Камин с водяным теплообменником: оправданность выбора и особенности установки

В такой системе теплоноситель (вода или антифриз) протекает по змеевику, расположенному в открытой котловой насадке печи или топки. Открытая система подразумевает присутствие в ней открытого расширительного бака, расположенного в самой верхней ее точке. Обычно такой бак размещается на чердаке загородного дома.

Циркуляция теплоносителя в открытой системе, как правило, осуществляется под действием сил гравитации – естественная циркуляция.

Такая система практиковалась в СССР и находила широкое применение для отопления небольших загородных домов. Чугунные радиаторы при этом встраивались в открытые камины или отопительные печи. В ночное время, когда горение в топке не поддерживалось, дома отапливались с помощью электричества или с помощью печного отопления за счет аккумулированного тепла. Сегодня открытые системы отопления в значительной мере вытеснены закрытыми системами. 

Однако открытые системы сегодня находят применение с дополнительным пластинчатым теплообменником, в котором происходит отдача тепла с теплоносителя контура камина теплоносителю системы отопления (рис. 1). 

В этом случае теплоноситель нагревается непосредственно в закрытой котловой части топки или печи (рис. 2). С помощью циркуляционного насоса нагретая жидкость (t = 80–90 ^oC) принудительно под давлением подается по прямой трубе в бойлер-накопитель. По обратной трубе под давлением в котловую часть поступает охлажденный до 60–65 ^oC теплоноситель. Расширительный бак в такой системе – мембранного типа.

При принятии решения на установку дровяного камина с водяным теплообменником необходимо тщательно взвесить все плюсы и минусы такого решения. С экономической точки зрения использование камина с водяным теплообменником не имеет преимуществ перед традиционным решением, где в качестве основного теплогенератора используется отопительный котел (электрический, твердотопливный, пеллетный), а для дополнительного обогрева и создания уюта – обычный дровяной камин, выполняющий функцию домашнего очага. Сегодня стоимость установки дровяного камина с водяным теплообменником в качестве основного отопительного прибора как минимум на 200 000 руб. превышает затраты по традиционному варианту.

Даже при сравнении с традиционной схемой, где основной котел работает на самом дорогом на сегодняшний момент энергоносителе – электричестве, перерасход на установку дровяного камина с водяным теплообменником окупится не ранее чем через 5 лет при условии постоянного проживания в доме. В домах с периодическим проживанием эти затраты будут окупаться значительно дольше.

Дома с периодическим проживанием имеют ряд принципиальных отличий от домов с постоянным проживанием. Площадь таких домов ограничена. В зимний период обогревается, как правило, только первый этаж. Эти дома эксплуатируются в выходные дни или в период кратковременного отпуска.

В отопительный период в домах с периодическим проживанием нет необходимости постоянно поддерживать температуру теплового комфорта – около +20 oC. В период ожидания в доме достаточна температура +5 ^oC, для того чтобы не замерзла вода в системах водоснабжения, отопления и канализации. С такой задачей прекрасно справляются электрические конвекторы.

Мощность электрических конвекторов в 3–4 кВт вполне достаточна для поддержания такой температуры в доме 160 м² в самый холодный расчетный период. Естественно это относится к домам, имеющим утепление в соответствии с действующими нормами.

Отопление электричеством наиболее удобное и комфортное. При наличии ночного тарифа, достаточно распространенного в настоящее время, стоимость отопления на электричестве в ночное время не превышает стоимости отопления на дровах – 1 руб. за 1 кВт/час. В дневное время с отоплением справляется обычный дровяной камин или печь.

Однако в определенном случае использование дровяного камина или печи с водяным теплообменником в качестве основного отопительного прибора оправдано.

Установка камина с водяной топкой будет оправдана, если дом имеет большую площадь, эксплуатируемый второй этаж и ограничения по электрической мощности (например, <3 кВт). Электричества в таком случае для обогрева дома в ночное время не хватает.

Необходимо равномерно распределить тепло по всем (в особенности по удаленным) помещениям, и обогреть дом в ночное время. Эти проблемы может решить камин с водяным теплообменником.

Наиболее продвинутые в производстве дровяных каминов с водяным теплообменником германские, австрийские и итальянские фирмы. При этом все производители при установке таких каминов придерживаются в основном германских норм DIN+. Целесообразно следовать этим нормам и при использовании дровяных каминов с водяным теплообменником в российской практике, ориентируясь при этом на действующие российские нормы по отоплению.

Для конкретного примера возьмем одну из наиболее популярных топок германского производства Spartherm Varia 1V H2OXL (рис. 3). Топка имеет достаточно большую остекленную дверку размером 675 × 510 мм, открываемую вверх. Эта топка по своим видимым габаритам соответствует ее аналогу без теплообменника. Использование такой топки позволяет создать красивый по внешнему виду, сбалансированный по пропорциям камин. Водяной теплообменник скрыт внутри облицовки и не влияет на внешний вид камина.

Для расчета системы примем загородный дом площадью 160 м², который принимается в расчетах на отопление в Германии и расчетные нормы на отопление в московском регионе. В соответствии с действующими российскими нормами на обогрев дома в самую холодную пятидневку (средняя температура воздуха в течение дня –27 ^oC) допустимо расходовать не более 50 Вт в час на 1 м² отапливаемой площади.

Номинальная мощность топки 14 кВт, из них 10 кВт мощности приходится на водяной теплообменник, 4 кВт приходится на конвекцию и излучение. Конвекционный воздух можно подать в смежное помещение. В топочной дверке установлено два стекла. Внутреннее стекло покрыто теплоотражающей пленкой. Такое решение позволяет не допустить перегрева помещения при эксплуатации и не получить ожога при случайном касании остекленной дверки. В самый холодный расчетный период камин работает в течение практически всего дня.

В течение 12–14 часов работы камин производит 14 кВт час каждый час. 8 кВт час расходуется на отопление дома – поступает через бойлер непосредственно к потребителям – батареи отопления, теплый пол (рис. 4). Примерно 1 кВт в час через косвенный нагрев в бойлере идет на приготовление бытовой горячей воды. Избыточные 5 кВт аккумулируются каждый час в бойлере. В течение дня в бойлере посредством нагрева воды аккумулируется 60–70 кВт тепловой энергии. Естественно, в зависимости от размеров дома и качества утепления, качества и количества сжигаемого топлива эти характеристики могут меняться.

За 8 ночных часов 64 кВт тепловой энергии накопленной в бойлере используются на обогрев дома.

Без бойлера-накопителя невозможно накопить тепловую энергию на ночь и оптимизировать потребление тепла по времени суток. Кроме того, бойлер защищает камин с водяным контуром от возможного перегрева. Для этого он должен вмещать не менее расчетного количество воды.

При работе камина в бойлер- накопитель из котловой части топки поступает нагретая до 90 ^оС вода. Протекая по встроенному в емкость бойлера змеевику, вода отдает тепло и нагревает находящуюся там воду. Охлажденный до 65 ^оС теплоноситель поступает обратно в теплообменник топки.

Нагретая в накопителе до 80–90 ^оС вода поступает к потребителям (батареи, теплый пол). Охлажденная вода возвращается в бойлер накопитель.

Бытовая горячая вода нагревается, протекая по другому змеевику, также расположенному в бойлере. При этом бытовая вода и вода для отопления не должны смешиваться.

Для того чтобы накопить 64 кВт тепла емкость бойлера-накопителя должна быть не менее 500 л, а лучше 750 л.

Объем емкости определяют по формуле:

M = 64 000 Вт/час / (90–30) град × 1,638 Вт/град кг = 633 кг. 

Где: 1,638 Вт/град кг – количество тепла, выделяемое или поглощаемое для изменения температуры 1 кг воды на 1 град.

Так как плотность воды примерно равна единице то полученные килограммы можно «приравнять» к литрам. То есть в данном случае достаточно бойлера емкостью 633 л.

Бойлер-накопитель емкостью 750 л обладает внушительными габаритными размерами: высота – 1,7–1,8 м. Диаметр – 0,9–1,0 м. Масса такого бойлера-накопителя вместе с теплоносителем составляет около 1200 кг. Для того чтобы разместить такое оборудование необходим достаточно прочный фундамент и место в помещении. 

Можно применять и бойлер меньшего объема, поддерживая в ночные часы необходимую температуру в бойлере с помощью встроенных электротенов. Однако при использовании бойлера меньшего объема в наиболее холодные дни может возникнуть перегрев воды. И для того, чтобы не допускать аварийного охлаждения воды в теплообменнике топки придется периодически сливать бытовую горячую воду в канализацию.

Кроме топки с водяным теплообменником и бойлером-накопителем для безопасной, долговременной и стабильной работы необходимо наличие дополнительного оборудования. Для того чтобы защитить котловую часть топки от низкой температуры, применяется модуль, отвечающий за температуру повышения обратного потока. Если в бойлере-накопителе температура воды ниже 60 ^оС, то модуль подмешивает к теплоносителю обратного потока воду из прямого потока до достижения требуемой температуры.

В котловой части топки расположен датчик, отвечающий за включение циркуляционного насоса и регулировочного вентиль, переключающего потоки теплоносителя. Для поддержания стабильного давления до 3 атм в систему устанавливается мембранный расширительный бак объемом 12 или 18 л.

Непосредственно в котловой части топки устанавливается клапан удаления воздуха.

Система отопления камином с водяным теплообменником кроме обычных для дровяных каминов мер противопожарной безопасности требует дополнительной безопасности.

При повышении температуры теплоносителя в системе повышается давление. Из 1 л воды при закипании получается 1,5 л пара. Если система безопасности не установлена или функционирует неправильно, то такое повышение температуры приведет к взрыву.

К системе безопасности камина с водяным контуром относятся: вентиль безопасности, который стравливает избыточное давление, и система принудительного охлаждения теплоносителя. Эта система обеспечивает принудительную циркуляцию холодной воды по змеевику, расположенному в котловой части топки. При повышении температуры теплоносителя выше 95 ^оС в трубе прямого потока, открывается предохранительный клапан и из системы холодного водоснабжения в змеевик поступает холодная вода, которая потом сливается в канализацию. Работа клапана подачи воды в систему принудительного охлаждения должна быть независима от электричества и обладать мощностью подачи как минимум 900 л холодной воды в час.

Как опция желательна установка клапана, независимого от электричества, который автоматически перекрывает подачу воздуха в топку при повышении температуры воды в котловой части выше 95 ^оС.

В системах открытого типа термозащита с охлаждающим контуром обязательна только в каминах большой мощности – более 15 кВт. Для систем закрытого типа подключение охлаждающего контура обязательно.

Все дополнительно установленное оборудование и системы подключения должны иметь доступ для периодического осмотра и обслуживания. Для этого в облицовке камина необходимо предусмотреть ревизионные дверки. Камин должен проходить обязательное техническое обслуживание не реже, чем один раз в год.

Температура выходящих газов в каминах с водяным контуром – 150–200 ^оС. Такая температура значительно ниже, чем температура газов в обычных дровяных каминах. Как следствие низкой температуры дымовых газов – низкая сила тяги в дымовых трубах. Подсоединение к дымовым трубам каминов и печей с водяным теплообменником допустимо только в вертикальном положении или под углом 45 град. Дымовые трубы, особенно если они проходят по внешней стороне здания, должны иметь дополнительное утепление.

Топки с водяным теплообменником значительно более долговечны по сравнению с обычными закрытыми дровяными топками. Благодаря отводу тепла с теплообменника в системы отопления и ГВС в них не происходит перегрева металла. 

При работе каминов с такими топками можно избежать также перегрева помещения, где установлен камин. 

Использование каминов и топок с такими системами позволяет разделить по времени произведенное тепло и его потребление и позволяет доставить тепло в удаленные помещения.

Существуют ограничения по размеру топок, в которых применяется водяной теплообменник. Для топок с большими дверками более 1 м водяные теплообменники не применяются из-за недостаточно высокой температуры выходящих газов, нагревающих воду.

Камины и печи с водяным теплообменником (закрытые системы под давлением) достаточно сложные инженерные системы. Монтаж таких каминов и печей допустим только специализированными фирмами, имеющими разрешение на установку систем отопления и водоснабжения.