Getting into Hot Water: A Practical Guide to Hot-Water Heating Systems

給湯システムで最も目に付くのが水タンクである。 温水暖房システムに適した標準的なタンクは、サイズ、容量、壁の厚さなど様々な種類がある。 地下タンクは地上タンクより壁が厚く、溶接に適しています。 また、細長いタンクよりも短く、直径の大きいタンクの方が表面積が小さく、熱損失が少なく、断熱材にコストがかからないため、選択することができます。 表3は標準的な石油貯蔵タンクの寸法と容量である。 金属製貯蔵タンクの標準的なサイズ。

容量（ガロン） 直径 長さ 500

個

48 in 64 in 560 42 in 92 in 1インチ,000 491⁄2 in 10 ft 2,000 64 in 12 ft 4,000

64 in

24 ft 6,000 8 ft 16 ft 1 in 8,000

8 ft

21 ft 4 in 10,000 8ft
101⁄2 ft 26 ft 1 in
15 ft 8 in 12,000 8 ft
101⁄2 ft 31 ft 11 in
18 ft 7 in 15,000 8 ft
101⁄2 ft 39 ft 11 in
23 ft 4 in 20,000 101⁄2 ft

31 ft 25,000 101⁄2 ft

38 ft 9 in 30.1 30,000 101⁄2 ft 46 ft 6 in

新しいタンクを使うのが一番ですが、中古タンクでシステムを構築した成功例もたくさんあります。 中古の石油貯蔵タンクは、単に頼むだけで手に入ることがよくあります。 もし、中古のタンクを使う場合は、穴があいていたり、薄くなったりしていないか、十分に点検してください。 また、どのような液体を貯蔵していたかも確認してください。 注意 注意：引火性物質が入っていると思われるタンクは、十分に洗浄・換気しない限り、絶対に溶接や切削をしないでください。 大型タンクから油やガソリンの残留物を除去する方法として、容量1000ガロンあたり約2ポンドの洗剤を溶かすのに十分な水と混ぜ、この溶液をタンクに注入する方法があります。

蓄熱量

前のセクションで述べたように、システムの能力の1つの指標は蓄熱量である。 水は最も安価で、最も移動と制御が容易な物質の1つです。 また、知られている中で最も優れた熱貯蔵媒体の1つでもあります。 単位重量あたり、石の4〜5倍、金属の10倍、空気の4倍もの熱を蓄えることができる。 唯一の欠点は、圧力をかけないと212°F以上の熱を蓄えることができないことである。 このため、高温での使用には限界がある。 しかし、温室や農業、商業、住宅などの空間加熱用途では、この制限は通常問題にはなりません。

定義によると、1英国熱量単位（BTU）は、1ポンドの水の温度を1°F上げるために必要な熱量です。 1 ガロンの水の重さは約 8.3 ポンドなので、1 ガロンの温度を 100°F 上げるために必要な熱エネルギーは次のとおりです:

8.3 ポンド x 100°F = 830 BTU

それに比べて、8.3 ポンドの砂利の温度を 100°F 高めるには約 166 BTU だけ必要です。

前述のように、水は大気圧で 212°F 以上まで熱することはできません。 この温度は、加圧されていない水が蓄えることのできる熱量の上限を決定する。 下限は、希望する負荷温度によって定まる。 例えば、温室を65°Fに保つ場合、その温度が下限となる。 上限と下限の差

212°F – 65°F = 147°F

は、与えられた水量がどれだけ使用可能な熱を保持できるかを示している

実際、貯蔵温度を下限まで下げることは現実的ではない。 加熱された入水温度が負荷空気温度に近づくと、負荷への熱伝達率（たとえば、ラジエーターから温室内の空気への熱伝達率）が大幅に低下するのです。 そのため、下限貯水温度は所望の負荷温度より少なくとも35°F高く維持することが望ましい。 したがって、先の例では、下限温度は100°Fとなり、温度差は147°Fではなく、

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

したがって、水の貯蔵温度範囲は112°Fに制限されます。

希望する熱負荷が 1 時間あたり 200,000 BTU で、消火後 6 時間暖房できるようにしたい場合、水の量は十分な貯蔵量が必要です:

200,000 BTU/hr x 6 hr = 1,200,000 BTU

1ポンドの水を 1°F上げるには 1 BTU が必要です。 水1ポンドは112BTUしか蓄えられない。 したがって、必要な水の量は次のとおりです。

1,200,000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10,714 lb

水の重さは1ガロン当たり8.3ポンドなので、10,714ポンドは1,291ガロンに相当します。

実際には、水の最高温度が200°Fを超えることはほとんどないので、1,291ガロンよりわずかに大きい貯蔵容量が必要である。

これらの計算は、タンクまたは負荷に水を運ぶパイプから熱が失われないと仮定している。 これらの損失は、パイプの断熱性、タンクから負荷までの距離、および外気温によって大きく変わることがあります。 タンク内の水温を正確に知ることができます。 温水システムの目的は、絶えず火をつける必要なく一定の熱源を提供することなので、水温が1時間に20°F以上低下するのは、水タンクが小さすぎることを示す良い兆候です。

また、負荷の両側のライン、たとえばラジエーターまたはラジエーターの銀行の入口および出口ラインに温度計を設置することも良いアイデアです。

最適なシステム設計のために、貯蔵容量は最大定格バーナー出力、必要な熱負荷、および燃料装填の間に望まれる最大時間に基づいていなければなりません。 以下の議論は、これらの 3 つの要素がどのように相互作用するかを示しています。

上の例のように、必要な平均熱負荷が 1 時間あたり 200,000 BTU であるとします。 これは、典型的な1時間の動作中に、20万BTUの熱を必要とすることを意味します。 非常に寒い夜中には、この量を超える熱量が必要になる可能性が高い。 しかし、十分な熱量を確保するためには、バーナーの能力は少なくとも平均負荷と損失に等しくなければならない。 実用的には、平均熱負荷の1.5倍から2倍のバーナー容量が望ましいとされている。 2094>

温水（タンク貯蔵）に貯蔵するエネルギーのほかに、未燃焼の木材の形でシステムに熱エネルギーを貯蔵することも可能である。 これを火袋貯蔵といいます。 非常に寒い夜を想定して、温室オペレータは一日中システムを焚き、水温を徐々に212°F近くまで上昇させるかもしれない。 水温がすでに最大限の熱量を保っているにもかかわらず、オペレーターは夜間出発する直前に再び火袋に薪を入れるかもしれません。 このように燃料を追加することで、システムにエネルギーが加わります。 燃えている燃料がちょうど出て行く熱を補い、高い水温が維持されるかもしれません。 しかし、燃料の追加による熱の増加が早すぎると、タンク内の水が沸騰し、エネルギーが蒸気として無駄になる。 つまり、ある時間には最大出力で、次の時間にはゼロということはない。 むしろ、外気温や様々な要因の変化により、一日のうちで徐々に増減するのが普通である。 一方、火から供給される熱は、燃料の投入量や頻度によってまちまちなのが普通である。 給湯システムの価値は、熱エネルギーを素早く蓄え、制御された速度でゆっくりと放出する能力に一部基づいている。

バーナーがシステムで使用されている以上の熱を生成すると、貯蔵容量を超えない限り、余分の熱は貯蔵される。 蓄熱量を超えると、お湯が沸騰してしまいます。 このとき、発生した余分な熱は蒸気の形でシステムから排出される。 お湯を沸かすのに必要なエネルギーが無駄になってしまうのです。 温水システムで頻繁に沸騰するのは、バーナーが大きすぎるか、燃焼回数が多すぎるか、システムの蓄熱容量が小さすぎることを示している。

蓄熱容量が不十分な場合、一つの解決策は、もう一つタンクを追加することである。 タンデムタンクは通常、メインタンクのできるだけ近くに配置し、入口と出口のパイプとポンプで接続する（図3）。 こうすることで、システムの他の部分に影響を与えることなく、極めて簡単に貯水量を増やすことができる。 熱を均一に分散させるためには、2つのタンクの間で常に水を送り続ける必要がある。 これは、追加のポンプを追加するか、既存のポンプに余力がある場合はその流量を一部使用することで可能である。

温水システムは蒸気システムではない。 水が加熱されて膨張したり蒸気になったりするときに圧力がかからないように、温水タンクには換気口が必要です。 換気のない貯湯タンクは非常に危険である。 少なくともタンクの上部に2つの換気口が必要である。 さらに良いのは、建設時にタンクの上部を切り開くマンホールは開けたままにして、板金で覆うことである。

断熱

タンクとすべてのパイプを断熱して熱が逃げるのを防ぐことが必要である。 屋外タンクでは、吹き付けポリウレタン断熱材が適しており、特に塗装し、火や日光に直接さらされないように保護することが重要である。 厚さ1インチ、断熱等級R-7のコーティングは、1平方フィートあたり約1ドルです。 たとえば、直径64インチ、長さ12フィートの2,000ガロンタンクの場合、断熱材のコストは約250ドルです。 表4は、タンク上のポリウレタンの異なる厚さの推定断熱値を示しています

表4。 大きな温水タンク上の断熱材の3つの厚さの効果。

断熱材の厚さ（インチ）	“R” 値	熱損失（BTU/時）1	失われたエネルギーの月間コスト2	断熱コスト3
0.0。0	0.5	200,000	$384.00	$0
0.5	4.0	25,000	48.00	500
1.0	7.5	13,300	25.54	1,000
2.0	14.5	6,900	13.25	2,000
注：この表のデータは、タンク容量15000ガロン、表面積1000平方フィートに基づいています。 1 水と周囲温度の差が100°Fと仮定した場合です。 2 木材は1コードあたり40ドルであると仮定します。 3 厚さ1インチあたり1平方フィートの適用コストと仮定します。

この表は、断熱材の最小量を適用するコストは、エネルギーコストの節約によって容易に正当化できることを示す。

1つの代替案は、それが比較的安価なガラス繊維のバットで絶縁することができる小屋型屋根の下にシステムを配置することです。 グラスファイバーは、裏面にアルミホイルがある場合もありますが、大きなメッシュのチキンワイヤーで固定することができます。 小屋裏、断熱材、フィルム、ワイヤー、人件費などは吹き付けポリウレタン断熱材より高くつくかもしれませんが、このタイプの断熱材はおそらくずっと長持ちし、R値も良くなります。 主に高温のボイラーに使用することを目的とした市販の薬品が多数ある。

温水システムで適切とされている方法の一つは、ある種の比較的安価な化学物質を加えて水のpHを上げることである。 これらの中には、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム（洗濯用ソーダ）、六メタリン酸ナトリウム（カルゴン）などがある。 これらの薬品は、システムの金属壁をコーティングすることで腐食を防止する。 上記の化学物質のうち、カルゴンが最も効果的です。 これは、ほとんどの食料品店で購入することができます。 1,000ガロンの水に対して5ポンドを目安に使用してください。 通常の条件下では、これらの化学物質はどれも劣化せず、その結果、長期間にわたってシステム内で活性を維持します。

Firetubes

多少の熱はファイアボックスの壁を通して水に渡りますが、火から水への熱の主な経路はファイヤチューブを介して行われます。 ほとんどのシステムは、火災によって放出された高温のガスが、貯蔵タンクの端から端まで走る一連の火管を通過するように設計されています。 多くのシステムでは、ガスが2回以上タンクを通過するようになっている。

ガスが逃げる前に、熱いガスから水にほとんどの熱が伝わるように、火管の数と大きさが十分であることが非常に重要である。 目安としては、定格出力2,000BTUごとに約1平方フィートの熱交換面積が必要です。 例えば、1時間当たり20万BTUを生産するシステムの場合、約100平方フィートの熱交換面積が必要です。 このエリアには、ファイアボックスの水冷面とファイヤーチューブそのものが含まれることがあります。 これらの領域の両方は、しばしば炉心表面と呼ばれる

火管の外径は、面積を計算するために使用されます。 表5は、一般的に使用される標準的なパイプのいくつかのサイズとその実際の外径と1平方フィートの表面積を得るために必要な走行フィートの数を示している.

6.625

Table 5. 一般的な鋼管の表面積1平方フィートあたりの直線フィート。

名目パイプサイズ（インチ）	外径（インチ）	外面積の平方フィートあたりの直線フィート
1/2	0.840	4.55
3/4	1.050	3.64
1	1.315	2.90
1 1/4	1.660	2.30
1 1/2	1.900	2.01
2	2.375	1.61
2 1/2	2.875	1.33
3	3.500	1.09
3 1/2	4.000	0.95
4	4.500	0.85
4 1/2	5.000	0.76
5	5.563	0.67
6	0.58

使用するパイプの適正サイズは多くの要因によって決まります。 200,000BTU/hの能力を持つ例のシステムでは、100平方フィートの熱交換面積が必要である。 表1より、推奨されるファイアーボックスの容積は9立方フィートです。 この容積を持つ適切な火床は、長さ11/2フィート、幅2フィート、高さ3フィートのものである。 このファイアーボックスの表面積は27平方フィート（水冷式ドアを含む）です。 したがって、必要な100平方フィートのうち27平方フィートがこの火袋で賄われることになります。 火管は残りの73平方フィートを提供しなければならない。

所望の表面積を提供するために必要な所定の直径のパイプの長さを見つけるには、表5の第3列の数字を乗算してください。 例えば、11/2インチパイプを選択する場合、73直線フィートに2.01を掛けます：

73 ft x 2.01 ft/sq ft = 146.72 ft

73平方フィートの熱交換面積を得るために約147直線フィートの11/2インチパイプが必要とされます。 一方、3 インチ パイプを使用する場合は、約 80 フィートしか必要ありません。

73 フィート x 1.09 フィート/平方フィート = 79.73 フィート

どのサイズがベストですか。 厳密にコスト面から考えると、147フィートの11/2インチパイプと80フィートの3インチパイプの間には、それほど大きな差はありません。 しかし、大きなパイプの方が、溶接がはるかに簡単です。 また、時々パイプの内側を掃除して、灰やすすなどの付着物を取り除く必要がある。 短い太いパイプを掃除するのは簡単だ。 しかし、小さいパイプを何本も使った方が、熱伝導の効率はいくらか良くなる。 経験上、2～3インチのパイプが全体的に最もよく機能する。

火管に灰が付着すると、熱伝達率が大きく低下する。 そのため、それらがどの程度機能しているかを判断する何らかの方法があるとよいでしょう。 最も安価で良い方法の一つは、ガスが火管から出て煙突を登り始める地点に高温の温度計を置くことである。 温度が近ければ近いほど、炉心管はより効果的に熱を伝達していることになります。 ガス温度が300〜350°Fであれば、熱伝達が効率的に行われていることを示します。 450°F以上のガス温度は、熱交換面積が小さすぎるか、火管がコーティングされていることを示す。

成層化

中型から大型システムで時々奇妙な状態が発生します。 火床が常に煽られ、タンクの上部から水が沸騰しているのが見えるにもかかわらず、分配のためにタンクから引かれている水の温度は170から180°Fに過ぎないのである。 このような状況は、入口と出口がタンクの底部近くにあり、水を動かし続けるための補助循環ポンプがないシステムで発生します。 この状態は成層と呼ばれ、異なる温度の水が明確な層に分離し、最も暖かい水が最上部に残ることで発生します。

100°Fの水の密度は、200°Fの場合よりも約3.5パーセント大きい。 空気と同じように、熱い水は上昇し、冷たい水は沈む。 成層を防ぐには、水を常に動かしておく必要があります。 一つの方法は、ファイアボックス（システムの最も高温の部分）の上のタンク上部で戻りパイプを接続し、もう一方の端でタンクの下部から水を引くことである。 この方法の問題点は、分配ポンプが常時作動するとは限らず、ポンプを停止したときに成層が発生することです。

より良い解決策は、常時作動する補助循環ポンプを設置して、水をタンクの最も冷たいところから最も熱いところに移動させることです。 常に水が混ざり合うことで、成層化が防げます。 循環ポンプは揚程が少ないので、大きなものは必要ありません。 1時間当たりシステム容量の0.2〜0.5倍を汲み上げる能力があればよい。 例えば、2,000ガロンのシステムでは、1時間当たり400〜1,000ガロンを汲み上げる能力のあるポンプを使用する必要があります。 通常、1/6～1/2馬力の電動ポンプで十分です。

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