтекающего нагретую поверхность, во втором — посредством электромагнитных волн инфракрасного спектра. Как правило, в обогревателе предусмотрено комбинирование этих двух способов.

Обычный камин с закрытой топкой осуществляет нагрев воздуха, а также излучает тепло непосредственно от пламени, через стекло. Такой прибор способен быстро нагреть помещение, но после прогорания дров отдача тепла также довольно скоро прекратится.

Закрытые камины могут работать в режиме длительного горения (при ограниченном поступлении воздуха в топку), но это приводит к понижению производительности и возможно только в не слишком холодные периоды или при поддержке других источников тепла. Кроме того, подобная эксплуатация вызывает загрязнение обзорного стекла (если нет специальной защиты) и всего газового тракта продуктами неполного сгорания древесины. Так что для продления времени между закладками дров и равномерного поддержания температуры в отапливаемом помещении независимо от цикличности горения желательно предусмотреть аккумулирование тепла.

Запасать тепло впрок можно за счет использования достаточно массивной каминной печи, полностью или частично (например, в облицовке) выполненной из теплоемкого материала, оснащения камина встроенными накопителями, комбинирования его с дополнительными теплоемкими конструкциями, нагрева воды с передачей тепла в накопительный бак системы отопления. Все эти способы находят воплощение в домашних твердотопливных обогревателях.

Отметим, что аккумулировать энергию в конструкции камина можно с передачей тепла облицовочному материалу или без этого. Во втором случае кожух, в который помещается каминная топка, делают теплоизолирующим, а накопленное конструкцией тепло отдается циркулирующему воздуху. Такой способ бывает предпочтителен в определенных условиях. Но нагрев облицовочного материала обеспечивает поступление в помещение «лучевого» тепла — куда более мягкого, чем от пламени горящих в топке дров, и без конвективных потоков, которые могут переносить пыль и восприниматься как сквозняк.

Из курса материаловедения

Материалы, из которых изготавливаются теплоаккумулирущие камины и печи, должны обладать рядом специальных свойств. Кроме прочности и стойкости к высокой температуре основными значимыми характеристиками являются теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, непроницаемость для воды и газов.

Теплоемкость — способность материала или конструкции «вмещать» в себе то или иное количество энергии. В пересчете на массу различие в удельной теплоемкости основных материалов, применяемых в печном деле, не так уж велико: 0,8–1,0 кДж/кг·°C. Но, например, плотность полнотелого кирпича составляет 1,6–1,9, теплоемкого шамота — около 2,4, а талькомагнезита — почти 3,0 кг/дм3. То есть в одном и том же объеме кирпича «вмещается» примерно в 2,5 раза меньше тепла, чем в последнем из перечисленных материалов.

Хорошая теплопроводность исключает ситуацию, когда печь приходится долго топить, прежде чем она начнет отдавать тепло в помещение, а потом после вашего отъезда из загородного дома остается при- личный запас уже не нужного тепла. При одинаковой конструкции обогреватель из материала с высокой теплопроводностью отдает энергию более своевременно. Правда, ограждающие элементы теплонакопителя не должны быть и чересчур проницаемы для тепла, иначе «аккумулятор» разрядится слишком быстро. Коэффициент теплопроводности кирпича составляет около 0,64, теплоемкого шамота — 0,82, талькомагнезита — 6,4 Вт/(м·°C).

Насчет коэффициента теплового расширения можно сказать следующее: чем меньше этот показатель, тем ниже вероятность, что со временем, после многократных циклов нагрева и охлаждения, материал и построенная из него конструкция начнут разрушаться.

Не все теплоаккумулирующие конструкции предполагают контакт с продуктами горения и воздействие на материал высокой температуры. Так, это не происходит, если накопление тепла идет в облицовке камина. Для их производства широко применяются не только огнеупорный талькомагнезит, но и другие виды натурального камня — гранит, базальт, мрамор и т.д. По своим теплофизическим свойствам, не говоря уже об эстетических, горные породы достаточно хорошо соответствуют такому использованию. Например, плотность гранита — 2,8 кг/дм³, удельная теплоемкость — 0,88 кДж/кг·°C, теплопроводность — 3,49 Вт/(м·°C).

Эффективны и облицовки из специальных бетонов. По своим свойствам искусственный камень не уступает натуральному. Даже простой бетон с гравийным наполнителем сравним по характеристикам с природным материалом. Что уж говорить о модифицированных композитах. Ведь, например, компания Nordpies (Норвегия) добавляет в облицовочный бетон два десятка ингредиентов и армирует его мелкорубленой металлической проволокой. Не меньше «колдуют» над своими композитами и другие производители.

Хорошие данные для службы в теплоаккумулирующих обогревателях имеют металлы. Так, чугун характеризуется удельной теплоемкостью примерно 0,54 кДж/кг·°C, плотностью около 7,5 кг/дм³ и средней теплопроводностью в 50–60 Вт/(м·°C).

Безусловно, стоит подчеркнуть особо универсальный материал: специальный печной шамот может быть использован в любой части камина или печи. Его уникальность состоит не только в высокой теплопроводности — шамот объединяет в себе хорошую обрабатываемость и очень высокую механическую прочность, из него можно сделать плиту даже толщиной всего 10 мм. Благодаря высокой пористости материала достигается продолжительная и равномерная теплоотдача. Водяные пары, выделяющиеся при сгорании дров в начальной фазе, поглощаются шамотом без его повреждения.

Базовый вариант

Именно так можно назвать комбинацию теплоаккумулирующей облицовки с закрытой каминной топкой фабричного производства. Учитывая вышесказанное об облицовочных материалах и то, что масса такого «комплекта» может доходить до нескольких сотен килограммов (с точки зрения аккумулирования тепла большой вес является достоинством), к данному решению стоит присмотреться в первую очередь.

Термографические исследования немецкой компании Schmid показывают: хорошо протопленная каминная печь с современной массивной облицовкой продолжает достаточно равномерно отдавать тепло в помещение в течение не менее четырех часов после предшествующей топки такой же продолжительности.

Каминные печи с теплоаккумулирующими облицовками из натурального камня и (или) термобетона выпускают многие компании.

Преимуществом современных каминных облицовок является простой монтаж: все элементы подогнаны и хорошо стыкуются между собой. Более того, теплонакопительные камины Schmid, например, можно демонтировать и перевозить, как мебель.

Говоря о теплоемких облицовках, нельзя не упомянуть изразцы. Выполненные из обожженной гончарной глины, они имеют хорошую аккумулирующую способность, а конфигурация их поверхности увеличивает долю тепла, передаваемого облицовке, а от нее — в помещение.

Значительно продлить время отдачи тепла каминной печью можно за счет встроенного накопителя из натурального камня (талькомагнезит, оливин) или термобетона. Целый ряд фирм предусматривают его в базовой комплектации или предлагают в качестве опции.

Что ни очаг, то обычай

Поиграв смыслом этой финской поговорки, можно применить ее к деятельности производителей из страны Суоми, ставших продолжателями национальной традиции изготовлять печи из талькомагнезита. Известный финский производитель теплоаккумулирующих обогревателей из талькомагнезита компания Tulikivi традиционно использует этот камень для изготовления внутренней и внешней части своих каминных печей. Кроме того, для облицовки фирма применяет керамику и композит Tulikivi Figure, представляющий собой смесь огнеупорной массы и талькомагнезита и позволяющий создавать интересные фактурные и цветовые решения. В каминах Tulikivi также реализуется пиролизное сжигание древесины — с подачей первичного и вторичного воздуха в соответствующие зоны горения. Новая вихревая топка, разработанная инженерами фирмы, футеруется огнеупорными керамическими плитками. Горючие газы задерживаются в ней на более продолжительное время и при подаче вторичного воздуха полностью сгорают с минимальным образованием вредных веществ. Аккумулирующая способность каминов-печей Tulikivi из талькомагнезита характеризуется следующими средними цифрами: время отдачи 100% максимальной мощности — около 5 ч, 50% — почти 15 ч, 25% — существенно дольше, 24 ч.

Компания также выпускает массивные (весом более тонны) теплоаккумулирующие керамические печи-камины. Их внутренности сделаны из специального керамобетона Celsius, имеющего такой же коэффициент теплового расширения, что и у керамики, использующейся для отделки. Благодаря этому циклы нагрева-остывания никак не сказываются на отделке печи.

Компания NunnaUuni (Финляндия) применяет высококачественный талькомагнезит, изготавливая из него всю конструкцию каминных печей. Схема подачи в топку воздуха для горения обеспечивает, во-первых, пиролиз древесины внизу топки, а во-вторых, чистое высокотемпературное сжигание образовавшихся газов. За счет правильного использования производителем свойства структуры талькомагнезита с разной скоростью проводить тепло по ходу чешуек талька и в поперечном направлении энергия быстро распространяется в конструкции печи (в том числе и от дымовых газов, обтекающих топку по боковым каналам). Но в окружающее пространство она отдается дозированно, излучением с поверхности печи, температура которой не превышает 70°C. По выкладкам специалистов компании 60–70% тепловой энергии аккумулируется именно в топливнике.

Не только аккумулятор

Оснащение камина аккумулирующей насадкой на топку позволяет не только запастись тепловой энергией, но и повысить КПД. Ведь в данном случае речь идет о тепле, которое без такого устройства попадает в дымоход, а оттуда — в окружающую среду. Выполняя функцию дополнительного дымооборота и утилизируя тепло дымовых газов, насадка-накопитель излучает его на внутреннюю поверхность каминной облицовки и отдает циркулирующему через камин воздуху (если модель с конвекцией).

В отличие от конвективных теплообменников, задача которых — передавать уловленную энергию нагреваемому воздуху, аккумулирующие насадки необязательно имеют развитую наружную поверхность. Но их внутренние каналы должны обеспечивать плотный контакт с дымовыми газами.

Компания Schmid предлагает насадку-теплонакопитель, которая состоит из массивных шамотных дисков, помещенных в металлический кожух. Внутри проходит пучок прямых дымовых каналов. В зависимости от массы (78, 93 и 108 кг — три, четыре и пять дисков соответственно) такая насадка может продлить отдачу тепла в помещение на два — четыре часа.

Вrunner (Германия) выпускает и модульную теплоаккумулирующую систему, которая также врезается в газоотводящий тракт после каминной топки. Она состоит из колен и прямых элементов весом порядка 20 кг, выполненных из плотного керамического материала. Из этих модулей можно собрать накопительный блок нужной массы (вплоть до 1000 кг) и формы, чтобы затем разместить его в примыкающей к камину обогреваемой конструкции — внутренней стене дома, перегородке и т.д. Восьмигранные в наружном сечении элементы системы легко соединяются между собой. Их внутренний канал имеет в разрезе круглую форму, оптимальную с точки зрения аэродинамики, и гладкую поверхность, что снижает потери давления в теплонакопителе. В каминной печи Brunner BSO 03 похожий аккумулятор встроен в модуль-щиток. Условием применения насадок и модульных накопителей производитель ставит наличие в дымоходе тяги не менее 12 Пa.

Керамические насадки на каминные топки есть в ассортименте и других производителей, в частности, Jotul (Норвегия) выпускает теплоаккумулирующую насадку массой около 150 кг. Она тоже собирается из шамотных дисков, отверстия в которых образуют спиральный канал для дымовых газов. По данным изготовителя, оснащение таким устройством чугунной каминной топки Jotul I 18 максимальной мощностью 22,5 кВт дает возможность получить дополнительно 5–8 кВт тепловой энергии, что позволяет существенно сэкономить топливо.

Вернувшись к дымоходным насадкам, следует упомянуть аккумулирующие диски фирмы Kratki (Польша). Они отлиты из чугуна и имеют сложную конфигурацию — с тремя полузакрытыми отверстиями и вертикальными ребрами по всей окружности. Собранные в определенном порядке элементы образуют три спиральных дымовых канала, герметичность которых обеспечивается массой дисков — 21 кг для каждого. При поставке комплектом данный аккумулятор включает в себя четыре или пять дисков, а также присоединительные скобы — опорную и замыкающую. Подобная насадка — достаточно эффективный и высокопроизводительный теплообменник для камина с конвективным нагревом.

В ассортименте упомянутых в этой главе производителей, а также некоторых других компаний, есть насадки для нагрева воды. Как и камины со встроенным водяным теплообменником, они позволяют организовать «складирование» энергии в накопительной емкости системы отопления.

За рамками статьи остались варианты создания теплонакопительных каминных печей по индивидуальным проектам, в частности, с устройством дополнительных дымовых каналов (система «гипокауст»).

Текст: Илья Плохих

Смотрите также

Печи и камины | №5 (65) '2013 Камин в двусветном пространстве
Двусветные пространства — неотъемлемая часть современных интерьеров. Площадь двусветных интерьеров достаточно велика, поэтому открытая топка выглядит здесь органично. В зоне рядом с огнем используются термостойкие материалы — камень, керамика и металл. Дизайн центральных каминов в двусветных пространствах требует творческого подхода...
Печи и камины | №5 (65) '2013 Подражание пламени
Пылающий очаг — древний символ домашнего тепла и уюта. К сожалению, установить классический камин можно далеко не везде — в отличие от электрического аналога. Достоинств у электрокамина масса: легкость и компактность, простота транспортировки и установки, безопасность эксплуатации...
Печи и камины | №4 (64) '2013 Теплый дар природы
Высокие показатели прочности и плотности, отменные характеристики теплопроводности и теплоемкости, выразительность текстуры, благородство оттенков и экологическая чистота — столь ценный набор качеств обеспечивает природному минералу талькомагнезиту особое место в ряду материалов, используемых для изготовления печей и каминов...