3.1. Очаг как отопительное устройство

Избыточная энергия, излишнее тепло могут оказывать столь же неблагоприятный эффект, как и его недостаток. На рис. 14 вдоль горизонтальной плоскости показана интенсивность солнечного излучения, падающего на земную поверхность на экваторе и на широте Хельсинки. Анализ приведенных данных показывает, что Хельсинки с середины мая и до начала августа получает больше солнечной энергии, т. е. тепла, чем зона экватора. Поэтому в летнее время проблема создается наличием избытка тепла. И если выбранный тип очага представляет собой хорошее отопительное устройство, то летом его вообще нельзя использовать - он может служить лишь украшением помещения.

Рис. 14. Начиная с середины мая и до начала августа Финляндия ежесуточно получает больше солнечной энергии, чем экваториальный пояс, другими словами, для жителей проблема заключается не в отоплении помещений, а в охлаждении их

Второе обстоятельство, которое необходимо учитывать при выборе очага как отопительного устройства, заключается в выяснении того, что человек ожидает от отопления. В финском языке слово "отопление" применяется для обозначения двух существенно различающихся понятий;

отопление для повышения температуры воздуха (например, осенью в бане или в летнем домике);

отопление для поддержания неизменной температуры воздуха (например, в основной квартире).

Для повышения температуры воздуха требуется наличие определенной мощности (кВт), притом тем большей по величине, чем быстрее желают повысить температуру воздуха в помещении. На практике это достигается либо в результате использования большого пламени (когда достигается большое тепловое излучение), либо в результате высокой температуры поверхности отопительного устройства.

Рис. 15. Мощность различных обогревательных устройств и время теплоотдачи после сжигания в них десяти килограммов дров

Для поддержания постоянной температуры воздуха в помещении требуется небольшая мощность (менее 1 кВт, как правило, 0,3-0,6 кВт на комнату), однако она должна равномерно воздействовать в течение длительного времени. Это означает использование совсем небольшого пламени, отопительного устройства небольших размеров или с низкой температурой поверхности (в пределах 35-40 °С). Легче всего это достигается с помощью больших массивных очагов, протапливаемых один раз в сутки или двое.

Некоторые отопительные устройства пригодны как для повышения температуры воздуха в помещении, так и для поддержания постоянной температуры воздуха в нем. В качестве примера можно назвать обогревающий и теплоаккумулирующий очаг (рис. 16), который имеет соединительное устройство к дымоходу как в верхней его части (при использовании очага по летнему режиму), так и в нижней части (при использовании очага в качестве отопительной печи в отопительный сезон). Кроме того, существуют различные дополнительные устройства к печам и каминам (рис. 17), при помощи которых можно быстро получать много тепла (для повышения температуры воздуха в помещении). Когда эти устройства закрывают, то очаг превращается в теплоаккумулирующее устройство (для поддержания постоянной температуры в помещении). Такие различные альтернативные конструкции более подробно будут рассмотрены при обсуждении вопросов об очагах и применяемой в них оснастке.

Рис. 16. Поперечный разрез отопительного камина (из моделей фирмы 'Тийликескус'). При открытом положении верхнего соединительного узла и входных дверок (эксплуатация камина в летний период) камин совершенно не отапливает помещение, при закрытом - он превращается в печь (эксплуатация камина как отопительного устройства)

Вопрос о функционировании очага в качестве отопительного устройства (применяемого для повышения температуры или поддержания ее постоянной) является наиболее важным при выборе типа очага.

3.1.1. Отопление жилого дома. Чтобы правильно выбрать нагревательное устройство для постоянного жилья, владелец должен иметь представление о необходимой отопительной мощности для своей квартиры и о требуемом количестве топлива для этого.

В условиях Финляндии, как правило, совершенно не требуется отапливать жилые помещения примерно в течение трех-четырех месяцев. Наиболее распространенная потребность в отопительной мощности жилого дома полезной площади около 100-120 м² составляет 3 4 кВт. Пиковая потребность в отопительной мощности (12 кВт) возникает только в течение коротких периодов с интервалами 3-5 лет. Длительность времени, в течение которого требуется использовать половину пиковой потребности (т. е. 6 кВт), составляет лишь несколько наиболее суровых морозных недель.

Рис. 17. Чугунное 'отопительное устройство', изготовляемое на металлическом заводе 'Упо', предназначено для использования в теплоаккумулирующих каминах. Оно эффективно обогревает помещение, длительное время остававшееся холодным, путем засасывания холодного комнатного воздуха через нижние решетки для нагревания его и выдувания обратно в помещение через верхние решетки. Такой очаг превращается в теплоаккумулирующую печь в том случае, когда перекрывают^ решетки, для прекращения воздухообмена

Большая часть (²/₃-³/₄) топлива расходуется при отоплении по наиболее общепринятому режиму потребления отопительной мощности (3-4 кВт) и только около 10% этого количества топлива расходуется при использовании половины пиковой отопительной мощности (более 6 кВт).

Из сказанного следует, что хорошая отопительная система должна была бы функционировать эффективно в, весьма обширной области тепловой мощности. К сожалению, соотношение между коэффициентом полезного действия (КПД) обеих современных систем (отопления) и степенью их использования остается таким, как это показано на рис. 18. Чем ниже степень их использования, тем ниже КПД и тем больше расход топлива.

Из анализа данных, приведенных на рис. 18, следует, что: если для отопления небольшого жилого дома выбрана отопительная система мощностью 12 кВт при КПД этой системы 75% для расчетной мощности, равной 12 кВт (эта величина КПД весьма высокая), то в случае эксплуатации этой отопительной системы при мощности 3 кВт (т. е. при степени использования 25%) КПД составит всего 19%. Поэтому расход топлива увеличивается более чем в 5 раз по сравнению с теоретическими расчетами;

Рис. 18. Принципиальный график зависимости между КПД многих отопительных систем и степенью их использования. Чем ниже степень использования отопительной системы, тем меньше величина ее КПД и больше расход топлива (Цифровые данные на графике поясняют пример по тексту): 1 - потери тепла; 2 - теплоаккумулятор; 3 - отопительная батарея: 4 - котел системы отопления

если в жилом доме "для надежности" установлена отопительная система чрезмерно большой мощности (например, 25 кВт), то КПД этой системы при мощности 3 кВт (когда степень использования установленной мощности составляет 12%) снизится до 9%, т. е. расход топлива при этом увеличится в 11 раз по сравнению с расчетной величиной;

если в жилом доме установлена отопительная система мощностью всего 6 кВт, то КПД этой системы при эксплуатации ее на мощности 3 кВт при коэффициенте использования 50% составляет уже около 40% и расход топлива - всего ¹/₂ от соответствующей величины для мощности 12 кВт и всего ¹/₅ от соответствующей величины для отопительной системы мощностью 25 кВт.

Таким образом, наиболее благоприятным в отношении расхода энергии и топлива является чрезмерное превышение мощности отопительной системы по сравнению с расчетной.

Как же осуществляется отапливание вышеупомянутого жилого дома в период нескольких морозных недель, если потребность в мощности на отопление превышает 6 кВт? В таком жилом доме устанавливают вторую, вспомогательную, систему, которая используется только в эти несколько морозных недель. Такая система называется двукратной. Несмотря на более высокие капитальные затраты (на приобретение оборудования) по расходу топлива, такая отопительная система будет всегда экономичней. И даже если мощность дровяной отопительной системы составляет только половину потребности в максимальной мощности, все же с ее помощью вырабатывается около 90% требуемого количества тепла. На долю вспомогательной отопительной системы остается всего 10% требуемого количества вырабатываемого тепла.

Рис. 19. Расход топлива тем больше, чем больше превышение необходимой мощности для выбранной системы в данном жилом доме и для данной семьи

В условиях Финляндии рекомендуемой вспомогательной отопительной системой в условиях использования двукратной отопительной системы являются дровяные очаги.

Рис. 20. Если очаг предназначен для отапливания всего жилого здания, то следует заблаговременно позаботиться о правильном распределении тепла в доме. Очаг должен быть размещен в центре помещение (а). Необходимо обеспечить требуемую теплопередачу, например при помощи вентилей (б). Несмотря на то, что воздушное отопление обеспечивает эффективна распределение тепла (в), все же такое распределение тепла может прекратиться при обесточивании электронагревательные устройств. Теплый воздух беспрепятственно будет подниматься вверх и при отсутствию электроэнергии в доме (г): 1 - общая комната, 2 - кухня, 3 - спальня, 4 прихожая, 5 - столовая

Окончательный выбор отопительного устройства для постоянного жилого помещения зависит еще и от того, входит ли в назначение этого устройства функция отопления жилого дома полностью или только одной или нескольких комнат. Если требуется отапливать с помощью этого устройства только часть комнат, то его теплоотдача должна быть невысокой (менее 1 кВт), но непрерывной в течение продолжительного времени. Наиболее типичными очага ми такого типа являются печь кирпичной кладки и различные кирпичные стены с внутренними полостями см. рис. 16). Если жилой дом отапливается полностью, то это устройство должно иметь более высокую температур. поверхности или отличаться более крупными габаритами, чем печь рассчитанная на отопление одно( комнаты. Очагами такого тип являются кирпичные стены с внутренними полостями и некоторые очаги заводского изготовления которые можно подключить к распределительной теплосети. При этом особое внимание следует обращать на равномерное распределение тепла по всей квартире (рис. 20).

Рис. 21. Если в дачном домике можно разместить только один очаг, то кирпичная плита будет наилучшей альтернативой

3.1.2. Отопление дачи представляет собой более сложную задачу, чем непрерывное поддерживание нормальной температуры постоянного жилого помещения. Вначале дачный домик требуется быстро обогреть (большая потребность в мощности на короткое время) и затем поддерживать его в теплом состоянии (небольшая потребность в мощности в течение длительного времени). Как правило, наилучший конечный результат достигается путем выбора соответствующих обогревательных устройств для каждого случая.

Для быстрого обогрева жилого помещения подходящими являются камины, очаги типа дровяных плит, печи-каменки и некоторые очаги типа каминов, в которых осуществляется циркуляция и обогрев комнатного воздуха. Для поддержания постоянной температуры воздуха в помещении наиболее пригодны такие тяжелы очаги, как кирпичные печи, комбинированные печи-каменки, кухонные плиты и т. д.

Если в дачном домике может быть установлен только один очаг наиболее целесообразным будет кирпичный очаг в виде плиты. В конфорочный лист функционирует как устройство для быстрого обогрева воздуха помещения, а тяжелый каркас служит теплоаккумулятором. В качестве других альтернативных решений по данном вопросу могут рассматриваться различные очаги, камины или печи с дополнительными уcтpoйcтвaми, которые более подробно буду обсуждаться в конце настоящей книги.