Особенности ввода тепла в баню

Ранее мы молчаливо предполагали, что вводимое в баню тепло тут же потребляется всей баней целиком, и вследствие этого все элементы бани нагреваются равномерно. Но ведь ясно, что ведро с водой закипит на плите через один час, а ведро с водой на полу (или даже на банном полке у потолка) не закипит никогда. То есть одни элементы бани прогреваются быстро и, может быть, чрезмерно, а другие — крайне недостаточно.

Картину распределения тепла в бане определяет в первую очередь сама система отопления. Напомним, что системы отопления в самом общем случае состоят из следующих конструктивных элементов:

— теплового источника (теплонагревателя, печи, котла и т. п.);

— теплопроводов, перемещающих тепло, в том числе с помощью теплоносителей (дымовых газов, воздуха, воды, лучистого тепла и т. п.) от теплового источника к отопительным приборам;

— отопительных приборов (теплообменников), передающих тепло в помещение (в воздух, в стены, в воду и т. п.).

Если все три конструктивных элемента отопительной системы расположены в пределах одного помещения (комнаты), то такая отопительная система называется местной. Если тепловой источник обслуживает группу помещений, то отопительная система называется центральной, а тепловой источник — тепловым центром (тепловым пунктом, тепловой станцией, ТЭЦ). Если центральная система обслуживает группу зданий, то она называется районной (городской, зональной, магистральной, квартальной, заводской и т. п.). Наиболее перспективны центральные системы отопления. Современные модели таких систем могут обеспечивать помимо отопления и работу стандартных ванных и душевых комнат. Однако, к сожалению, далеко не каждая центральная система способна обеспечить по температурным параметрам работу внутридомового (квартирного) банного помещения, и это несомненно является главным неблагоприятным фактором для развития квартирного банного дела.

Рис. 65. Типы отопительных узлов
Рис. 65. Типы отопительных узлов: а — кирпичная печь с открытой каменкой, б — дымный открытый очаг-каменка, в — очаг с металлической жаровней, г — очаг (жаровня), обложенный валунами, д — кирпичная печь («голландка»), в том числе в вариантах: с варочной плитой («шведка»), с каменной засыпкой в дымовом канале («каменка»), с дымовыми каналами, переключаемыми на калориферный режим, е — отопительно-варочная плита, ж — цельнометаллическая печь («буржуйка»), з —цельнометаллическая печь экранированная (калориферная), и — подвальная печь в термах и хаммамах («гипокауст»), к — пароводяная или электрокабельная система нагрева пола и стен, л — радиационные панели (инфракрасные обогреватели), м — электровоздухонагреватель. Двойными стрелками связаны узлы, имеющие аналогии. Прямые стрелки — конвективные потоки тепла, волнистые стрелки — потоки лучистой энергии, спиральные стрелки — потоки пара при поддачах.

До сих пор в дачных банях используются исключительно местные системы отопления, чаще всего печи на твёрдом топливе или электрические. Наиболее дешёвый вариант — локальный, совмещающий в одной пространственной точке и нагрев воздуха, и воды, и теплоаккумулирующего устройства. В этом случае равномерного и одновременного прогрева всех элементов бани ожидать не приходится.

Для наглядного анализа используем чисто иллюстративную схему модельных отопительных узлов (рис. 65). За исходную точку условно примем цельнокирпичную отопительную печь произвольной конструкции (рис. 65,д). При вводе тепла в такую печь (например, за счёт сжигания топлива или нагрева токоведущих элементов) сначала прогревается кирпичная кладка и только после этого от тёплых стенок печи начинает прогреваться воздух, а затем тёплый воздух сможет нагреть стены бани. Предположим, что в печи сжигается 10 кг дров в час, и в топке при этом выделяется 20 кВт тепла (при коэффициенте полезного действия 50%). Тогда печь массой 1000 кг, требующая для своего прогрева 60 кВт•час тепла, нагреется за 3 часа. Только после этого печь станет греть воздух, но кирпичная кладка может пропустить через себя лишь ограниченный тепловой поток. Так, если внутренние стенки топливника нагреваются до максимально возможного уровня (до температуры пламени 900°С), то тепловой поток через стенки полностью прогретого топливника составит Q=(900°С-20°С)/R=ЗкВт/м², где R =(1/α)+(δ/λ) — термическое сопротивление, α =10 Вт/м²•град — коэффициент теплоотдачи от внешних стенок топливника в воздух помещения, δ=0,12 м — толщина стенки топливника, λ=0,6Вт/м•град — коэффициент теплопроводности кирпича. Внешние стенки топливника нагреваются при этом до расчётного (но недопустимого) уровня 300°С. Это значит, что при площади поверхности топливника порядка 1 м², печь сможет отдать в воздух лишь до 3 кВт из выделяющихся 20 кВт, а остальные 17 кВт будут вылетать из топливника и греть дымообороты и дымовую трубу, а когда нагреются и они, то тепло будет вылетать через дымовую трубу в атмосферу, снижая КПД печи и уже никак не влияя на баню. В реальности же, теплопередача печи (тепловые потоки через кирпичную кладку) ещё меньше и не превышают 1 кВт/м² даже при использовании огнеупорного шамотного кирпича, а в среднем по всей поверхности печи составляет обычно 0,3-0,5 кВт/м² при температуре наружной поверхности печи 90-120°С. Это означает, что мощность кирпичной печи (скорость выделения тепла в топливнике, равная, к примеру, 20 кВт) весьма условно связана с теплоотдачей печи (скоростью отвода тепла через кирпичные стенки в воздух бани, равной, к примеру, 2 кВт при площади внешних стенок печи 4-5 м²), причём мощность кирпичной печи всегда намного больше теплоотдачи печи.

Таким образом, создаётся впечатление, что кирпичная печь крайне неэффективна как отопительное устройство. Действительно, с помощью нагретых наружных стенок кирпичных печей нагреть баню до необходимой температуры невозможно. Но есть одно замечание. Дело в том, что тепло, выделяющееся в печи при её прогреве, никуда не пропадает, а накапливается в кирпиче и, значит, может быть выделено в помещение. Так, например, в средневековых замках Европы протопкой дров в печи нагревали многочисленные дымовые каналы (трубы) в многоэтажных стенах, а затем печь гасили, и открывали многочисленные отверстия в дымовых каналах так, чтобы поднимающийся вверх тёплый, нагревающийся в дымовых каналах печи воздух, поступал в жилые помещения. Именно этот воздушный способ отопления был использован в первых ирландских банях в дополнение к способу повышения эффективности кирпичных (каменных) печей за счёт увеличения площади их стен, а именно путём совмещения печных стенок со стенами и полами банного помещения (рис. 65,и). Но особенно эффективным методом извлечения тепла из внутренних зон кирпичных печей является испарительно-конденсационный

(паровой). Он основан на большой теплоте испарения воды, подаваемой внутрь печи, и выделении тепла при конденсации пара на теле человека и на стенах внутри помещения. Напомним, что если бы у воды теплота испарения (равная теплоте конденсации) была бы мала (например, как у керосина), то на поддачу (с целью нагрева, а не увлажнения) потребовалось бы в 6 раз больше воды (теплоты испарения воды и керосина составляют 539 и 93 кал/г соответственно). Если же для извлечения тепла из каменки использовать воздух, то вместо каждого литра поддаваемой воды надо было бы продувать через каменку 20 м³ воздуха.

При использовании парового метода происходит также и увлажнение воздуха в бане, что даёт добавочный эффект уменьшения теплопотерь с тела человека за счёт снижения скорости испарения влаги с кожи. Вместе с тем, именно по этой причине использовать испарительно-конденсационный метод в жилых помещениях невозможно. Поэтому испарительно-конденсационный метод является исключительно банным и в качестве такового приобрёл в народе особый таинственный ореол, какой-то глубинный житейский смысл. Чтобы не разрушать кирпичную кладку от резких смен температуры при поливании водой, внутрь печи закладывают специальный термостойкий высокотеплоёмкий балласт — засыпку из кусков камня (каменку) или металла (чугунку, которую будем называть также условно каменкой), на которую и льют воду («поддают»). Кирпичные печи со специальной высокотеплоёмкой термостойкой засыпкой называются печами-каменками. Теплоёмкость обычных дачных каменок не столь уж велика: как мы уже оценили в предыдущем разделе, порядка 10 кВт•час при массе каменки 100 кг. Но этого достаточно для испарения 12 литров воды, причём, если испарить все 12 литров воды за 5 минут, то мощность нагрева помещения за эти 5 минут составит 110 кВт, а если испарить за 1 минуту — то мощность превысит 500 кВт, причём всё это тепло будет выделено преимущественно на потолке. Это очень большие тепловые нагрузки, и они могут быть достигнуты только длительной предварительной аккумуляцией тепла. Поэтому каменки безусловно являются очень важным элементом бань. Однако надо со всей определённостью отметить, что практически все современные каменки (например, в металлических и кирпичных печах с плитами) служат лишь для увлажнения воздуха (в том числе и до сверххомотермального уровня), поскольку и без каменок эти современные тепловые источники обеспечивают своей теплоотдачей прогрев бани до необходимого температурного уровня. А вот раньше в отдельных чёрных банях и во всех без исключения белых паровых банях с цельнокирпичными печами-каменками (без плит) паровой прогрев помещений был определяющим, и вследствие этого массы каменок достигали громадных величин — (50-100) кг камней на 1 м³ бани (парилки).

С появлением чугунных печных листов (настилов), так называемых плит (в том числе варочных), стало возможным создавать открытые каменки (рис. 65,а), которые одновременно обеспечивают повышенную теплопередачу с поверхности печи, дают возможность увлажнять воздух путём испарения воды и, кроме того, испускают лучистое тепло. Такие «бездымные» открытые каменки максимально имитируют в плане отопления открытые очаги (костры) чёрных бань (рис. 65 б, в, г). Чугунные листы (настилы) в своё время дали возможность создавать кирпичные отопительно-варочные плиты (рис. 65,е) с резко усиленной теплоотдачей во время топки. Развитие кирпичных печей с плитами в направлении всё более широкого применения металла привело к появлению цельночугунных литых и цельностальных сварных печей, имеющих рекордно низкие теплоёмкости (рис. 65,ж). В комплекте с открытыми каменками они также максимально имитируют (в плане тепловых потоков) очаги чёрных бань и лаконикумов (рис. 65,в). Тем не менее, финны выбрали для своих сухих саун с целью имитации дымных саун (в бездымном варианте) экранированные металлические печи с максимально ограниченным уровнем инфракрасного излучения (рис. 65,з), в том числе и с открытыми каменками.

Металлические печи как огонь: только затопил — тотчас тепло, погасил — сразу холодно. Чугунные печи очень долговечны, в том числе за счёт высокой коррозионной стойкости чугуна, хотя к качеству металла (наличие раковин, трещин, неровностей, наплывов) нарекания были всегда. Чугун малотехнологичен, не прокатывается, плохо сваривается. Поэтому чугунные изделия изготавливают методом литья, технология которого широко использовалась веками, отработана в массовом масштабе, дешева, но уже морально устарела, в первую очередь, ввиду неустойчивого качества и высокой металлоёмкости (хотя в последнее время за рубежом освоены новые методы такого литья бытовых печей и каминов). Стенки чугунных печей и водонагревательных котлов имеют среднюю толщину с учётом рёбер жёсткости 5-15 мм, вследствие чего изделия очень тяжелые и прогреваются при мощности в топливнике 20 кВт за 15-30 минут. Для дачников фактически приемлемы только разборные чугунные печи, состоящие из отдельных литых деталей. При толщине стенок чугунных плит в среднем 10 мм тепловой поток 20 кВт/м² проходит при перепаде температур на плите всего 4-5°С (при теплопроводности чугуна 58 Вт/м•град). Это означает, что теплопередача чугунных печей может быть сопоставима с их мощностью в топливнике, определяемой из часового расхода дров с учётом коэффициента полезного действия по ГОСТ 9817-95.

Стальные печи имеют толщину стенок 2-5 мм, а печи из нержавеющей стали 1-2 мм. Прогреваются они за 5-15 минут, а перепад температур на стенках не превышает 1-2°С (при теплопроводности стали 50 Вт/м •град). Сталь не столь коррозионно стойка, а при температурах выше 500°С теряет механическую прочность на изгиб. При нагреве сильно расширяется, причём при неравномерном нагреве коробится, а при охлаждении образует складки и трескается. Так что стальные печи в основном топятся дровами. Но ввиду высокой технологичности стали, сварные печи в виде аппаратов с водяным контуром (котлы, водонагреватели, водогрейные колонки) нашли широчайшее распространение, в том числе работающие на электричестве.

Ясно, что в энергетическом смысле бане абсолютно безразлична физическая природа выделяемого в печи тепла. Баня «не знает», что горит в печи: дрова ли, торф, уголь, газ или жидкое топливо. А вот дачник знает, и ему не безразлично, что использовать в качестве энергоресурса. Чаще всего его больше всего устраивают либо дрова, либо электричество. Причём опыт работы с дровяными печами подсказывает банные способы использования электронагревателей. Так, различного рода тёплые электрообогреваемые полы и стены, широко используемые ныне в городских квартирах, имитируют условия хаммамов (рис. 65,к). При этом может использоваться и промежуточный теплоноситель — вода, текущая по трубам в стенах или по батареям. Радиационные панели (инфракрасные обогреватели) имитируют условия чёрных бань (рис. 65,л). Различного рода электронагреватели потоков воздуха (тепловентиляторы, фены, тепловые воздушные завесы, тёплый вентиляционный приток с электрокалорифером, обогревающие кондиционеры и др.) имитируют финскую сухую сауну (рис. 65,м). Если у дачника есть ограничения по употребляемой электрической мощности, то единственным способом использования электрической энергии в банях остаётся теплоаккумулирующий, в том числе использующий банную каменку.

Особый интерес представляют известные, но непривычные пока для рядового российского дачника способы обогрева помещений за счёт тёплых полов, стен и потолков. Дело в том, что характерным видом обогрева помещений в России раньше был печной, а сейчас водяной (за счёт батарей-радиаторов или конвекторов). Приборы отопления при этом являются локальными и отдают тепло преимущественно кондуктивно-конвективным образом, причём отдают тепло воздуху. Вследствие этого воздух имеет более высокую температуру, чем стены. Более того, стены греются именно за счёт тёплого воздуха помещения. Это даёт возможность чётко определить чисто бытовым приёмом, тёплый ли у вас дом или нет. Если внутренняя поверхность наружных стен (обращенная внутрь помещения) тёплая, причём зимой, то и дом тёплый. Некоторые дачники оценивают «теплоту» стен прикосновением к ним ладонью, при этом естественно получается так, что каменная поверхность всегда холодная, а деревянная или, например, пенополимерная — всегда тёплая. Поэтому такие дачники обычно уверены, что кирпичный дом холодней деревянного всегда, и в этом их переубедить бывает очень трудно. В действительности же, ощущение тепла при прикосновении руки к поверхности предмета формируется не только температурой поверхности, а скорее теплопроводностью и теплоёмкостью поверхности тела. Это значит, что надо измерять температуру поверхности стен помещения термометром. Если температура стены (то есть поверхности внутренней стороны наружной стены) ниже температуры воздуха в помещении не более, чем на 4°С, то такое помещение считается тёплым и пригодным для проживания (СНиП23-02-2003). А если стена холодней воздуха на 12°С и более, то такое помещение не пригодно даже для производственных нужд с постоянным пребыванием людей, поскольку, во-первых, наблюдается постоянное выделение конденсата на стенах, а во-вторых, человек испытывает озноб из-за больших лучистых теплопотерь. Действительно, при нормальной температуре воздуха зимой внутри помещения 20°С и относительной влажности воздуха 60% абсолютная влажность воздуха составляет 0,01 кг/м³, а точка росы соответственно 12°С. Если стена холодней воздуха на 12°С, то температура стены составит 8°С, то есть ниже точки росы 12°С, и на стене будет выделяться роса (конденсат). Всем известны явления увлажнения и даже промерзания углов дачных домов зимой. Это значит, что относительную влажность воздуха в этом помещении надо снизить, например, до уровня 45% и ниже. Низкая температура стен приводит к дополнительному охлаждению тела человека. Так, в нормальном жилом помещении с температурой воздуха 20°С и температурой стен 16°С теплопотери человека с температурой открытых частей тела 24° С составят αк (24°С-20°С) + αл(24°С-16°С) = 96 Вт/м². А в помещении с холодными стенами 8°С и температурой воздуха 20°С теплопотери составят αк (24°С-20°С) + αл(24°С-8°С) = 152 Вт/м², где αк =10 Вт/м² • град и αл = 7 Вт/м² • град коэффициенты кондуктивной и лучистой теплопередач. Эти выводы качественно абсолютно привычны в бытовых условиях. В полном соответствии с этими представлениями СП23-101-2000 нормирует точку росы в жилых помещениях (не ниже 10,7°С). Аналогично, разница температур стен и воздуха численно связана с термическим сопротивлением стен, также нормируемым в СП23-101-2000.

Совершенно иная ситуация возникает при обогреве помещения тёплыми ограждающими конструкциями. Стены помещения имеют более высокие температуры, чем воздух, и выпадение росы на стенах просто немыслимо. Ощущение комфорта у одетого человека при температуре стен, например, 22°С обеспечивается уже не при 20°С, а при 18°С и ниже. Также как и при обычном российском отоплении, комфортная температура воздуха снижается при наличии физической нагрузки: при лёгкой работе 16°С, при умеренной работе 14°С, при тяжёлой работе 10-12°С. В то же время экспериментально установлено, что температуру стен в жилых помещениях нельзя повышать до сколь угодно высоких уровней: голова человека при отсутствии воздушных потоков должна терять излучением 11,6 Вт/м² (А.Н. Сканави, Отопление, М.: АСВ, 2002 г.).

Если температура ограждающих конструкций выше температуры воздуха в помещении, то этот способ отопления жилых и производственных помещений называется лучистым. Средняя температура стен называется радиационной температурой. Это означает терминологически, что лучистое отопление имеет место при условии, если радиационная температура стен превышает температуру воздуха в помещении.

В банных условиях отопление называется лучистым, если радиационная температура превысит 40°С, поскольку в энергетическом балансе человека появится дополнительный положительный источник тепла. За счёт этого радиационного тепла могут быть снижены температура воздуха в бане (иногда даже до уровня ниже 40°С) и абсолютная влажность воздуха. Это оказывается особо полезным при наличии мощной общеобменной вентиляции в бане. Всё это в совокупности позволяет предполагать, что именно лучистое отопление лучше всего подходит для квартирных бань будущего. При этом комфортное лучистое отопление может быть достигнуто разными коструктивными приёмами. Дело в том, что инфракрасные источники подразделяются в зависимости от температуры излучателя на низкотемпературные (ниже 70°С), среднетемпературные (с «умеренной» температурой от 70 до 250°С), высокотемпературные (до 900°С), осветительные (до 2500°С) и высокоинтенсивные (свыше 2500°С). Ясно, что чем выше температура источника, тем меньше должна быть его площадь для получения той же мощности излучения (как интегральной по спектру, так и спектрально фиксированной). Но чем меньше площадь теплового источника, тем больше неоднородность поля температур в помещении. Поэтому при высокой температуре источника его надо дробить на большое число источников меньшей мощности, и равномерно распределять их на всей поверхности ограждающих конструкций. Более того, каждый локальный источник желательно «размазывать» с помощью рассеивающих отражателей. Единичные локальные мощные лучистые высокотемпературные источники были характерны для самых первых бань примитивного типа — чёрных (лаконикумов и курных мытных изб). Для хаммамов характерны пространственно распределённые низкотемпературные лучистые источники в виде тёплых стен и полов. Распределённые по всей площади высокотемпературные источники могут быть созданы только на электрической основе.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)