Статья "Почему дует из камина?"
Подходим к камину или печи, открываем дверцу топки или задвижку (на печах) и ощущаем, что из топки дует более или менее интенсивный поток холодного воздуха. Если мы все же в этот момент решаемся начать растопку, то часто получаем в результате полный (в буквальном смысле) дом дыма и т.д. В этом случае мы сталкиваемся с явлением, называемом в среде профессионалов обратной тягой. Задача настоящей статьи – предложить способы борьбы с этим явлением, его предотвращения или минимизации последствий.
На протяжении моей практики строительства каминов и дымоходов, я сталкивался с обратной тягой бесконечное количество раз. Можно сказать, что типичное явление для современного дома.
Естественно было задаться вопросом – почему?
Ответ:
1. Конструкция здания, наличие теплой мансарды и отсутствие холодного чердака соответственно
2. Наличие в конструкции здания открытых лестничных пролетов, залов со вторым светом
3. Холодная (не достаточно теплоизолированная) дымовая труба
4. Наличие вытяжной вентиляции, не сбалансированной по притоку воздуха, в сочетании с герметичными оконными и дверными проемами
5. Режим использования здания с нерегулярным использованием (топкой) очага
6. Конструкция дымохода и отопительного оборудования
По моему убеждению, вышеперечисленные факторы в разных сочетаниях и в разной степени в разных случаях вместе или порознь способствуют возникновению обратной тяги.
Для того, чтобы понять причины образования обратной тяги, нужно понять, что такое нормальная тяга и почему она должна существовать.
Вспомним несколько понятий из физики (можно не читать).
1. Давление жидкости или газа (воздуха) измеряется в нашем случае в Па – паскалях. 1 Па = 1 ньютон/1 м2. Нормальное атмосферное давление, выраженное в Па приблизительно равно 1*105 Па.
2. Давление не зависит от формы сосуда, а зависит только от высоты столба жидкости или газа.
3. Сообщающиеся сосуды, это сосуды, имеющие в общих очертаниях форму буквы «U».
4. Плотность воздуха при комнатной температуре примерно 1,2 кг/м3, а удельный вес (γтепл) – 11,8 Н/ м3. Эти физические характеристики зависят от температуры воздуха. Для упрощения расчета будем считать, что удельный вес воздуха за пределами здания γхол = 12,8 Н/ м3, а средний удельный вес дымовых газов при соответствующей температуре γдым = 8 Н/ м3. Средний удельный вес воздуха при комнатной температуре находится в промежутке между этими величинами. Учитывая вышеприведенные сведения, сообщающимся сосудом можно считать дымовую трубу и окружающее дом воздушное пространство.
На Рис. 1 показано взаимодействие теплого и холодного воздуха в идеальном камине. Внутри камина и дымовой трубы находится столб нагретого воздуха (Ндым), а снаружи ему противостоит столб холодного воздуха (Ннар). Так как холодный воздух тяжелее нагретого, то система теряет равновесие и возникает движение воздуха и дымовых газов в направлении, показанном красной стрелкой. Это и есть нормальная Тяга. Такое положение характерно и для камина, находящегося в покое, с той лишь разницей, что в этом случае наблюдается или небольшое движение воздуха по дымовому каналу или полный покой в случае перекрытия дымохода или зева топки.
Теперь рассмотрим более реальный случай. На Рис. 2 мы видим идеальный камин, расположенный в доме с холодным (неотапливаемым) чердачным помещением. Хорошо видно, что в данном случае картина отличается от предыдущей. Высота столба воздуха в дымоходе такая же (Ндым), а вот высота столба наружного воздуха (Ннар) складывается из Нтепл – т.е. высоты теплого объема помещения и высоты столба холодного воздуха Нхол. В этом случае, давление, создающее Тягу значительно меньше, чем в идеальном случае и тем меньше, чем больше высота теплого объема помещения. Особенно заметным становится разница между первым и вторым вариантом в состоянии покоя камина, когда труба заполнена воздухом при комнатной температуре.
Теперь перейдем к еще более типичному случаю. Ему соответствует Рис. 3. Это макет здания с отапливаемой мансардой. Высота теплого объема здания Нтепл достигает максимума и почти сравнивается с общей высотой дымохода Ндым. В этом случае Ннарсостоит практически из Нтепл. Это вариант неустойчивой работы камина, а в случае состояния покоя любая случайность может спровоцировать явление обратной тяги.
В начале я намеренно ушел от количественных характеристик процесса. Давайте теперь рассмотрим, с какими величинами давления мы имеем дело. Нетрудно вычислить давление на колоснике в каждом из конкретных случаев. Особенно нас заинтересует случай на Рис 3, как наиболее типичный. Обычный дом с высотой в коньке 7,5 м имеет в соответствие с действующими нормами высоту дымохода Ндым = 8 м. Соответственно высота теплого объема Нтепл будет примерно на 1 м меньше. Таким образом, принимаем для приблизительного расчета Нтепл = 7 м, Нхол = 1 м. Давление столба воздуха в общем случае будет равно высоте столба умноженной на удельный вес воздуха при соответствующей температуре.
P=H*γ; (1)
Где:
* Р – давление, Па;
* Н – высота столба воздуха, м;
* γ - удельный вес воздуха Н/м3.
Для нашего случая давление столба воздуха на колоснике (Ркол) будет представлять собой разность давлений противостоящих частей сообщающихся сосудов, т.е. дымохода с одной стороны и наружного воздуха с другой.
Рдым=Ндым*γдым; (2)
Рнар=Нтепл*γтепл+Нхол*γхол; (3)
Ркол=Рнар-Рдым; (4)
Подставим числовые характерные значения в формулы 2-4 и получим величину давления на колоснике:
Ркол=(7*11,8 + 1*12,8)–8*8,0=31,4 Па.
Если открыть инструкцию к любому аппарату, работающему на твердом топливе, то мы увидим, что изготовители требует для нормальной его работы давления на колоснике от 10 до 20 Па. Так что, похоже, что для работы камина такого давления вполне достаточно.
Теперь представим себе, что камин не работает. Допустим, что тяга нормальная, т.е. воздух двигается вверх по каминной трубе и она, таким образом, заполнена теплым воздухом при комнатной температуре. Попробуем вычислить давление на колоснике в этом случае. Подставим в формулы 2-4 новые значения:
Ркол=(7*11,8+1*12,8)–8*11,8=1,0 Па.
Что же это за величина? Давайте представим себе, что мы открываем входную или межкомнатную дверь размером 0,8x2,0 м. Площадь проема составляет в этом случае 1,6 м2. Если мы создадим в результате резкого движения руки (хлопанья дверью) динамическое усилие около 3 кг, это будет эквивалентно местному давлению воздуха примерно 18 Па! Конечно, это короткое усилие и его действие распространяется только вблизи двери, но порядок цифр показывает, что даже такое ничтожное воздействие, может оказать влияние на хрупкое состояние равновесия! Давление на колоснике в пределах 1-2 Па не позволяет надеяться на устойчивое и долговременное движение воздуха правильном направлении. А факторы, имеющие возможность сдвинуть хрупкое равновесие имеются. Резкое открывание дверей, окон и форточек, работа системы вентиляции, кухонной вытяжки или вентиляции туалетной комнаты, включение отопительного котла, неудачный порыв ветра на кровле – все может спровоцировать хотя бы кратковременной движение воздуха вниз по каминной трубе. Небольшое остывание воздуха в верхней части дымовой трубы из-за неправильной теплоизоляции или задувание уличного воздуха в верхнюю часть дымовой трубы может превратить давление на колоснике Ркол в отрицательное и вызвать устойчивую ОТ. Подобная ситуация наглядно иллюстрируется Рис 3. Думаю, что дальнейшие объяснения не требуются.
Что делать?
1. Уменьшить по возможности высоту мансардного помещения, создав в здании холодный чердак. Конечно, это возможно только на стадии проектирования.
2. Тоже на стадии проектирования выбрать проект, предусматривающий более или менее герметичное отделение этажей друг от друга. Если дом уже построен, то остается только стараться выполнить следующие пункты.
3. Правильно выбирать место расположения дымохода. Дымоход лучше располагать в такой части здания, чтобы превышение его над кровлей Нхолл тр (см. Рис 4) было минимально.
4. Дымоход должен быть хорошо теплоизолирован. Иногда требуется дополнительная усиленная теплоизоляция участка дымохода, проходящего вне здания.
5. Правильно подбирать сечение дымохода. Большой размер верхнего среза дымовой трубы способствует интенсивному воздухообмену и, соответственно, быстрому остыванию воздуха в верхней части трубы.
6. Устройство верхнего среза дымохода, зонтика, флюгарки должно препятствовать задуванию ветра в отверстие дымового канала.
7. Регулировка вентиляции, обеспечение приточной вентиляции.
8. Обеспечение герметичности дверей кухни, санузла, топочной и(или) других помещений, оборудованных вытяжными воздушными каналами.
9. Почаще подтапливать камин, не давая остывать воздуху, находящемуся в трубе. Кстати, это и делается в любом деревенском доме, который протапливается от одной топки в день до нескольких топок в неделю. Теплая печь не дает дымоходу остыть и поддерживает необходимую правильную тягу.
10. Если уж все вышеперечисленное оказалось бесполезно, стоит попробовать обратиться к специалистам. Может быть, они предложат какой-нибудь еще способ борьбы с этой неприятностью.
Возможно этот пункт нужно поставить первым.
