Pojemność akumulacyjna i bezwładność cieplna pieców

Rozważając budowę pieca akumulacyjnego mamy do podjęcia szereg decyzji (zostały one pokrótce opisane w artykule Projektowanie pieców akumulacyjnych – kilka kluczowych wyzwań), jedna z nich dotyczy pojemności akumulacyjnej pieca, co bezpośrednio przekłada się na jego bezwładność cieplną, całkowity ciężar pieca oraz grubość jego zewnętrznych i wewnętrznych ścian akumulacyjnych. Niniejszy tekst szerzej opisuje praktyczne różnice między piecami o różnej masie, pojemności akumulacyjnej i bezwładności cieplnej i może być pomocny dla osób które myślą o wyborze rodzaju i wielkości pieca do celów grzewczych.

Karol Szrajber w swojej książce “Nowoczesne Piece Mieszkaniowe” (Warszawa, rok 1938) biorąc pod uwagę pojemność akumulacyjną pieców mieszkaniowych i powołując się przy tym na badania prof Ashe, przedstawił podział tych pieców na 4 rodzaje. Poniżej prezentuję ten podział w oryginalnym brzmieniu (gruba czcionka), pozwalając sobie na poszerzenie opisów poszczególnych typów, w oparciu własne doświadczenia.

1) Piece lekkie, bez zdolności akumulacyjnej. Ich waga mieści się w przedziale od 50 do 200 kg. W grupie tej znajdują się różnego rodzaju przenośne piece metalowe, zazwyczaj produkowane seryjnie. Paleniska tych cięższych egzemplarzy mogą być wyłożone izolacyjnym lub izolacyjno-akumulacyjnym materiałem ceramicznym (najczęściej szamotem), co korzystnie wpływa na temperaturę i efektywność spalania gazów. Piece te mają bardzo niską bezwładność cieplną. Emisja ciepła zaczyna się dosłownie natychmiast po rozpaleniu ognia, natomiast po całkowitym wygaszeniu paleniska, powierzchnie grzewcze tych pieców stygną w czasie około 30 – 120 minut. Aby utrzymać emisję ciepła na stałym poziomie, w piecach tych należy stale utrzymywać ogień w palenisku.

2) Piece o małej zdolności akumulacyjnej. Ich waga mieści się w przedziale od 200 do 500 kg. To także są występujące w sprzedaży piece metalowe, lub małe, ceramiczne piece zduńskie. W tym przypadku materiał ceramiczny poza paleniskiem znajdować się może także w kanałach i komorach grzewczych. Grubość ścian akumulacyjnych zazwyczaj mieści się w przedziale od 2 do 6 cm. Bezwładność cieplna tych pieców jest nieco większa niż w przypadku pieców lekkich. Emisja ciepła zaczyna się od kilkunastu do 30 minut po rozpaleniu ognia w wyziębionym piecu. Po całkowitym nagrzaniu pieca i wygaszeniu paleniska, powierzchnie grzewcze tych pieców stygną w czasie od 3 do 8 godzin.
W przypadku pieców o masie zbliżonej do 500 kg ich moc cieplna może być precyzyjnie dostosowana do strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach, dzięki czemu można zastosować cykliczność okresów palenia i emitowania ciepła. Okresy palenia mogą następować maksymalnie co 6 godzin. Za każdym razem spalamy jeden załadunek drewna, co przeciętnie trwa około godziny.

3) Piece o średniej zdolności akumulacyjnej. Ich waga zawiera się w przedziale od 500 do 1500 kg. Są to piece ceramiczne, ceglane lub kaflowe z ewentualnym pancerzem stalowym. Grubość ścian akumulacyjnych mieści się w przedziale od 6 do 10 cm. Bezwładność cieplna tych pieców jest już wyraźnie odczuwalna. Emisja ciepła z całkowicie wyziębionego pieca następuje w czasie od 30 do 120 minut po rozpaleniu. Po całkowitym nagrzaniu masy akumulacyjnej i wygaszeniu paleniska, powierzchnie grzewcze tych pieców stygną w czasie od 8 do 20 godzin. W piecach tych rozpalamy ogień zazwyczaj 2 razy w ciągu doby (co 12 godzin). Za każdym razem spalamy jeden załadunek drewna, co przeciętnie trwa około godziny. Moc paleniska, a także ciężar, grubość i powierzchnia ścian grzewczych takiego pieca powinna być precyzyjnie dostosowana do strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach. Uzyskujemy wówczas największą efektywność grzewczą i oszczędność paliwa.

4) Piece o dużej zdolności akumulacyjnej. Ich masa przekracza 1500 kg i może dochodzić nawet do 3000 kg lub więcej. Grubość ścian akumulacyjnych mieści się w przedziale między 10 a 17 cm. Bezwładność cieplna jest tutaj największa. Emisja ciepła całkowicie wyziębionego pieca następuje w czasie od 2 do 4 godzin po rozpaleniu. Po całkowitym nagrzaniu masy akumulacyjnej i wygaszeniu paleniska, powierzchnie grzewcze tych pieców stygną w czasie od 20 do 50 godzin. W piecach tych okresy palenia następują zazwyczaj raz na dobę. Spalamy wówczas dwa załadunki drewna, co przeciętnie trwa około dwóch godzin. Przy projektowaniu tych pieców ogromne znaczenie ma precyzyjne dostosowanie mocy paleniska oraz ciężaru, grubości i powierzchni ścian grzewczych pieca do strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach. Uzyskujemy wówczas największą efektywność grzewczą i oszczędność paliwa.

Czym się kierować przy wyborze rodzaju pieca?

Świadomy wybór rodzaju pieca powinien być poprzedzony szczegółową analizą konkretnego przypadku. Pierwszą i najważniejszą informacją jest cel i częstotliwość użytkowania pieca. Stawiamy zatem pytanie “do czego konkretnie potrzebny jest nam piec?”, lub “jakie jest konkretne przeznaczenie pomieszczenia w którym ma stanąć piec?”

Jeśli piec ma być głównym źródłem ciepła w pomieszczeniach mieszkalnych, w których komfort grzewczy powinien być zachowany na stałym poziomie w ciągu całego okresu grzewczego, to zdecydowanie najlepszym rozwiązaniem będzie piec o dużej zdolności akumulacyjnej. Utrzymanie komfortu grzewczego będzie wymagało od nas rozpalania w piecu raz na dobę przez okres około dwóch godzin. To wystarczy aby ściany pieca ciągle emitowały odpowiednią ilość ciepła. Średnia temperatura na zewnętrznej powierzchni pieca ważącego około 2,5 – 3 ton będzie wahałą się między 55-60℃ (bezpośrednio po zakończeniu palenia) a 25-30℃ (po 24 godzinach od rozpoczęcia rozpalenia).

Jeżeli piec ma być uzupełniającym lub awaryjnym źródłem ogrzewania w pomieszczeniach mieszkalnych, i w związku z tym będzie użytkowany tylko czasami, na przykład podczas weekendów, lub podczas największych mrozów, lub w okresie przejściowym (wiosna, jesień), wówczas zasadnym jest wybór pieca mniejszego, o średniej lub nawet małej zdolności akumulacyjnej. Piece takie posiadając mniejszą bezwładność cieplną, szybciej zaczynają emitować ciepło do ogrzewanych pomieszczeń. Ich powierzchnie rozgrzewać się będą do większych temperatur, ale również szybciej stygnąć po wygaszeniu. Za wadę można uznać to, że trzeba częściej rozpalać w nich ogień aby utrzymać odpowiedni komfort w ogrzewanych pomieszczeniach w sytuacji gdy stają się one jedynym źródłem ogrzewania – co 12 godzin w przypadku pieców o średniej zdolności akumulacyjnej lub co 6 godzin w przypadku pieców o małej zdolności akumulacyjnej. Zajmują one jednak zdecydowanie mniej przestrzeni niż piece o dużej zdolności akumulacyjnej i łatwiej można wkomponować je w przestrzeń. Idealnie się zatem sprawdzają jako piece do tzw domków letniskowych, użytkowanych okazjonalnie, również w trakcie zimniejszych okresów roku lub jako autonomiczne ogrzewanie awaryjne. Ich autonomiczność polega na tym że działają niezależnie od dostaw prądu, gazu, wody. Nie posiadają też żadnych mechanizmów, które mogą się popsuć, wywołując awarię pieca.

To tyle, jeśli chodzi o piece, których zadaniem jest ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych – zamieszkiwanych stałe lub okresowo. Zupełnie inaczej będziemy podchodzić do wyboru pieca, który ma być głównym źródłem ogrzewania w pomieszczeniach użytkowanych przez człowieka tylko przez kilka godzin w ciągu doby i ogrzewanych tylko wtedy, gdy przebywa w nich człowiek. Przykładem takich pomieszczeń mogą być różnego rodzaju małe warsztaty lub pracownie rzemieślnicze, w których przebywamy tylko przez jakiś czas w ciągu doby. Tutaj doskonale sprawdzą się albo piece bez żadnej zdolności akumulacyjnej, albo piece o małej zdolności akumulacyjnej. Piece te mają bardzo szybki rozruch i jeżeli ich moc grzewcza jest odpowiednio dobrana do strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach, wówczas przy odpowiednim sposobie palenia mogą one w ciągu 30-60 minut podnieść odczuwalną temperaturę w wychłodzonym pomieszczeniu nawet o kilkanaście stopni.

Ale jeśli w takiej małej pracowni rzemieślniczej praca odbywa się przynajmniej na dwie zmiany i zależy nam na tym, aby komfortowa temperatura była utrzymywana w tym pomieszczeniu przez całą dobę, wówczas warto rozważyć budowę pieca akumulacyjnego o dużej lub średniej pojemności cieplnej. Palenie w takim piecu odbywać się będzie tylko raz w ciągu doby przez dwie godziny (duża zdolność akumulacyjna), lub dwa razy na dobę przez jedną godzinę (średnia zdolność akumulacyjna). To jest bardzo wygodne.

Podsumowując, im większa jest grubość ścian akumulacyjnych pieca, a co za tym idzie im większa jest jego masa, tym większa jest pojemność akumulacyjna i bezwładność cieplna pieca. Oznacza to że rozgrzanie (naładowanie ciepłem) całkowicie wystudzonego pieca o dużej zdolności akumulacyjnej wymaga znacznie więcej czasu niż nagrzanie pieca o mniejszej zdolności akumulacyjnej. Ale z drugiej strony całkowite wystudzenie nagrzanego pieca o dużej zdolności akumulacyjnej również wymaga znacznie więcej czasu niż wystudzenie mniejszych i lżejszych pieców.