Введение
Устройство, используемое для отопления зданий
Печь (американский английский), именуемая обогревателем или котлом в британском английском языке, – это прибор, используемый для выработки тепла для всего или части здания. Печи в основном используются как основной компонент системы центрального отопления. Печи устанавливаются стационарно для обеспечения теплом внутреннего пространства посредством циркуляции теплоносителя, которым может быть воздух, пар или горячая вода. Обогревательные приборы, использующие пар или горячую воду в качестве теплоносителя, обычно называют бытовыми паровыми котлами или бытовыми котлами для горячей воды. Наиболее распространенным источником топлива для современных печей в Северной Америке и большей части Европы является природный газ; другие распространенные источники топлива включают сжиженный нефтяной газ (СНГ), мазут, древесину и, в редких случаях, уголь. В некоторых регионах используется электрическое сопротивление для обогрева, особенно там, где стоимость электроэнергии низкая или основная цель – кондиционирование воздуха. Современные высокоэффективные печи могут достигать эффективности до 98% и работать без дымохода, в то время как типичная газовая печь имеет эффективность около 80%. Отработанные газы и тепло механически отводятся через металлические дымоходы или трубы из поливинилхлорида (ПВХ), которые могут быть выведены через стену или крышу здания. Эффективность использования топлива в газовой печи измеряется показателем AFUE (годичная эффективность использования топлива).
Этимология
Название происходит от латинского слова fornax, означающего печь.
Категории
Печи можно классифицировать на четыре основные категории в зависимости от эффективности и конструкции: с естественной тягой, с принудительной подачей воздуха, с принудительной тягой и конденсационные.
Природный сквоз
Первая категория печей – это печи с естественной тягой и атмосферными горелками. Эти печи состояли из чугунных или клепаных стальных теплообменников, встроенных во внешнюю оболочку из кирпича, каменной кладки или стали. Теплообменники были подсоединены к кирпичным или каменным дымоходам. Циркуляция воздуха обеспечивалась большими, направленными вверх трубами, изготовленными из дерева или металла. Эти трубы направляли теплый воздух в напольные или настенные вентиляционные отверстия внутри дома. Этот метод обогрева работал благодаря тому, что теплый воздух поднимается. Система была простой, имела мало органов управления, один автоматический газовый клапан и не имела вентилятора. Эти печи можно было адаптировать для работы с любым видом топлива, просто изменив конструкцию горелки. Они использовались с дровами, коксом, углем, отходами, бумагой, природным газом, мазутом, а также, на короткий период в начале века, с китовым маслом. Печи, работающие на твердом топливе, требовали ежедневного обслуживания для удаления золы и "шлака", которые накапливались на дне топки. Позднее эти печи оснащались электрическими вентиляторами для улучшения распределения воздуха и ускорения подачи тепла в дом. Газовые и мазутные системы обычно управлялись термостатом внутри дома, в то время как большинство дровяных и угольных печей не имели электрического подключения и регулировались количеством топлива в топке и положением заслонки подачи свежего воздуха на дверце топки.
Принудительный воздух
Вторая категория печей – это печи с принудительной подачей воздуха с атмосферной горелкой и теплообменником из чугуна или секционной стали. В 1950-х и 1960-х годах печи такого типа использовались для замены больших систем с естественной тягой, и иногда устанавливались на существующие гравитационные воздуховоды. Нагретый воздух перемещался вентиляторами, приводимыми в движение ремнями и рассчитанными на широкий диапазон скоростей. Эти печи оставались крупными и громоздкими по сравнению с современными, и имели массивный стальной корпус с прикручиваемыми съемными панелями. Энергоэффективность варьировалась от чуть более 50% до 65% и выше по показателю AFUE. В печах этого типа по-прежнему использовались большие каменные или кирпичные дымоходы для отвода продуктов сгорания, и впоследствии они были адаптированы для размещения систем кондиционирования воздуха.
Принудительный призыв
Третья категория печей – печь с принудительной тягой и средней эффективностью, оснащенная стальным теплообменником и многоскоростным вентилятором. Эти печи были значительно более компактными по размеру, чем предыдущие модели. Они были оборудованы вентиляторами подачи воздуха, которые прогоняли воздух через теплообменник, что существенно повышало эффективность сжигания топлива и позволяло уменьшить размеры теплообменников. Эти печи могли иметь многоскоростные вентиляторы и были разработаны для совместной работы с центральными системами кондиционирования воздуха.
Конденсация
Четвертая категория печей – высокоэффективные газоконденсационные котлы. Высокоэффективные газовые конденсационные котлы обычно достигают КПД от 90% до 98% (AFUE). Газоконденсационный котел включает в себя герметичную камеру сгорания, вентилятор удаления продуктов сгорания и вторичный теплообменник. Основное повышение эффективности газоконденсационного котла по сравнению с котлом средней эффективности с принудительной подачей или принудительным удалением воздуха заключается в улавливании скрытой теплоты из отходящих газов во вторичном теплообменнике. Вторичный теплообменник извлекает большую часть тепловой энергии из отходящих газов, фактически конденсируя водяной пар и другие химические вещества (образующие слабую кислоту) в процессе работы. Вентиляционные трубы, также известные как система отвода продуктов сгорания, часто устанавливаются из ПВХ-труб вместо металлических для предотвращения коррозии, однако это зависит от географического местоположения установки и местных норм. Вентилятор удаления продуктов сгорания позволяет прокладывать выхлопные трубы вертикально или горизонтально при выводе из здания. Типичная схема установки высокоэффективных котлов включает в себя воздухозаборную (приточную) трубу, которая подает свежий воздух извне в камеру сгорания котла. Обычно приточный воздух для сгорания прокладывается рядом с выхлопной трубой из ПВХ во время установки, и трубы выводятся через боковую стену дома в одном и том же месте. Высокоэффективные котлы обычно обеспечивают экономию топлива на 25–35% по сравнению с котлом с КПД 60% (AFUE).
Одноступенчатые
Одноступенчатый котел имеет только один режим работы: он либо включен, либо выключен. Это означает, что он относительно шумный, всегда работает на максимальной мощности и постоянно подает самый горячий воздух с максимальной скоростью. Одним из преимуществ одноступенчатого котла обычно является стоимость установки. Такие котлы относительно недороги, поскольку технология достаточно проста. Однако простота одноступенчатых газовых котлов достигается за счет повышенного шума вентилятора и механической неэффективности. Вентиляторы этих одноступенчатых котлов потребляют больше энергии в целом, поскольку, независимо от потребностей помещения в отоплении, вентилятор и двигатель вентилятора работают на фиксированной скорости. Благодаря работе на одной скорости, одноступенчатый котел также называют котлом с одной скоростью.
Двухступенчатый
Двухступенчатая печь должна работать в двух режимах: на полной и на половинной (или пониженной) мощности. В зависимости от необходимого количества тепла, они могут большую часть времени работать на более низкой мощности. Такие печи обычно тише, перемещают воздух с меньшей скоростью и лучше поддерживают заданную температуру в доме.
Модулирование
Модулируемая горелка может плавно регулировать тепловую мощность и скорость воздушного потока в зависимости от потребности в тепле и температуры окружающей среды. Это означает, что она работает ровно столько, сколько необходимо, и, следовательно, экономит энергию.
Распределение тепла
Печь передает тепло в жилое пространство здания через промежуточную систему распределения. Если распределение осуществляется через горячую воду (или другую жидкость) или пар, то печь чаще называют котлом. Одним из преимуществ котла является возможность получения горячей воды для бытовых нужд, таких как купание и мытье посуды, без необходимости установки отдельного водонагревателя. Недостатком такого решения является то, что при поломке котла прекращается как отопление, так и подача горячей воды. Системы конвективного отопления воздухом используются уже более столетия. В старых системах применялась пассивная система циркуляции воздуха, основанная на том, что более холодный и плотный воздух опускается в область печи, поступая через возвратные решетки в полу, а более теплый и менее плотный воздух поднимается по воздуховодам. Совместное действие этих сил обеспечивало циркуляцию воздуха в системе, называемой системой "гравитационного типа". Конструкция этих "октопусных" печей и их воздуховодных систем оптимизирована за счет использования воздуховодов большого диаметра с регулируемыми заслонками. В отличие от них, большинство современных печей "теплого воздуха" обычно используют вентилятор для подачи воздуха в помещения и забора холодного воздуха обратно в печь для повторного нагрева; этот принцип называется принудительной конвекцией. Благодаря вентилятору, который легко преодолевает сопротивление воздуховодов, схема их прокладки может быть гораздо более гибкой, чем у старых "октопусных" систем. В американской практике для возврата воздуха в печь используются отдельные воздуховоды. В печи холодный воздух поступает, как правило, через воздушный фильтр, затем проходит через вентилятор и теплообменник, после чего подается в здание. Одним из главных преимуществ такой системы является возможность простой установки центрального кондиционирования воздуха путем добавления охлаждающего контура на выходе из печи. Воздух циркулирует по воздуховодам, которые могут быть изготовлены из листового металла или гибких пластиковых воздуховодов, с теплоизоляцией или без нее. Если воздуховоды и воздушная камера не герметизированы мастикой или фольгированной лентой, то в них вероятно будут значительные утечки кондиционированного воздуха, в том числе в неотапливаемые помещения. Другой причиной потерь энергии является прокладка воздуховодов в неотапливаемых местах, таких как чердаки и подвалы, или воздуховодов систем кондиционирования воздуха на чердаках в теплом климате.