Projektowanie pieców akumulacyjnych – kilka kluczowych wyzwań

Projektowanie pieców akumulacyjnych - kilka kluczowych wyzwań

Jeśli myślisz o budowie akumulacyjnego pieca komorowego (bezkanałowego), który będzie ogrzewał twój cały dom, lub jakąś określoną jego cześć, ten artykuł naświetli ci kilka kluczowych wyzwań z którym prawdopodobnie się zetkniesz.

Akumulacyjny piec komorowy jest urządzeniem składającym się z trzech kluczowych elementów: paleniska, masy akumulacyjnej oraz komina. Każdy z tych elementów można zbudować na wiele sposobów, każdy z nich wpływa i oddziałuje na pozostałe, a wszystkie razem tworzą zwartą całość, która powinna działać efektywnie, bezpiecznie, długo, prosto i sprawnie. A co najważniejsze, konstrukcja ta powinna być dostosowana do rzeczywistych potrzeb grzewczych konkretnej lokalizacji.

Zapotrzebowanie budynku na energię cieplną

Pierwszym zadaniem gospodarza lub projektanta pieca jest zebranie kluczowych informacji na temat warunków panujących w budynku. Jeśli projekt domu, w którym planowane jest postawienie pieca zawiera dane o zapo­trze­bo­wa­niu obiektu i jego poszcze­gólnych pomiesz­czeń­ na energię cieplną, to najważniejsza informacja jest już podana. Jeżeli w projekcie nie ma takich danych to albo zlecamy wykonanie audytu energetycznego fachowcowi, albo przeprowadzamy go samodzielnie. Uproszczone narzędzie do samodzielnego wykonania takich obliczeń znajduje się na stronie. http://cieplowlasciwie.pl/start

Gdy znamy już zapotrzebowanie budynku i jego poszczególnych pomieszczeń na energię cieplną przystępujemy do projektowania pieca, który zaspokoi tę moc, mając jednocześnie na uwadze optymalne połączenie potrzeb, oczekiwań i estetycznej wizji gospodarzy i projektanta z wymaganiami technicznych i konstrukcyjnymi pieca.

Lokalizacja pieca względem ścian budynku

Ponieważ główną funkcją pieca akumulacyjnego jest ogrzewanie budynku lub konkretnych pomieszczeń, miejsce ustawienia pieca powinno być dobrane w taki sposób, aby piec wypromieniowywał nagromadzone ciepło w najbardziej efektywny sposób. Najlepsze rezultaty uzyskamy gdy maksymalna powierzchnia pieca będzie wyeksponowana na ogrzewaną przestrzeń. Lokalizacja centralna jest zatem najkorzystniejsza. Dobrym rozwiązaniem jest również wkomponowanie pieca w ścianę działową pomiędzy dwiema dużymi przestrzeniami mieszkalnymi. Zdecydowanie należy unikać dostawiania pieca do ścian (szczególnie zewnętrznych lub nośnych), gdyż tracimy wówczas powierzchnię grzewczą pieca. Jeśli jednak zmuszeni jesteśmy zbliżyć piec do ściany, należy zachować margines minimum 13 cm. Taka odległość między ścianą pieca a ścianą budynku nadal umożliwia swobodne emitowanie ciepła przez tę ścianę pieca. Jeśli zmuszeni jesteśmy ze względów technicznych lub estetycznych dostawić piec do ściany, to przestrzeń między piecem a ścianą warto oddzielić materiałem izolacyjnym. Pewna cześć ciepła zostanie dzięki temu zachowana wewnątrz pieca, podnosząc nieco efektywność grzewczą pozostałych ścian pieca.

W przypadku dostawienia pieca bezpośrednio do jednej lub dwóch ścian budynku należy odpowiednio dostosować moc paleniska oraz zwiększyć ilość powierzchni grzewczej masy akumulacyjnej emitującej ciepło do pomieszczenia, aby zaspokoić zapotrzebowanie na moc grzewczą w ogrzewanej przestrzeni.

Lokalizacja pieca względem komina

Jeśli komin do którego chcemy podłączyć piec akumulacyjny jest już wybudowany to wybór lokalizacji pieca jest w dużym stopniu zawężony. Wprawdzie polskie przepisy budowlane (norma PN-87 B-02411) pozwalają na oddalenie pieca od komina na maksymalną odległość równą połowie wysokości komina, to jednak ze względów praktycznych i estetycznych oddalanie pieca od komina na odległość większą niż dwa metry jest rzadko stosowane. W przypadku komorowych pieców akumulacyjnych częstym elementem łączącym piec z kominem jest specjalna ława grzewcza, będąca ostatnią komorą akumulacyjną pieca. Przejście spalin z ostatniej komory pieca do komina lokujemy w najniższym możliwym punkcie komory i komina, co wynika ze specyfiki konstrukcyjnej pieców komorowych (więcej o tym w oddzielnym artykule).

Jeżeli komin nie jest jeszcze postawiony i mamy wpływ na jego lokalizację to dysponujemy znacznie większym manewrem wyboru. Komin może być całkowicie lub częściowo wkomponowany w bryłę pieca, może przylegać bezpośrednio w dowolnym miejscu wzdłuż linii trzech ścian pieca – prawej, lewej bądź tylnej, lub może być oddalony od pieca na preferowaną odległość. Wszystko zależy od estetycznej i praktycznej wizji, gospodarzy, architekta oraz projektanta pieca.

Pamiętać należy że analogicznie jak w przypadku ścian budynku każda powierzchnia pieca przylegająca do komina zostaje wyłączona z powierzchni grzewczej pieca i należy to uwzględnić przy doborze mocy paleniska oraz ilość powierzchni grzewczej masy akumulacyjnej.

Dobór grubości ścian akumulacyjnych

Grubość ścian akumulacyjnych pieca powinna zawierać się w przedziale od 7 do 13 cm. Większa grubość (czyli większa kubatura masy akumulacyjnej) powoduje zwiększenie zdolności magazynowania ciepła, ale także zmniejszenie prędkość przepływu tego ciepła oraz zmniejszenie temperatury powierzchni grzewczej. Zatem piec z grubszymi ścianami będzie wymagał stosunkowo dłuższego okresu palenia, aby nasycić go odpowiednią ilością ciepła i osiągnąć pożądaną temperaturę powierzchni grzewczej. Piece z grubszymi ścianami wolniej reagują na intensywność palenia, wolniej oddają ciepło i dłużej je przechowują. Piece z cieńszymi ścianami nagrzewają się szybciej, osiągają większe temperatury na powierzchni grzewczej, ale także szybciej stygną.

Warto także pamiętać że ze względów zdrowotnych maksymalna temperatura na powierzchni pieca mieszkalnego nie powinna przekraczać 60°C. Wyższa temperatura powoduje zniekształcenie naturalnego składu powietrza, które staje się suszące i ulega zanieczyszczeniu przez przypalanie organicznych cząsteczek kurzu.

Moc cieplna pieca akumulacyjnego

W przypadku pieców akumulacyjnych moc cieplna paleniska oraz moc cieplna powierzchni grzewczej masy akumulacyjnej są dwiema różnymi wielkościami, które powinny ze sobą korespondować, dając zamierzony rezultat.

Igor Kuzniecow (www.stove.ru) opierając się na rosyjskich opracowaniach technicznych podaje, że ciepło emitowane przez jeden metr kwadratowy powierzchni grzewczej pieca akumulacyjnego, który jest rozpalany dwa razy na dobę przez okres od 1,5 do 2 godzin wynosi w uśrednieniu 0,5kW na godzinę. Można zatem szacować, że piec akumulacyjny o wymiarach podstawy 1m x 1m i wysokości 2m. ma łączną uśrednioną moc 4kW na godzinę (nie wliczamy tu sufitu pieca, gdyż często jest on izolowany i ma minimalną emisję ciepła). Jeżeli w piecu będziemy rozpalać tylko raz dziennie, wówczas jego uśredniona moc będzie pomniejszona o 30-40% wobec dwóch rozpaleń na dobę.

Dobór mocy paleniska

Maksymalna moc paleniska w piecu akumulacyjnym powinna być na tyle duża, aby przez okres od 1,5 do 2 godzin intensywnego palenia w piecu masa akumulacyjna pieca została nasycona ciepłem do tego stopnia, aby mogło ono być stopniowo emitowane do pomieszczeń przez kolejne 12-20 godzin, utrzymując stabilny komfort cieplny.

W piecach akumulacyjnych budowane są zatem wydajne paleniska o mocy sięgającej od 30 do 50 kW, które eksploatuje się na pełnej mocy, osiągając przy tym maksymalnie wysoką efektywność spalania gazów.

Karol Szrajber w swojej książce „Nowoczesne Piece Mieszkaniowe” (Państwowe Wydawawnictwo Techniczne, Warszawa 1951) zaznacza, że zdolność grzejna pieców akumulacyjnych, które grzeją ciepłem zgromadzonym w ścianach akumulacyjnych zależy również od intensywności ich opalania i przy forsownym paleniu może być powiększona nawet o 50%. Dlatego też przygotowując projekt pieca możemy zdolność grzejną ścian akumulacyjnych ustalić na poziomie 65-75%, wypadających z obliczeń godzinnych strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach, zakładając, że podczas większych mrozów, które trafiają się tylko czasami, będziemy mogli pokrywać maksymalne zapotrzebowanie na ciepło poprzez dłuższe lub częstsze palenie.

Uwzględnienie rodzaju komina

Projektując piec należy zadbać również o to, aby ilość masy akumulacyjnej oraz moc i wielkość paleniska była dopasowana w taki sposób, aby poza rekompensatą współczynnika godzinnych strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach, zagwarantować również prawidłową pracę i eksploatację komina.

Jeśli mamy do czynienia z kominem wrażliwym na wilgoć (np. murowanym z cegły), należy wówczas zadbać o to, aby ilość masy akumulacyjnej odbierającej energię cieplną oraz moc paleniska dostosować do konstrukcji komina w taki w sposób, aby temperatura spalin w dowolnym odcinku komina była wyższa od punktu rosy spalin, 52°C. W przeciwnym razie skropliny będą wpływać destrukcyjnie na konstrukcję takiego komina.

Dobrze jest, jeżeli temperatura spalin na wyjściu z użytkowanego regularnie pieca (rozpalanego przynajmniej raz dziennie), podłączonego do komina wrażliwego na wilgoć, dochodziła po 10-15 minutach od zainicjowania ognia do 120-150°C. W przypadku dobrze zaizolowanego komina, odpornego na działanie wilgoci temperatura spalin na wyjściu z pieca może zostać obniżona nawet do 80°C.

Fundament

Akumulacyjny piec komorowy o wymiarach podstawy 1x1m i wysokości 2m może ważyć w zależności od grubości ścian i rodzaju użytych materiałów od 1,7 do 2,5 tony. Potrzebujemy zatem fundamentu dostosowanego zarówno do tego ciężaru jak i do uwarunkowań technicznych panujących na miejscu budowy. Inaczej przygotowuje się fundament pod piec na różnych rodzajach wylewek, inaczej na stropach, inaczej na gołym gruncie. Zalecam konsultować te szczegóły z lokalnym konstruktorem budowlanym. Błąd przy konstrukcji fundamentu może skutkować pęknięciami ścian pieca, posadzki, lub stropu. Piec jest urządzeniem, które pod wpływem eksploatacji i dużych zmian temperatur rozszerza się i drga (im mniejsza masa pieca i większa moc paleniska, tym intensywniejsza praca), warto zatem na obwodzie fundamentu zastosować dylatację o odpowiedniej grubości (przynajmniej 5-10 mm).

W przypadku budowy pieca na gołym gruncie sugeruję aby betonowy fundament pod piec miał grubość od 20 do 30 cm i był uzbrojony dwiema kratownicami wykonanymi z karbowanych prętów stalowych o grubości 10-12mm połączonych ze sobą drutem wiązałkowym. Odległość między równoległymi prętami w kratownicach powinna wynosić 10cm dla prętów o grubości 10mm lub 12cm dla prętów o grubości 12mm. Obie kratownice powinny być połączone ze sobą strzemionami zbrojeniowymi w taki sposób aby pod dolną kratownicą i nad górną kratownicą znajdowały się marginesy betonu o grubości od 3cm do 5cm. Spód fundamentu oraz wszystkie ściany boczne należy zabezpieczyć warstwą hydroizolacyjną. Wszystkie ściany boczne fundamentu należy również obłożyć warstwą dylatacyjną o grubości 5-10mm oddzielającą fundament pieca od posadzki lub innych fundamentów. Górna powierzchnia fundamentu powinna być wzniesiona na wysokość docelowego poziomu posadzki.

W przypadku budowy pieca na gotowej posadzce należy ustalić jej wytrzymałość z konstruktorem budowlanym i w razie konieczności uzgodnić z nim optymalny sposób wzmocnienia posadzki pod konstrukcję pieca. W wielu przypadkach dobrym zabiegiem jest miejscowa likwidacja wierzchniej i środkowej (izolacyjnej) części posadzki. W tym celu najpierw wyznaczamy na posadzce obrys fundamentu pieca, następnie powiększamy ten obrys o grubość bocznej dylatacji fundamentu (5-10mm na każdy bok), po czym usuwamy całą wylewkę posadzkową oraz warstwę izolacyjną. Miejsce wgłębienia (spód i boki) wyścielamy warstwą hydroizolacyjną, do boków przystawiamy warstwę dylatacyjną, po czym ustawiamy zbrojenie i wylewamy fundament wg sugestii opisanych powyżej.

W przypadku budowy pieca na stropach absolutnie konieczna jest konsultacja z lokalnym konstruktorem budowlanym, który precyzyjnie określi punktową nośność stropu i poda konkretne sposoby jego wzmocnienia.

6 komentarzy
  1. „Gdy znamy już zapotrzebowanie ma moc grzewczą budynku”

    Z logiki zdania wynika, że budynek jest źródłem ogrzewania.
    (w sumie budynki ogrzewają środowisko, ale nie o to nam tu chodzi, prawda?)

    Napisałbym raczej :
    „Gdy znamy już zapotrzebowanie budynku na moc grzewczą”

    a w języku budowlańców termin :”zapotrzebowanie na energię cieplną” lub
    obciążenie cieplne (czyli minimalna moc źródła ciepła niezbędna dla zapewnienia komfortu.)

    Frapuje mnie jedynie dlaczego nadal twierdzi się, że temp wylotowa spalin nie może być niższa niż owe 52*C.
    Było to obliczone dla palenisk, w których nie zachodziło dopalanie gazów pirolitycznych, w yniku czego powstawał kerozyt.
    W przypadku pieców rakietowych w spalinach nie ma już przecież metylofenoli.
    Więc kondensacji czego się obawiamy?

    • Dzięki za dobrą sugestię „zapotrzebowania budynku”. Naniosłem zmiany w tekście.

      Owszem, konstrukcja pieców rakietowych jest bardzo sprzyjająca dla zaistnienia warunków niezbędnych do czystego spalania gazów pirolitycznych, lecz sama konstrukcja to za mało aby mieć gwarancję czystego spalania. Piec rakietowy jak każdy prosty piec na paliwo stałe wymaga bardzo świadomej obsługi. Nadmiar lub niedobór powietrza pierwotnego lub wtórnego może bardzo wyraźnie zmniejszyć efektywność spalania gazów. Gdy dodamy to tego różne rodzaje drewna o różnej wilgotności, to osiągnięcie za każdym razem czystego spalania stanie się bardzo dużym wyzwaniem nawet dla doświadczonego palacza. Ten temat wymaga szerszego opisu. Postaram się to zrobić w wolnej chwili.

      • fajno!
        Co do dopalania gazów to fakt, że niedomiar tlenu jest mocno szkodliwy dla przebiegu procesu spalania, ale nadmiar stchiometryczny, to chyba już musiałby być bardzo znaczny, bo IMHO może wpłynąć swa objetoscia na skrócenie czasu przebywania gazów w podnośniku i w związku z czym na niższy stopień przereagowania.

        drewno jest b.roznorodne, stad jest b ciezko normowalnym paliwem. m.in. z tego powodu podstawą jest palenie b. suchym drewnem.

        Przyjemnie by było poczytać tekst o prawidłowym opalaniu.
        Mam nadzieję,że znajdziesz wolny czas.

        btw. gdzies w twym opracowaniu o piecach pojawił się słowo TĘPO w miejsce TEMPO.

  2. Mam zapytanie co do izolacji cieplnej fundamentu pod piec . W powyższych opisach nie zauważyłem infa nt temat, a w innych miejscach czytywałem jak ważnym punktem jest izolacja cieplna fundamentu . Zakładając, że jednak powinna być ta izolacja, to jak to pogodzić z masą ok. 2 ton /m2 ?

    • Izolacja termiczna fundamentu pieca ma sens tylko wówczas gdy przy podłodze w sposób wymuszony przeprowadzamy jakiś kanał z gorącymi spalinami lub jeżeli palenisko ulokowane jest bezpośrednio na fundamencie. W przypadku komorowych pieców akumulacyjnych takie przypadki zazwyczaj nie występują. Pod paleniskiem jest z reguły albo popielnik, albo postument z cegieł lub metalowych kątowników. Jeżeli z jakichś racjonalnych powodów chcemy wykonać izolację fundamentu pieca to możemy to zrobić na kilka sposobów… np materiał izolacyjny (perlit, wermikulit, keramzyt, tłuczeń szklany itp) układamy w koleinach z cegieł ustawionych na wozówkach, które zamykamy od góry również cegłami lub specjalnie przygotowanym odlewem z betonu żaroodpornego (który również może zawierać kruszywo izolacyjne).

Pozostaw odpowiedź