Печи для отопления дома с водяным контуром: принцип работы, устройство, варианты изготовления

Водяное отопление завоевало популярность благодаря своей универсальности, ведь оно подходит для домов любого размера и формы, а в качестве источника тепла применяют самые различные устройства, в том числе кирпичные или металлические печи с водяным контуром.

При этом кирпичные печи с водяным контуром (КПВК), равно как и твердотопливные котлы, являются наиболее универсальными источниками тепловой энергии.

Если же доступны дешевые сетевые энергоносители, то совместно с печами, оснащенными водяным контуром, можно поставить электрические или газовые котлы.

Благодаря такой конфигурации источников тепловой энергии вы не останетесь без отопления даже при отключении света и газа, а значит в доме всегда будет тепло.

Основные принципы работы

Основным принципом работы водяного отопления (ВО) длительного горения является передача тепловой энергии по трубам с помощью теплоносителя (ТН), функцию которого которого выполняют вода или антифриз.

Теплогенератор превращает энергоресурсы в тепловую энергию, которая затем нагревает теплоноситель и последний за счет естественной или принудительной циркуляции поступает к теплоизлучателям, то есть батареям отопления или теплому полу.

Там, где в роли теплогенератора выступает оборудование, работающее в автоматическом режиме, можно выставить желаемую температуру как во всей системе, так и, если позволяет конфигурация ВО, внутри отдельной комнаты, однако это неприменимо к твердотопливным устройствам.

Вне зависимости от того, используете вы для дома угольный котел или дровяную печь с водяным контуром, их максимальный коэффициент полезного действия (КПД) достижим лишь при определенном количестве топлива.

Если угля или дров положить меньше, то упадет не только температура теплоносителя, но и время, в течение которого агрегат будет поддерживать температуру антифриза или воды на заданном уровне.

Если же заложить топлива больше, то теплогенератор перейдет на работу в критическом тепловом режиме, что чревато сокращением срока его службы, а то и разрушением с выбросом в помещение дымовых газов и высокой вероятностью пожара.

Поэтому для регулировки температуры внутри помещений в системах ВО с твердотопливными теплогенераторами используют теплоаккумуляторы (ТА) и принудительную циркуляцию теплоносителя с возможностью ограничения подачи в каждую комнату.

Чем отличаются печи и котлы?

На протяжении всей истории существования кирпичных печей (КП), а это несколько тысячелетий, они всегда нагревали помещение за счет излучения тепловой энергии от своих стен, при этом сами выступали своеобразным «трансформатором», преобразовывая быстрый жар пламени в медленное и менее горячее тепло.

Поэтому кирпичная конструкция с отопительным щитком или даже без него, но обладающая достаточно большими размерами и нагретой за счет движения дымовых газов наружной поверхностью настолько, чтобы отапливать хотя бы одну комнату, является печью, даже если в нее врезан водяной контур.

Именно поэтому хорошие кирпичные котлы обкладывают слоем теплоизоляции, чтобы они не теряли тепловую энергию на бесполезное внешнее излучение, а отдавали ее водяному контуру.

Популярность набирают кирпичные печи-камины с водяным контуром, ведь благодаря большому размеру их топливника регистр, даже расположенный вплотную к стенкам топливной камеры, почти не влияет на происходящие в ней процессы. Если же помимо регистра ВО оснастить камин отопительным щитком, то получится максимально универсальная конструкция.

Металлические печи (МП) тоже преобразуют жар пламени в комфортный нагрев воздуха и лучистое тепло, то есть выполняют функцию трансформатора, но не могут увеличивать время обогрева помещения сверх времени топки, поэтому мощность их топливных камер намного меньше.

Преобразование жара в тепло происходит за счет разницы площади внутренних поверхностей топливника и калорифера – чем больше эта разница, тем ниже температура на выходе из последнего.

Металлические печи с водяным контуром (МПВК) устроены аналогично и представляют собой большую топливную камеру с одним или несколькими короткими каналами, окруженную снаружи калорифером для нагрева воздуха и трубами водяного контура для нагрева воды.

Водяное отопление и горячее водоснабжение в одной печи

Поскольку водяные контуры СО и горячего водоснабжения (ГВС) отличаются только мощностью и производительностью, то их либо совмещают, то есть разделение происходит не в печи, а внутри ТА, либо разносят по дымовым каналам.

Во втором случае регистр СО ставят максимально близко к топливнику, а контур ГВС устанавливают возле дымовой трубы, чтобы снизить вероятность закипания воды внутри контура и оставить производительность на приемлемом уровне.

При этом все параметры необходимо подобрать так, чтобы вода внутри контура ГВС не закипала даже если ей долго не пользуются и при этом оставалась горячей достаточно долго даже при интенсивном использовании.

Одним из вариантов является увеличение емкости водогрейного бака (100–300 л), благодаря чему даже при интенсивной топке вода там не закипает, а объема жидкости достаточно для основных бытовых нужд семьи из двух или трех человек.

Похожая схема реализована в порядовке статьи о финской банной печи, но это увеличивает и без того немалые размеры КПВК, а МПВК требует серьезного усложнения конструкции.

Единая система обогрева частного дома

Для того, чтобы кирпичные или металлические печи с водяным контуром обеспечивали хорошее отопление частного дома, их необходимо рассматривать как часть единой системы обогрева помещения, включающей:

• внешние стены, в том числе пол и потолок с крышей, отделяющие помещение от уличного воздуха и защищающие от осадков;
• теплогенератора, вырабатывающего тепловую энергию;
• обвязки системы отопления, включая ТА, трубы и теплоизучающие устройства;
• системы вентиляции, очищающей воздух внутри помещения и подающей воздух теплогенератору для получения тепловой энергии из дров или угля.

В зданиях одинаковой формы и размера, но с разными теплопотерями, отличаются и требования ко всем остальным элементам единой системы обогрева. Ведь при избыточной мощности и отсутствии ТА с принудительной циркуляцией ТН и ограничением подачи в комнаты климат внутри помещения будет некомфортным из-за слишком высокой температуры.

Наличие или отсутствие ТА и принудительной циркуляции тоже затрудняет регулировку температуры, ведь нагреть комнаты жарче или прохладней можно будет лишь в небольших пределах, изменяя количество топок (от одной до трех в сутки) и сокращая количество топлива на 10–30% от максимального.

Допустима регулировка температуры в помещении с помощью системы вентиляции, но для этого требуется изначально увеличивать мощность ВО, что связано с более высоким расходом топлива для получения того же количества тепловой энергии.

В системах со свободной циркуляцией ТН печь устанавливают ниже уровня батарей, а подающую магистраль располагают максимально высоко, этот перепад высот и создает естественное движение жидкости, ведь горячее вещество легче холодного и вытесняется им наверх.

Однако такая СО обеспечивает слабый поток воды или антифриза, поэтому хорошо подходит для устаревших систем, комнатные теплообменники (радиаторы) которых изготовлены из толстых стальных труб. Если вы хотите сделать более эффективное отопление, то придется ставить электрический насос и систему его бесперебойного питания на случай отключения света.

Особенно эффективна конфигурация СО с принудительной циркуляцией и ТА достаточной емкости (примерно 100 л на 1 м² отапливаемой площади).

Повысив мощность топливника, вы за время топки нагреете воду в тщательно утепленном теплоаккумуляторе, после чего уже последний будет отапливать дом, а температуру в комнатах можно будет регулировать, меняя скорость движения теплоносителя.

Если же такая система кажется излишне сложной, то в более простом варианте вместо ТА в печь или бойлер встраивают трубчатый электронагреватель, который будет поддерживать температуру после охлаждения печи. Это позволит вам топить печь даже в лютые морозы 1–2 раза в сутки без заметного снижения температуры в помещениях.

Как устроена КПВК?

В отличие от металлической печи, которая представляет собой котел, нагревающий проходящий через него воздух, КПВК является классической кирпичной теплоемкой конструкцией, поэтому продолжает нагревать ТН даже после угасания огня.

Как и любая другая кирпичная печь, она оснащена:

• топливником (топливной камерой);
• зольником (зольной камерой);
• дымоходными каналами, нагревающими отопительный щиток или тело КП.

Сам же регистр водяного контура устанавливают в одном из трех мест:

• вокруг топливной камеры, нередко между шамотным ядром и телом печи;
• в первом дымовом канале;
• над топливником в камере дожига газов.

Установка контура вокруг топливной камеры избавляет металл от прямого контакта с дымовыми газами, благодаря чему на нем не оседает конденсат и не образуются хлопья.

Однако такое расположение сильно снижает температуру стенок топливника, из-за чего ухудшается сгорание топлива, а значит падает КПД печи, то есть при сжигании того же количества угля или дров удается получить меньше тепловой энергии.

Установка контура в первом канале не влияет на процессы, происходящие в топливной камере, особенно если между топливником и каналом расположена камера дожига газов, а скорость обрастания регистра хлопьями сажи гораздо выше, чем в обычной печи.

Поэтому КПВК, водяной контур которых расположен в дымоходном канале, необходимо чистить 2–4 раза за сезон, иначе добиться от них высокого КПД не получится.

Если расположить регистр над топливником, в камере дожига, то снижение КПД будет гораздо меньше, чем при установке вокруг топливной камеры, да и скорость обрастания водяного контура сажей также будет заметно ниже, чем при размещении в первом дымоходном канале.

Это связано с более высокой температурой дымовых газов и языками пламени, которые будут воспламенять хлопья углерода даже на относительно холодной поверхности водяного регистра.

Минусом же такого расположения является сильное усложнение конструкции печи, поэтому чаще всего его применяют в колпаковых конструкциях наподобие круглой печи Грум-Гржимайло, где колпак играет функцию камеры дожига и дымовых каналов.

Распределение тепловой мощности внутри КПВК

Для нормальной работы печи с любым расположением регистра необходимо соблюдать баланс между тепловой мощностью:

• топливника;
• регистра водяного контура;
• отопительного щитка.

То есть топливная камера должна выделять столько тепла, чтобы его с небольшим запасом хватало для прогрева водяного контура и отопительного щитка, а выходящий в дымовую трубу дым должен быть нагрет до температуры как минимум 150 градусов (лучше 200–250).

Такое требование одинаково для всех кирпичных печей и основано на защите дымохода от конденсата – если температура недостаточно высока, то к концу топки осевший конденсат не высохнет, а значит разрушения трубы не избежать.

Чем хуже утеплена труба, тем более горячий дым требуется, поэтому самые высокие требования предъявляют там, где установлены тонкостенные кирпичные дымоходы, а самые низкие там, где установлены сэндвич-трубы.

Увеличить тепловую мощность топливника можно двумя способами:

• увеличивая его размер, что влечет за собой увеличение размеров всей конструкции и рост площади теплоотдающей наружной поверхности, а значит повышение тепловой мощности отопительного щитка;
• более длительной топкой, то для этого необходимо кардинально переделывать всю конструкцию печи, ведь обычное сочетание футеровки и стенок из керамического кирпича, уложенных «в полкирича», не выдержит такого нагрева.

Мощность регистра ВО меняют как увеличивая или уменьшая его размер, так и меняя место его расположения. Мощность отопительного щитка меняют за счет сокращения или увеличения его внутренней и наружной поверхностей.

МПВК

Вода и воздух омывают наружные стенки топливной камеры и оказывают на нее охлаждающее влияние в зависимости от:

• площади внутренней поверхности каналов для движения ТН (водяной рубашки или воздушного калорифера);
• типа теплоносителя;
• температуры остывшего ТН (воды или воздуха).

Те МПВК, что доступны в магазинах, спроектированы под определенное соотношение мощности, к примеру, 5 кВт/ч для воздушного обогрева и 15 кВт/ч для водяного.

Однако такое соотношение достижимо лишь при определенных параметрах СО, которые прописаны в документации к отопительному прибору, поэтому при других параметрах это соотношение будет иным.

К примеру, если подавать более остывший ТН, то упадет и мощность теплогенератора. На предприятиях, производящих такие устройства, расчетом распределения тепловой мощности занимаются целые отделы, те же, кто изготавливает их самостоятельно, ориентируются на свой опыт.

Активное и медленное горение — отличие

С конца 80-х годов ХХ века набирают популярность твердотопливные печи длительного горения, которые с одной закладки дров способны обогревать помещение 6–30 часов, поэтому такая мода затронула и печи с водяным контуром.

Однако те, кто рекламирует подобные устройства, расписывают только их преимущества, зачастую преувеличивая последние и ничего не говоря о недостатках. Чтобы разобраться в плюсах и минусах таких отопительных приборов, необходимо рассмотреть историю их появления и проанализировать происходящие в них процессы.

Однако теплоемкость напрямую связана с массой, поэтому лишь огромные конструкции обладают требуемой возможностью запасать тепло, а это связано с:

• долгим прогревом холодной печи;
• огромной нагрузкой на фундамент;
• потерей достаточно большого свободного пространства в помещении (та же русская печь занимала до половины площади деревянной избы).

Можно ли построить эффективную отопительную печь длительного горения?

Если у вас не пиролизная печь, то единственным способом достичь длительного горения является снижение температуры в топливной камере и сгорание дров при сильной нехватке воздуха.

Из-за этого полного окисления углерода не происходит, поэтому регистр быстро обрастает коркой сажи, которая выступает в роли теплоизолятора, ухудшая передачу тепла от огня или потока дымовых газов к водяному контуру.

Для достижения приемлемого КПД подобные печи необходимо чистить каждый месяц, иначе они будут усваивать все меньше тепла из огня и дымовых газов. Если вас не смущает необходимость часто чистить их, а также более высокий, чем у нормальных теплогенераторов, расход дров, то они являются хорошим вариантом.

Развитие черной металлургии и удешевление конечной продукции (листовой стали и чугуна) привело к появлению малогабаритных печей, которые быстро нагревали холодный дом, но после прогорания топлива, то есть через 1–3 часа, переставали отапливать помещение.

Поэтому сразу же появилась потребность увеличить время их работы хотя бы до полусуток, чтобы они поддерживали тепло в доме даже при отсутствии жильцов.

Поскольку запасать тепловую энергию такие устройства неспособны из-за недостаточной массы, то были предложены 2 варианта увеличения времени их работы:

• автоматическая подача топлива;
• изменение режима горения топлива.

Автоматическая подача топлива, несмотря на все преимущества, не получила широкого распространения из-за высокой стоимости и сложности в самостоятельной реализации.

Изменение режима горения пошло двумя путями:

• пиролизное горение (пиролизный газ и его применение);
• тлеющее горение.

Пиролизное горение происходит в двух камерах – внутри пиролизной как такового горения нет, ведь туда почти не поступает кислород, поэтому температура внутри нее невысока и редко превышает 900 градусов.

Однако в камере сгорания температура факела нередко превышает 1200 градусов даже при работе на дровах, из-за чего требуются печи особой конструкции, сложенные не только по особой схеме, но с более высокими требованиями по жаростойкости и наличию утечек или подсосов воздуха.

Реализовать такую схему в кирпичных печах крайне сложно, поэтому чаще всего настоящие пиролизные печи делают из металла.

Тлеющее горение происходит при температуре 400–800 градусов и сильном ограничении подачи воздуха. В таких условиях топливо выделяет тепло в 2–10 раз дольше, однако само горение происходит совершенно иначе, а его результатом становится неполное окисление пиролизных газов с образованием токсичных соединений.

Третьим минусом этого способа является низкий КПД, ведь часть углерода в форме различных соединений улетает в трубу.

Все это привело к тому, что среди печников и активных пользователей кирпичных или металлических конструкций аппараты, работающие в режиме длительного горения, получили презрительное название «дегтегонки», ведь оседающий в дымовой трубе конденсат и является настоящим дегтем.

Все это позволяет сделать однозначный вывод – если вы хотите отапливать свой дом печью с врезанным в нее водяным контуром, то есть конструкцией, которая греет не только воду, но и воздух в комнате, причем как минимум 10 часов, то подходит только два вида устройств:

• кирпичные теплоемкие;
• металлические пиролизные.

Как сделать отопление на основе металлической или кирпичной печи?

Общий принцип такой СО заключается в том, что комнату с установленным в ней теплогенератором обогревают лучистым теплом, а остальные нагретым теплоносителем, причем с минимальными затратами времени на топку.

Поэтому действуйте следующим образом:

1. Определите теплопотери дома (общие и по каждой комнате).
2. Определите мощность топливника печи с запасом в 10–30%.
3. Выберите конфигурацию водяного отопления.
4. Определите необходимую мощность водяного контура с запасом 10–30%.
5. С учетом мощности подберите размер и расположение регистра водяного контура.
6. Подсчитайте необходимую тепловую мощность отопительного щитка или корпуса печи (применимо только к кирпичным печам) из расчета 500 Вт/м² теплоизлучающей поверхности.
7. Выберите материал для изготовления печи (кирпич или металл).
8. Выберите вид горения топлива.
9. Определите размеры печи с учетом мощности топливной камеры, регистра водяного отопления и площади наружной теплоизлучающей поверхности.
10. Создайте или приобретите чертеж или порядовку, соответствующие вашему дому (это особенно актуально для кирпичных печей из-за их большого размера и массы).
11. Постройте теплогенератор.
12. Смонтируйте систему отопления.
13. Подключите теплогенератор к СО и опрессуйте систему.
14. Заполните СО водой или антифризом.

Что можно сделать самому?

Чтобы выполнить большую часть расчетов, необходимых для проектирования кирпичной или металлической печи с водяным контуром и правильно вписать ее в архитектуру СО вашего дома, необходимы глубокие знания в различных дисциплинах.

Мы рекомендуем сначала максимально изучить информацию, выложенную на таких форумах и только после этого задумываться о проектировании самодельной или покупке готовой печи.

Обсуждения на форумах

Вот ссылки на наиболее интересные темы, где обсуждают все вопросы, связанные с печами, оснащенными контуром водяного отопления:

1. www.forumhouse.ru.
2. www.pech.ru.
3. dacha.wcb.ru.
4. market-belogo.ru.
5. forum.c-o-k.ru.
6. m.e1.ru.
7. wiktar.6bb.ru.
8. www.yaplakal.com.

Схема и формулы определения мощности и размеров топливной камеры

Чтобы рассчитать размеры и мощность топливной камеры, используют следующие переменные и коэффициенты:

1. V_т – внутренний объем топливника дм³.
2. Т_д – теплотворная способность древесины, которая в среднем составляет 2,5 кВт/ч на 1 дм³.
3. Р_общ – совокупная тепловая мощность, которую потребляют все элементы СО.
4. Р_во ­– совокупная тепловая мощность водяного отопления кВт/ч.
5. Р_ощ – тепловая мощность отопительного щитка, кВт/ч.
6. Р_т – тепловая мощность топливника, кВт/ч.
7. К₁ – коэффициент времени работы с одной топки, 12 ч.
8. К₂ – коэффициент потерь, вызванных низким КПД и другими факторами (1,3–3).
9. К₃ – коэффициент заполнения топливника, при котором сгорание дров происходит наиболее эффективно (3).

Затем используйте следующие формулы:

1. Р_общ=Р_во+Р_ощ.
2. Р_т=Р_общ*К₁*К₂.
3. V_т=(Р_т/Т_д)*К₃.

Получив оптимальный внутренний объем топливной камеры, вписывайте его в размеры своей печи.

Если вы хотите сделать печь, работающую на угле или торфе, то придется не только менять Т_д, но и делать топливник особой конструкции. Все остальные расчеты, коэффициенты и переменные остаются такими же.

Герметизация патрубков регистра водяного контура

Поскольку регистр находится в зоне высоких температур и обилия продуктов полного или частичного окисления пиролизных газов, то для герметизации его выходов необходимо соблюсти 3 условия:

1. Обеспечить неподвижность водяного контура относительно шамотного ядра топливной камеры, пода топливника или других элементов.
2. Обеспечить возможность движения патрубков, вызванного температурным расширением материалов печи.
3. Заполнить отверстия печи, в которых расположены патрубки регистра, огнестойким упругим материалом.

Чтобы исключить подвижность регистра, устанавливайте его на прочную поверхность, например:

• под топливника;
• дно дымового канала;
• стенки или крышку шамотного ядра.

Чтобы патрубки свободно двигались в отверстиях, диаметр последних должен быть как минимум вдвое больше диаметра патрубков.

Для герметизации после установки патрубков плотно заполняйте отверстия одним из следующих материалов:

• асбестовыми волокнами;
• базальтовой ватой;
• каолиновой ватой.

Варианты реализации

В этом разделе мы кратко расскажем о различных вариантах реализации отопления на основе печей с водяным контуром:

1. Угловая металлическая печь-камин – такое устройство можно поставить в гостиной или зале и оно будет радовать вас лучистым теплом и видом живого огня, а недостаток мощности прямого нагрева в полной мере компенсирует дополнительный радиатор, установленный в комнате.
2. Мини-печь из кирпича или металла – такой аппарат подойдет для гаража на 1–3 машины, ведь с его помощью можно прогреть автомобили перед запуском, однако для комфортного хранения транспортных средств требуется более мощное и длительно работающее оборудование.
3. Отопительно-варочная печь будет востребована в негазифицированных и расположенных в зоне дорогой или нестабильной электроэнергии, а также там, где невозможно подключиться к электросети. С помощью подобной варочной конструкции вы не только обогреете дом, но и приготовите еду.
4. Кирпичная печь-камин будет востребована в качестве как основного, так и дополнительного теплогенератора. Она не будет лишней даже в электрифицированных и газифицированных домах, ведь если в результате различных катаклизмов подача энергоресурсов прекратится, ваш дом не останется без обогрева. Да и осенними или зимними вечерами приятно посидеть перед горящим камином.
5. Пиролизная отопительная печь длительного горения – правильней относить такие металлические МПВК к котлам, но если подключить к ней отопительный щиток, то это будет уже именно печка, причем экономичная, а топить ее можно будет от двух раз в сутки до двух раз в неделю, в зависимости от погоды и конфигурации СО.
6. МПВК длительного горения – такой аппарат подойдет в качестве временного решения, благодаря чему вы не лишитесь отопления, пока нет нормального теплогенератора.
7. Кирпичный котел – такое устройство малоэффективно в качестве обычной печи, но если не обложено теплоизолятором для снижения теплопотерь, то подойдет для прямого обогрева небольшого помещения, а остальные комнаты отопит врезанный в него водяной контур.

Видео по теме статьи

О том, как сделать отопительную дровяную печь длительного горения с водяным контуром, рассказывается в данном видео:

Заключение

Печи с водяным контуром совмещают в себе функции двух видов теплогенераторов отопления – классической печи, в том числе дровяной, нагревающей помещения лучистым теплом, исходящим от их стен и котла, который нагревает ТН для СО.

Эффективность таких устройств и время обогрева помещения с одной закладки топлива зависят от многих факторов, поэтому при самостоятельном изготовлении чаще всего получаются печи с средними характеристиками, а то и чуть хуже средних. Это является платой за универсальность и упрощение конструкции.