Расчет количества тепла бани
Прежде чем приступить к выбору конкретных технических решений по конструкции бани и печи, приведём для ориентировки результаты оценочных расчётов параметров предельно большой для рядового садовода бани (с совмещёнными парной и мойкой) длиной 4,0 м, шириной 2,5 м и высотой 3,0 м. Площадь такой бани — 10 м2, объём — 30 м2, площадь ограждающих конструкций (стен, потолка и пола) — 60 м2.
Предположим, что мы топим эту баню зимой при температуре наружного воздуха -20°С, а температуру в бане доводим до +100°С. То есть климатические параметры закладываем предельно жёсткие, но вполне реальные для современных саун. Что же надо предусмотреть, чтобы такая баня была работоспособной? И к тому же не просто работоспособной, а быстро прогреваемой, экономной и дешёвой.
Оценим теплопотери через ограждающие конструкции наружу бани, полностью протопленной в стационарном режиме. То есть в том гипотетическом случае, когда внутренние поверхности стен, пола и потолка бани изо дня в день поддерживаются при температуре +100°С (как, например, жилой дом, правда, при иной температуре).
Результаты расчёта теплопотерь ограждающих конструкций различных типов выглядят следующим образом:
Под утеплителем мы здесь будем понимать минеральную вату (стекловату, шлаковату, базальтовую вату), войлок, мягкие древесноволокнистые плиты, пенопласт, то есть материалы, имеющие близкие коэффициенты теплопроводности. При этом подразумеваем, что утеплитель уложен изнутри по стенам, изготовленным из любого материала (брус, кирпич, сталь, доски и т.п.). Из приведённых цифр видно, что дешёвая лёгкая стена с утеплителем обеспечивает те же теплосохраняющие характеристики, что и массивные стены.
Уровень теплопотерь 6 кВт весьма велик. Например, обычные кирпичные печи имеют теплоотдачу в помещение от 4 кВт до 6 кВт (хотя мощность тепловыделения от горящих дров может достигать и сотен кВт). То есть для поддержания высокой температуры в бане требуются кирпичные монстры типа известной банной печи Суздальцева массой 2500 кг, продолжительность топки которой составляет 12 часов при потреблении дров 14 кг в час.
Ясно, что кирпичные печи для нашей садовой бани не годятся из-за недостаточной теплоотдачи с внешних поверхностей. Подчеркну, что для нагрева воздуха до 100°С температура стенок печи должна быть больше 100°С, причём намного больше. А кирпичные печи снаружи прогреваются по строительным нормам и правилам лишь до 90°С, максимум до 120°С.
Таким образом, за основу мы должны принять концепцию современной финской сауны, то есть бани с металлической печью. Ведь нам не надо держать высокую температуру в парной сутками. Нам нужно быстро баню нагреть (протопить), а потом пусть она относительно быстро охладится. Для такой задачи нам подойдут металлические печи, которые всё тепло, выделяющееся от сжигания дров, тотчас выделяют в воздух, а не в кирпичную кладку печи.
Очевидно, что для быстрого нагрева бани важно не только значение сопротивления теплопередачи стен
Оценим, сколько же тепла надо, чтобы протопить холодную баню (вернее, её ограждающие конструкции) от -20°С до+100°С (у потолка):
Таким образом, чтобы протопить холодную кирпичную баню до заданной температуры, необходимо истратить столько же тепла (и дров соответственно), сколько его хватило бы на поддержание тепла в уже прогретой бане в течение 3 суток.
Приведённые выше расчёты свидетельствуют, что не только кирпичные печи, но и кирпичные бани (даже обшитые вагонкой) для нас совершенно не пригодны. Не подходят даже бревенчатые бани (брусовые): их в обязательном порядке (так же как и каменные бани) надо утеплять изнутри эффективными утеплителями типа минеральной ваты. Без утеплителя бревенчатую баню нам придётся топить даже металлической печью несколько часов.
Толстая вагонка в качестве внутреннего обшивочного материала, который прикрывает утеплитель, тоже не вполне подходит — слишком теплоёмка. Наиболее удовлетворительными характеристиками обладают широко применяемые в промышленно-складском строительстве панели утеплитель-сталь («сэндвич»). Но для высокотемпературных бань сталь не подходит: «обжигает» при соприкосновении — необходимы ограждения.
Остановимся немного на эффекте «обжигания» металлической поверхностью. С первого взгляда это удивительно, поскольку в быту считается, что металл — материал холодный (как говорят, «холодит»). Многие даже считают, что если тёплый деревянный пол застелить листовым металлом, то дом станет холодней.
Конечно, это не так. Металлическая поверхность имеет ту же температуру, что и пол в помещении. А рука (или нога) чувствует не температуру пола, а температуру своей кожи. Металлы имеют очень большой коэффициент теплопроводности. Если приложить руку к поверхности металла, то он начинает интенсивно отводить тепло с кожи, если температура металла ниже температуры кожи. И наоборот, металл будет интенсивно нагревать кожу, если температура его выше. А так как для кожи температура ниже 15°С уже представляется как лютый холод, а температура выше 55°С — как обжигающий жар, то металл с температурой ниже 15°С воспринимается как ледяной, а с температурой выше 55°С — как раскалённый. Само же наличие металла в помещении не приводит ни к снижению, ни к повышению температуры в нём.
Чтобы убедиться, что рука чувствует температуру кожи, а не температуру окружающей среды, достаточно (даже на очень сильном морозе) приложить руку к листу холодного пенопласта (или ещё лучше погрузить руку в сухой перлитовый песок). Вы сразу почувствуете, что пенопласт (даже с температурой -30°С) — очень «тёплый». Это происходит потому, что пенопласт очень плохо проводит тепло (имеет низкий коэффициент теплопроводности) и медленно отводит тепло от руки. Кожа ладони начинает нагреваться потоками крови по кровеносным сосудам от своей обычной температуры 22-26°С до 36°С, что воспринимается как явное тепло.
Свойство эффективного отвода тепла листовым металлом в стороны широко используется. В частности, перед дверцей печи на полу всегда настилают стальной лист. Если из печки упадёт головешка, то тепло от неё сразу распределится по всей площади листа и не сможет привести к воспламенению находящегося под листом деревянного пола. Ведь воспламенение дерева всегда происходит в какой-нибудь одной точке, и если теплоотвод из этой точки велик, то воспламенение затрудняется. Металлические листы используются также для отвода тепла из труднодоступных (в том числе и для воздуха) мест (например, из зон примыкания кладки печей и труб к деревянным конструкциям).
Однако вернёмся к результатам расчёта. Они весьма убедительно говорят, что для нашей бани подходят только варианты ограждающей конструкции с утеплителем и обшивкой тонким слоем дерева или металла. При этом для того, чтобы нагреть внутренние поверхности стен до заданной температуры за 1 час, минимальная мощность металлической печи должна быть где-то в пределах 15-20 кВт. Нагреть надо также саму печь и воду для мытья. Оценим, сколько же для этого нам надо тепла:
Приведённые цифры свидетельствуют, что кирпичная печь — слишком теплоёмкая: фактически она не в состоянии нагреть ни баню, ни саму себя. При мощности тепловыделения от горящих дров 15-20 кВт только на прогрев печи понадобится около 3 часов (что слишком много). А ведь только после этого она сможет начать нагрев помещений.
Следует заметить, что кирпичная печь, запасая при протопке 50 кВт*час тепла, охладится не ранее чем через 10 часов. То есть и на следующий день будет ещё теплой. Но нам этого вовсе не нужно. Это просто растранжиривание дров: баня высохнет и за 2 часа от тепла 15 кВт.час, запасённого стенами (если к тому же предотвратить излишнее намокание полов).
То же самое относится и к каменной засыпке — на её нагрев тоже нужно много энергии. Но оставим этот вопрос решать любителю бани: если кто-то хочет париться путём «поддачи», пусть на полчаса дольше топит печь, только и всего.
Что же касается воды, то достаточное количество кипятка на мойку в шайке составляет 10 л (одно ведро) на одного моющегося. Это требует затрат небольшого количества энергии (порядка 1,2 кВт-час,), то есть эквивалентно работе стандартного электрокипятильника или электроплитки мощностью 1,3 кВт (6 А, 220 В) в течение 1 часа. Нагрев воды для ванны (200 л при температуре 40°С) потребует в 7-8 раз большей энергии.
О минимальных энергозатратах.
Суммируя приведённые выше соображения, определим значения минимальных энергозатрат для «запуска» бани с утеплёнными и обшитыми евровагонкой стенами, с металлической печью без каменки и объёмом нагревамой воды 20 л (на двух человек) при различных температурах снаружи (табл. 1)
Таблица 1.
Минимальные энергозатраты на прогрев бани до +100°С
Таким образом, чтобы натопить баню зимой за 1 час, требуется металлическая печь мощностью порядка 20 кВт. В нижней строчке таблицы 1 приведены данные о необходимом количестве сухих дров калорийностью 3300 ккал/кг (3,8 кВт*час/кг) для обеспечения суммарных энергозатрат на нагрев бани при коэффициенте полезного действия печи 50%.
Что ещё следует из таблицы?
Во-первых, такие уровни энергоподачи с помощью электропечей доступной для садоводов мощности реализовать невозможно. Что же касается дровяных печей, то цифры вполне реальные для любой крупной «буржуйки», которая легко может сжечь в час десяток килограммов дров и натопить за это же время рассмотренную нами баню предельных размеров до 100°С.
Во-вторых, удивительно, как много всё-таки тепла идёт на нагрев воздуха. А ведь мы привели результаты расчёта без воздухообмена, который необходим и даже неизбежен в бане.
Так вот, если в бане — 6-кратный воздухообмен (то есть в течение часа воздух 6 раз заменится свежим с улицы), то на нагрев воздуха может потребоваться больше энергии, чем на возмещение теплопотерь через стены бани. А значит, надо по возможности реже открывать двери.
В-третьих, неожиданным результатом является слабая зависимость энергозатрат от наружной температуры. Казалось бы, зима (-20°С) сильно отличается от лета (+20°С). Однако чтобы протапливать баню в лютый мороз, надо лишь в 1,5 раза больше дров, нежели тёплым летом. Объясняется это тем, что мы приняли температуру в бане очень высокую — 100°С.
Ну а как всё будет выглядеть при температуре бани 40°С?
Посмотрим на результаты, приведённые в табл. 2.
Таблица 2.
Минимальные энергозатраты на прогрев бани до 40°С
Из табл. 2 видно, что энергозатраты зимой в 2 раза больше, чем летом, а без учёта нагрева воды — в 3 раза больше. Сравнив таблицы 1 и 2, также нетрудно заметить, что летом для протопки бани до +40°С требуется в три раза меньше дров, нежели чтобы натопить парную до 100°С, а без учёта воды (которую можно нагреть на газу или электрокипятильником) — в четыре раза.
Невольно задумаешься, какая баня больше подходит садоводу: «турецкая» при 40°С или «финская» при 100°С? Ведь чтобы попариться летом «по-турецки», надо истратить всего лишь около 3 кг дров, причём баня будет готова всего через 15-20 минут.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сауна. Гигиеническая баня для дачника и садовода, М.: «Издательство АСТ», 2004.
2. Теория бань. Учебник, М.: «Книга и бизнес», 2006.
Источник статьи: http://altay-krylov.ru/dom/skolko_drov_protopit_banju.html
Способы расчёта требуемой мощности банной печи
Производительность современной печи для бани рассчитывают исходя из размеров парилки и параметров постройки. Для этого оперируют кубатурой обогреваемого помещения, принимая в расчёт целый ряд дополнительных факторов, которые оказывают прямое влияние на теплосберегающие способности парилки.
Горячее сердце бани
Производительность современной печи для бани рассчитывают исходя из размеров парилки и параметров постройки. Для этого оперируют кубатурой обогреваемого помещения, принимая в расчёт целый ряд дополнительных факторов, которые оказывают прямое влияние на теплосберегающие способности парилки.
Перемножив высоту, ширину и длину помещения, можно лишь получить некую исходную отправную точку для дальнейших расчётов, которая представляет собой минимальную производительность отопительного агрегата. На деле есть ещё ряд параметров, которые изменяют требования к мощности. Необходимо добавить в расчёт теплопотери условно холодными поверхностями, такими, как стеклянная дверь, окно, кирпичная кладка, облицовка камнем или плиткой и так далее).
Если в парилке есть окно, необходимо добавить 3 м 3 на каждый квадратный метр площади окна в случае одинарного остекления и 1,5 м 3 в случае двойного. По той же схеме добавляем 1,2 м 3 на каждый м 2 стеклянной двери. Коэффициент тут меньше, поскольку за дверью находится тёплое помещение, а не улица.
Кирпичная перегородка эквивалентна прибавке 1,2 м 3 объёма парилки на каждый квадрат своей площади. Большая теплоёмкость кирпича требует дополнительного обогрева. Так же поступают и с выложенной камнем поверхностью внутри парилки.
Очевидно, что такой расчёт окажется не вполне корректным, если материал, из которого построена баня, вообще не будет принят во внимание. Поэтому постараемся предусмотреть и этот фактор.
Если стены выполнены из бревна без внутренней отделки (стены не обшиты вагонкой через теплоизоляцию), объём парилки нужно умножить на 1,5 при толщине стен 100-140 мм и на 1,75 при толщине бревна 200-240 мм.
Ошибки тут нет, увеличение толщины простых бревенчатых стен требует затрат мощности. Это связано с большой теплоёмкостью древесины — больше тепла уйдет на её прогрев. Если же парилка имеет хорошую теплоизоляцию, её стены обшиты вагонкой с утеплителем и пароизоляцией фольгой, берётся понижающий коэффициент для «каркасников», который равен 0,6-0,7.
Когда печь топится из смежного помещения, требуемую производительность необходимо увеличить как минимум на 10-15%. Некоторую роль в прибавке мощности может сыграть дымоход банной печи, точнее, его расположение. Если значительная его часть расположена в парилке, он также может стать источником дополнительного тепла.
Поскольку в русской бане пар образуется в результате плескания воды на раскалённые камни, при выборе банной печи указывается объём (вес) камней, которые в этой печи можно разместить. Однако это не значит, что камни необходимо загружать по максимуму. На 1 м 3 парилки обычно требуется не более 1,5 кг камней.
По результатам расчётов порой получается довольно солидная прибавка. Но для бани стоит выбрать дровяную печь большей мощности, чем меньшей: лучше придушить горение, чем не протопить парную до требуемой температуры.
Особенно важен этот запас зимой, когда баня промерзает насквозь. При выводе её в режим парения и пригодятся резервы, которые летом кажутся излишними. Наличие некоторого запаса позволит не раскалять печь до предела. Кроме того, позволит быстрее и лучше прогревать каменку, что в итоге обеспечит более комфортные условия бани. Минусы тоже есть. Это цена и размеры.
Методика расчета мощности печи для сауны подобна. Для прогрева одного кубометра парилки до требуемых параметров в среднем необходима тепловая мощность порядка 1 кВт. При наличии постоянного отопления (сауна в доме) берут понижающий коэффициент 0,7.
При среднем уровне утепления парилка обычно готова за 2-3 часа. Для сокращения времени на час необходимо увеличить мощности электрокаменки на 60-80%. Однако размер парной в сауне обычно меньше, так что на деле показатели производительности печей для бани и сауны сопоставимы.
В отличии от дровяной печи, мощность электрической каменки сауны должна быть близка к оптимальной, не больше и не меньше. Печь большой мощности будет нагревать быстрее, а затем отключаться. Результатом станет горячий воздух при холодных камнях, на которые бесполезно лить воду — пара они не дадут.
На маломощной печи также не сэкономить. Работая в предельных режимах, она не сможет обеспечить приемлемую скорость нагрева (время разогрева увеличится, а вместе с ним и энергозатраты), а из-за регулярной перегрузки быстро выйдет из строя.
Пример расчёта
Пример расчётаДля небольшой парилки размером 2,5*2,5*2,2 метра получаем печь, минимальной производительности на 13,75 м 3 . Окно с одинарным остеклением размером 0,4*0,4 м добавит 0,48 м 3 . Печь с выходящей в тамбур топкой добавит 10%, то есть ещё 1,4 м 3 . Кирпичная перегородка 1,2*1,5 м заберёт тепло, эквивалентное 2,16 м 3 . Дверь пусть будет деревянная, но не особо утеплённая и со стеклянным окошком, размером 0,8*1,5 м. Поэтому добавим на неё ещё 1,44 м 3 .
Если парилка утеплена по всем правилам (то есть на стенах слой базальтовой изоляции, которая укрыта фольгой в качестве отражающей тепло и пароизоляции, стыки тщательно проклеены, на потолке двойной слой утеплителя и всё это зашито вагонкой), имеющийся объём парилки уменьшаем на поправочный коэффициент, который на всякий случай пусть будет 0,7.
Таким образом, вместо 13,75 м 3 получаем исходную цифру 9,63 м 3 . В итоге расчётная требуемая мощность банной печи будет: 9,63+0,48+1,4+2,16+1,44=15,11 м 3 . Вполне приемлемое значение. Для дровяной печи, с учётом лучшего прогрева каменки, можно выбрать печь производительностью 20 м 3 (то есть ориентировочно 15-25 м 3 указанных в паспорте производителем).
Мощность электрической печи высчитывается схожим способом, здесь лучше выбирать модель, наиболее приближенную к расчётному значению в 15 кВт. То есть печь для сауны с паспортными параметрами номинальной мощности 14-16 кВт.
При выборе конкретной модели банной печи искомый результат будет находиться ближе к середине диапазона предельных значений. Например, при расчётных в 20 м 3 лучше выбрать печь-каменку с паспортной мощностью не 16-20, а 22-26 м 3 .
Можно произвести и более сложные расчёты, учитывающие отдачу и восполнение тепла камнями, время работы печи и количество одновременно находящихся в помещении людей, количество выливаемой на каменку воды, однако для простой семейной бани это уже излишне.
Источник статьи: http://domidei.ru/articles/sposoby-rascheta-trebuemoi-moshnosti-bannoi-pechi
