Система отопления дома с естественной циркуляцией. Отопление с естественной циркуляцией: особенности и принцип действия. Контур с использованием одной магистрали
Система отопления с естественной циркуляцией (с использованием гравитационного давления) применяется в частных домах. Основным достоинством такой системы является практически полная независимость от энергоснабжения дома.
Циркуляция воды (теплоносителя) в такой системе обусловлена гравитационным давлением. Условиями возникновения такого давления являются разность температуры воды и взаимное расположение по высоте котла и приборов отопления (батарей и т.п.).
На примере простейшей системы можно понять принцип работы системы. Нагретая котлом вода, как известно, расширяется и ее плотность (удельный вес) уменьшается. Поскольку она становится легче холодной воды, она, как масло, всплывает наверх. Ее место в котле занимает холодная вода и тоже подвергается нагреву.
Разумеется, что этот процесс возможен только в замкнутой системе. В приборах отопления нагретая вода охлаждается, становится тяжелее, и, как следствие, стремится вниз, активно помогая циркуляции. Система всегда стремится к равновесию. Об этом нельзя забывать, рассматривая те или иные варианты.
Таким образом, гравитационное давление зависит от разности температур. А как влияет расстояние по вертикали? На рисунке мы видим, что батарея находится несколько выше котла. Именно в батарее вода охлаждается, становится тяжелее. Поскольку охлажденная вода находится выше нагретой в котле, она естественным образом стремится вниз и вытесняет из котла нагретую воду, занимая ее место.
В других условиях, когда батарея находится на уровне котла (как правило, уровни определяются по центрам котла и батареи), уровень охлажденной воды в батарее находится на том же уровне, что и холодная вода в котле.
Результат очевиден: гравитационное давление снижается, ухудшается и циркуляция. Ровно настолько, чтобы только поддерживать уровень более холодной воды в батарее на уровне воды такой же температуры в котле.
Однако, система еще остается работоспособной, и батарея продолжает отдавать тепло. Котел продолжает работу, охлажденная вода в батарее еще имеет достаточно высокую температуру, и создается эффект полного прогрева батареи.
Но совсем иначе обстоят дела, когда батарея находится ниже котла. Ее температура невысока, а охлажденная вода не может вытеснить горячую воду из котла, поскольку она уже ниже его. Гравитационное давление на грани исчезновения, циркуляция практически исчезает.
Возникает парадоксальная ситуация: батарея холодная, а поднимать температуру котлом уже нельзя, он и без того на грани закипания. Вот такая зависимость гравитационного давления от высоты расположения батарей относительно котла.
А как выглядит система с естественной циркуляцией с математической точки зрения? Вернемся к нашему первому варианту и рассмотрим давление столба воды высотой H в области котла (P кот) и в области батареи (P бат).
Давление в области батареи будет опреляться формулой:
а давление такого же столба воды в котле:
Действующее гравитационное давление при этом будет равно разности давлений:
- p o – плотность охлажденной воды, кг/м3;
- p г – плотность горячей воды, кг/м3;
- g – ускорение свободного падения, 9.81 м/с2;
- h – расстояние по вертикали от центра нагрева до центра охлаждения (от середины высоты котла до середины нагревательного прибора), м.
Исходя из вышеизложенного можно с уверенностью сказать, что от расположения подающей трубы с горячей водой гравитационное давление очень мало зависит, ведь труба не является основным охлаждающим элементом в системе. Она влияет на давление ровно настолько, насколько она способна охлаждать воду.
Поэтому иногда стояки от котла к верхней подающей трубе вместе с нею утепляют, а от подающей трубы к батарее воду подают трубой увеличенного диаметра без изоляции, что вполне оправдано. Таким образом сохраняют высокую температуру по всей длине подающей горизонтальной трубы и создают охлаждение в подающем стояке.
В результате небольшого охлаждения в трубе средняя точка прибора охлаждения несколько повышается, что ведет к некоторому повышению действующего гравитационного давления в системе с естественной циркуляцией.
Надежность работы естественной циркуляции в системе отопления зависит также от общего сопротивления движению воды в системе, а также и от схемы ее построения.
Одной из самых простых является система отопления с естественной циркуляцией. Однако эта простота при отсутствии надлежащего опыта работ с такими системами может «вылезти боком» в процессе эксплуатации.
Отопление с естественной циркуляцией было широко распространено еще десяток лет назад в загородных небольших домах и некоторых квартирах с индивидуальным отоплением. Сейчас же рынок «завоевывают» системы с принудительной циркуляцией теплоносителя, благодаря возможностям, которые они предоставляют.
Но поговорим все же про водяное отопление с естественной циркуляцией.
Конструкционные особенности системы
Системы отопления с естественной циркуляцией включают в свой состав:
- отопительный котел, нагревающий воду;
- подающий трубопровод, «поставляющий» горячую воду к отопительным приборам (радиаторам);
- обратный трубопровод, по которому вода возвращается в котел;
- нагревательные приборы - радиаторы, отдающие тепло в окружающую среду;
- , предназначенный для компенсации температурного расширения жидкости.
Принцип действия системы
Вода, нагреваясь в котле, поднимается вверх по центральному стояку и по подающему трубопроводу поступает в радиаторы отопления (нагревательные приборы), где отдает часть своего тепла. Далее уже охлажденная вода по обратному трубопроводу вновь поступает в котел и снова нагревается. Затем цикл повторяется, обеспечивая комфортную температуру в отапливаемом помещении.
Для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя (обычно воды) в системе горизонтальные части трубопровода монтируются с уклоном не менее 1 см на погонный метр длины горизонтального участка системы отопления.
Горячая вода, вследствие уменьшения своей плотности при нагревании, поднимается по центральному стояку вверх, выдавливаемая холодной водой, возвращающейся в котел. Далее самотеком растекается по подающему трубопроводу к радиаторам отопления. После «пребывания» в них вода также самотеком стекает обратно в котел, вновь выдавливая вверх уже нагретую в котле воду.
Воздух, попавший с теплоносителем в систему, может создать воздушную пробку в радиаторах отопления, но, зачастую, в таких системах отопления с естественной циркуляцией пузырьки воздуха благодаря уклонам трубопровода «путешествуют» вверх и выходят в расширительный бачок открытого типа (бак, контактирующий с атмосферным воздухом).
Расширительный бачок предназначен для поддержания постоянного давления в системе отопления, благодаря тому, что он заполняется увеличившимся при нагревании объемом теплоносителя, который затем «отдает» обратно в систему при понижении температуры жидкости.
Делаем выводы!
Итак! Подъем воды в системе (стояке к подающей трубе) осуществляется благодаря разнице между плотностями нагретой и охлажденной жидкости. Движение же (циркуляция) поддерживается еще и благодаря гравитационному давлению (обратная труба).
При движении теплоносителя по трубопроводу в системе отопления с естественной циркуляцией на жидкость действуют силы сопротивления:
- трение жидкости о стенки труб (для снижения используются трубы большого диаметра);
- изменение направления движения жидкостью на поворотах, ответвлениях, каналах отопительных приборов (радиаторов).
Основные физические параметры системы отопления с естественной циркуляцией
Циркуляционный напор Рц - физическая величина, определяемая разностью высот центров котла и самого нижнего отопительного прибора (радиатора).
Чем больше разница высот (h) и разница плотностей нагретой (ρ г) и охлажденной (ρ о) жидкостей в системе, тем более качественная и стабильная будет циркуляция теплоносителя.
Р ц =h(ρ о -ρ г)=м(кг/м 3 -кг/м 3)=кг/м 2 =мм.вод.ст.
«Поищем» причину появления циркуляционного напора в системе отопления с естественной циркуляцией в «дебрях» законов физики.
Если допустить, что температура теплоносителя в системе отопления «делает прыжок» между центрами приборов (котла и радиаторов), то есть верхняя часть системы содержит более горячую воду, чем нижняя часть системы.
Плотность (ρ г)(ρ г).
Отсекаем (мысленно) верхнюю часть на схеме контура и… Что мы видим? Знакомую картину со школы - два сообщающихся сосуда, находящиеся на разном уровне. А это приведет к тому, что жидкость с более высокой точки по действием гравитационной силы будет перетекать в более низкую.
Вследствие того, что отопительная система представляет собой замкнутый контур, то вода не выплескивается, а просто стремиться выровнять свой уровень, что приводит к выталкиванию нагретой воды вверх и к дальнейшему ее «самостоятельному гравитационному» пути по системе отопления.
Вывод таков! Основополагающим показателем циркуляционного напора является разница высот установки котла и последнего (нижнего) в системе радиатора. Поэтому в системах отопления частных домов котлы по возможности располагают в подвалах, соблюдая предельную высоту в 3 м.
В квартирных вариантах котлы стараются «углубить» до плиты перекрытия, соответственно «пожарообезопасив» «гнездо» посадки котла в пол.
Согласно формуле, приведенной выше, на циркуляционный напор существенной влияние оказывает и разница плотностей холодной и горячей воды в системе.
Система отопления с естественной циркуляцией является саморегулируемой системой, то есть, например, при повышении температуры нагрева теплоносителя естественным образом (см. формулу) увеличивается циркуляционный напор и, соответственно, расход воды.
При низкой температуре в отапливаемом помещении разница плотностей воды большая и циркуляционный напор достаточно большой. При прогреве помещения теплоноситель уже не так остывает в радиаторах, и разница плотностей нагретого и охлажденного теплоносителя уменьшается. Соответственно уменьшается и циркуляционный напор, уменьшая «расход» воды.
Охладился воздух в помещении? Например, кто-то открыл двери на улицу. Разница плотностей опять возросла, увеличив напор воды.
Недостатки и преимущества систем отопления с естественной циркуляцией
К недостаткам водяных систем отопления с естественной циркуляцией можно отнести:
- Небольшое циркуляционное давление, которое определяет ограниченное использование таких систем отопления - небольшой горизонтальный радиус действия (до 30 м).
- Большая инертность системы отопления, обусловленная большим объемом теплоносителя в системе и низким циркуляционным давлением.
- Вероятность замерзания воды в расширительном баке открытого типа, который, обычно находится в холодном (неотапливаемом) чердачном помещении.
Основным преимуществом таких систем является энергонезависимость котлов на твердом топливе. То есть такие системы можно использовать в домах, где отсутствует электроснабжение. Большая инертность системы из-за достаточно большого объема теплоносителя в системе может играть как положительную (некое подобие теплового аккумулятора при «потухшем» котле), так и отрицательную роль - значительное время изменения температуры системы, особенно на стадии запуска.
Виды схем отопления с естественной циркуляцией
Какую систему отопления с естественной циркуляцией теплоносителя Вы выберете? Надеемся правильную!
Как правило, в частных домах устраивают автономное отопление, где теплоносителем служит обычная вода без каких-либо примесей.
В качестве теплоносителя может также использоваться специальная жидкость – антифриз «NORD» или «Тёплый дом». Антифриз разбавляется водой в пропорциях, указанных на ёмкости, и заливается в систему. Антифриз хорош тем, что не замерзает и отопительная система не повреждается даже при минусовых температурах – не размораживается. Также данный состав хорошо действует на узлы и соединения, продляя срок их службы.
Единственный минус – антифриз НЕЛЬЗЯ применять там, где монтаж отопительной системы осуществлен оцинкованными трубами.
Схемы отопительной системы
Существует два вида систем отопления:
С принудительной циркуляцией теплоносителя – циркуляция теплоносителя в системе осуществляется за счет работы циркуляционного насоса
Естественная циркуляция теплоносителя – циркуляция теплоносителя происходит за счет разности температур: горячая вода поднимается вверх и естественным потоком сходит вниз.
Система с естественной циркуляцией.
Система с принудительной циркуляцией.
Отопительная система с естественной циркуляцией теплоносителя
Главным достоинством такой системы является её независимость от электроснабжения. Для такого отопления можно применить обычный газовый котел АОГВ, АКГВ, АГВ без подключения электричества, а также твердотопливный или жидкотопливный котел, не оснащенный автоматикой.
Для хорошей работы такой системы отопления требуются трубы большого диаметра от 25 до 50 мм.
Это нужно для того, чтобы теплоноситель свободно циркулировал по всей системе.
Чаще всего для монтажа применяются стальные, оцинкованные трубы и трубы из нержавейки.
При расчете количества труб учитывается периметр дома, т.к. трубы в основном проходят вдоль стен по всему периметру, также в расчет входит труба для стояка плюс обвязка котла, радиаторов, расширительного бака и распределительная труба.
Отопительная система с распределительными
трубами на каждый радиатор.
Последовательная разводка труб.
Схема отопительной системы с естественной
циркуляции для двухэтажного дома.
Комплектующие и оборудование для монтажа отопительной системы с естественной циркуляцией:
Трубы - для основного стояка, обратки и распределительной трубы диаметр 32 – 50мм,
для распределительных труб на радиаторы диаметр 20 – 25мм.
Комплектующие – сгоны, переходники, тройники, крестовины, шаровые краны – для подпитки системы, для опорожнения
Радиаторы
Расширительный бак.
Выбор расширительного бака.
Расширительные баки бывают двух типов – открытый (обычный бак) и мембранный закрытый.
Открытый бак – изготавливается из стали или используется готовая ёмкость. Для предотвращения коррозии, внутри бак обрабатывают грунтовкой. Устанавливается бак в самой высокой точке отопительной системе, чаще всего на чердаке, обязательно хорошо утепляется.
Закрытый мембранный бак – может устанавливаться рядом с котлом. Такой бак уже готов к использованию и не требует дополнительной обработки.
Мембранный бак.
Расчет объема расширительного бака.
Объем открытого бака рассчитывается по формуле:
Vpб = 0,05 x Vсист
- где Vсист – объем всей отопительной системы (котел, трубы, радиаторы),
- 0,05 – коэффициент,
- Vpб – объем бака.
Объем мембранного бака рассчитывается по формуле: Vбака = Vpac / f
- где f- коэффициент заполнения бака,
- Vpac - избыточный объем теплоносителя при нагревании.
Чтобы не рассчитывать коэффициенты, можно воспользоваться таблицей и самостоятельно определить объем мембранного бака для отопительной системы.
Заполнение расширительного бака:
- для открытого – при наполнении системы бак должен быть заполнен на - не менее 50% объема
- для мембранного – заполнение не требуется, достаточно заполнить только систему.
Выбор радиаторов
Количество радиаторов не зависит от типа системы и рассчитывается исходя из их теплоотдачи:
- чугунные радиаторы – 1 секция на 1 кв.м;
- алюминиевые и биметаллические – 1 секция на 1.3 – 1.5 кв.м;
- конвекторы – рассчитываются согласно таблице – инструкции, т.е. производитель сразу заявляет теплоотдачу конкретного конвектора, т.к. данные отопительные приборы идут не секциями, а цельным прибором, готовым к установке.
Не стоит экономить на количестве радиаторных секций. В частном доме практически все комнаты угловые и нет смежных теплых соседских комнат.
Отопительную систему с мембранным расширительным баком принято называть закрытой системой, хотя вся циркуляция теплоносителя происходит естественным образом.
При монтаже отопления с естественной циркуляцией главное соблюдать необходимые уклоны труб, это способствует нормальной эффективной работе всей системы.
Первый запуск.
Необходимо проверить все узлы на герметичность
Проверить заполнение расширительного бака
Котел должен быть правильно подсоединен к дымоходу
Если котел газовый, то необходимо еще раз проверить соединения газовых труб при помощи мыльного раствора.
При первом включении нельзя сразу же ставить максимальную температуру нагрева. Необходимо дождаться, когда вся система прогреется – обратка станет тёплой и нагреются отопительные приборы, только тогда можно прибавить мощности и с уверенностью сказать, что система работает.
Отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя
Главным отличием такой системы является то, что для циркуляции теплоносителя устанавливается циркуляционный насос. Насос может устанавливаться отдельно – на обратку, либо быть уже встроенным – автоматические котлы комплектуются циркуляционными насосами.
При монтаже данной отопительной системы не требуется соблюдать уклоны.
Если котел не комплектуется расширительным баком, то мембранный расширительный бак устанавливается отдельно.
При монтаже можно применять трубы малого диаметра 1/3 – 1 дюйма – медные трубы, металлопластик, полипропилен (можно не армированный), сшитый полиэтилен, металл, нержавейка.
Схемы отопительных систем.
Двухтрубная разводка.
Однотрубная разводка.
Коллекторная система.
Расчет труб:
Для коллекторной системы – при расчете необходимо учитывать, что к каждому радиатору будет идти своя пара труб. При такой системе, когда трубы прячутся в подполье, либо замоноличиваются в стяжку, трубы можно прокладывать по кратчайшему пути, чтобы сэкономить на протяженности.
Для двутрубной системы за расчет берется периметр комнат, умножается на два плюс добавляются отводы для подключения к радиаторам, обвязки котла и распределительных сетей (стояков).
При однотрубной системе – все радиаторы обвязываются одной трубой, поэтому это самая экономичная система. Работает не хуже, чем двутрубная система. Главный недостаток, в отличие от коллекторной и двутрубной систем, – это не возможность отключить отдельный радиатор, либо убавить его мощность термостатическим вентилем.
Оборудование:
Распределительные гребенки – лучше сразу приобретать с запорной арматурой (кранами)
Подсоединительная арматура для радиаторов, термостатические вентили, краны Маевского.
Фитинги, тройники, переходники, муфты, крестовины, клипсы для крепления труб – подбирается согласно типу выбранных труб.
Для монтажа труб из полипропилена, сшитого полиэтилена и металлопластика на прессфитингах необходимо специальное оборудование
Самая простая система, которую можно смонтировать самостоятельно это –
Трубы полипропилен
Алюминиевые радиаторы
Настенный или напольный автоматический котел.
В этом случае не потребуется монтаж отдельных узлов для теплых полов и горячего водоснабжения.
Двухконтурный котел – подключение.
Обвязка настенного котла.
Обвязка напольного котла.
Расчет радиаторов для системы с принудительной циркуляции проводится так же, как и для системы с принудительной циркуляцией.
Коллекторное подключение радиаторов. Двухтрубная система с нижним подключением.
Двухтрубное подключение радиаторов: Обвязка конвекторов.
Термостатический вентиль – регулирует нагрев
Запорный кран
Переходники – соединения
Кран Маевского – механический воздухоотводчик
Радиаторный переходник (различаются на левые и правые).
Двухтрубное обычное подключение.
Первый запуск.
Заполнить систему и определить давление теплоносителя по манометру. Если на котле манометр отсутствует, то для закрытой системы манометр устанавливается отдельно. Давление в холодной системе должно быть не более 1,2 Бар.
Проверить все узлы на герметичность. В случае протечек, система не будет нормально работать, давление будет падать, появиться шум в котле и трубах.
Котел должен быть правильно подсоединен к дымоходу.
Подсоединение газа - для определения утечек и для собственного спокойствия можно еще раз проверить геремтичность, обмазав узлы вне котла мыльной пеной.
Включать котел следует на низкую мощность. Только когда обратка и отопительные приборы нагреются, мощность можно прибавить.
При первом запуске и прибавлении мощности, следует следить за манометром. При максимальной мощности давление в системе не должно превышать 3 Бар, иначе сработает байпас (автоматически произойдет сброс воды через специальный клапан). Если давление увеличивается, то следует проверить давление мембранного расширительного бака.
При низком давлении в мембранном баке, давление системы отопления растет и периодически срабатывает байпас. В таких случаях, рекомендуется через нипель наполнить бак воздухом. Для этого подойдет обычный электронасос с манометром для накачки автомобильных шин. Накачивать мембранный бак следует до отметки 2.4 – 2.5 Бар.
Тёплые полы
Не стоит доверять источникам, которые уверяют, что теплый пол можно прокладывать совместно с радиаторной системой и ничего ему не будет. Для теплых полов максимальная температура должна быть не более 55С. Поэтому для такого отопительного контура, лучше всего, установить насосную группу Майбес и Будерус с контролем температуры (для напольных котлов), либо группу Термекс от Майбес для настенных котлов. Данные группы устанавливаются на контур теплых полов. Место установки – около котла, там, где начинается развязка отопительных контуров.
- Подключение бойлера
Подключение бойлера (накопительного водонагревателя) не требует сверхспособностей. Главное в этом деле произвести подключения согласно схеме и качественно герметизировать все соединения. В современных автоматических котлах имеется специальный разъем для подключения и контроля работы бойлера.
Настенный котел и бойлер.
Схема подключения бойлера.
Подключение бойлера к напольному котлу.
Очень весомым плюсом самотечной системы водяного отопления является ее независимость от наличия электроэнергии. Самотечное отопление может быть создано и на удаленной даче на основе энергонезависимого твердотопливного котла. Система бесшумная и надежная, она, несомненно, будет востребована и в будущем.
Наработан большой опыт создания самотечных систем отопления, ведь ранее все водяное отопление создавалось по принципу самотека. Система может быть создано по «типовой народной схеме» и своими руками.
Недостатками являются ограничения по мощности, отапливаемой площади, возможности подключения дополнительных контуров, при повышенной цене на создание.
Самотечное отопление обходится дороже, примерно в 2 раза по сравнению с системами принудительной циркуляции, так как требует большой диаметр труб и особенного размещения котла. Сложность при создании и в том, что трубы большого диаметра должны иметь общий уклон, а значит их положение фиксировано и поэтому они часто не вписываются в дизайн помещения, загромождают интерьер.
Как рассчитывается самотечная система
Можно заказать тепловой и гидравлический расчет у специалистов, в лицензированных организациях, но это обойдется недешево. Можно сделать эти расчеты приблизительно с помощью известных программ или вручную.
Скорость движения жидкости по системе в любом случае не большая. Чем больше внутренние диаметры трубопровода и радиаторов, а также котла, тем большее количество жидкости будет проходить по ним, тем больше энергии сможет переноситься.
Важно ответить на вопрос — достаточно ли будет энергии переносить теплоноситель для отопления конкретного здания? В этом и заключается суть расчетов. Но если расчетов нет, то нужно обратиться к опыту создания подобного отопления и утепления зданий.
Потери энергии и обеспечение движения жидкости
Во первых, нужно определиться со степенью утепления здания, — соответствуют ли она требованиям нормативных документов. Если нет, то может не хватить мощности не только самотечной системы….. Обогреть холодное здание себе дороже, нужно утеплять, а не увеличивать мощность обогрева.
После того, как здание утеплено, можно обратиться к опыту создания подобных систем, откуда известно, что обычная предельная площадь самотечного обогрева составляет 150 м кв. на каждом этаже здания, при этом желательно распределение радиаторов на 2 плеча на каждом этаже, а длина подающего трубопровода каждого плеча не должна превышать 20 метров.
Обязательное условие для создания системы – превышение горячего теплоносителя (обычно принимается средняя линия радиаторов) над холодным (средняя линия теплообменника котла).
При большей длине трубопроводов, желателен бы расчет, или нужно мириться, что возможно, в пики морозов пропускной способности системы (скорости теплоносителя) может и не хватить что бы в здании было жарко.
Рассмотрим, отчего же будет зависеть работоспособность самотечной системы.
Особенности системы обогрева с естественной циркуляцией
Напор в самотечной системе будет напрямую зависеть от высоты водяного столба с разностью плотностей воды (разностью температур) и от самой разности плотностей воды. Формула напора приведена ниже.
Чем больше разность температур подачи и обратки, и чем выше водяной столб с этой разностью, тем быстрее будет циркулировать вода, тем больше тепла будет переноситься, тем надежнее система и большую площадь можно будет отопить.
Дело в том, что вода наиболее значительно остывает в радиаторах, до них она считается горячей. После радиаторов вода холодная движется по обратке к теплообменнику котла, где происходит ее нагрев. Следовательно, чем ниже находится теплообменник относительно радиаторов, тем больше будет напор в системе.
Кроме того, вода остывает и в самой трубе выходящей из котла, а это значит, что чем выше будет поднят горячий трубопровод, и чем он длиннее и больше отдает тепла, тем будет больше напор.
Впрочем, эта теплототдача будет иметь низкую эффективность для обогрева дома, если горячий трубопровод расположен под потолком. Лучше, если он находится вдоль пола отапливаемой массандры и является для нее отопительным прибором.
Не правильно делать просто высокий столб горячей воды, вынося расширительный бак выше крыши. Нужна наибольшая разность высот, на которой бы происходил перепад температур, а этого проще добиться опусканием котла.
Типичная ошибка при создании самотечной системы для 2-х этажей — подключение радиаторов на обоих этажах к одним стоякам. В результате на 1 этаже будет еще холодно, когда на 2 этаже уже очень жарко. Правильно для мансарды предусмотреть отдельное независимое плечо отопления со своим регулировочным вентилем.
Особенность системы:
— жидкость в самотечной системе обычно остывает значительно, вследствие небольшой скорости ее движения. Разница температур подачи и обратки чаще находится в пределах 25 — 30 градусов. Температурный режим, например, — 75град. выход из котла и 45 град. обратка. Поэтому недопустимо создавать схему с одним трубопроводом с последовательным подключением радиаторов. Подходят только попутная и тупиковая двухтрубные схемы разводки.
Как движется теплоноситель (вода)
Из вышесказанного вытекают и конструктивные особенности самотечной системы отопления.
Котел располагается в приямке, в подвале, во всяком случае, желательно, чтобы его теплообменник был ниже средней линии радиаторов.
Все трубопроводы делаются с общим уклоном по ходу движения жидкости:
- вода из котла поднимается по вертикальному стояку в самую верхнюю точку;
- от вертикального горячего стояка всегда должна вниз до входа в котел;
- разница высот между начальной и конечной точкой трубы не менее одного процента, но по длине уклон может меняться как угодно;
- всегда лучше обеспечивать максимальный уклон.
Какие применить трубы
Диаметр труб должен быть для подачи и обратки на одном крыле трубопровода не менее 32 мм, при этом радиаторы могут подключаться и трубами с внутренним диаметром 20 мм. А для стояка и подачи на крыло — не менее 50 мм. Впрочем никто не запрещает увеличить эти диаметры, что только сделает систему мощнее.
До сих пор оптимальным вариатном считаются обычные стальные трубы. При больших диаметрах они становятся конкурентноспособными пластику. К тому же стальная труба большого диаметра является и сама по себе отопительным прибором, ввиду значительной проводимости тепла металлом.
Котел, радиаторы, трубопровод
Применяется специальный котел (и газовый и твердотопливный) с собственным маленьким гидравлическим сопротивлением, предназначенный для самотечной системы.
Применяются радиаторы с низким гидравлическим сопротивлением, с большим диаметром внутренних отверстий — обычно или чугунные или алюминиевые.
В высшей точке трубопровода устанавливается клапан для стравливания воздуха (система под давлением с закрытым расширительным баком (гидроаккумулатором)). В систему встраивается на выходе из котла группа безопасности – манометр и аварийный клапан. Либо в высшей точке располагается расширительный бак открытого типа.
Сливной кран располагается в районе котла в низшей точке трубопровода, делается отвод либо в канализацию, либо на емкость.
Подборка котла по мощности ведется как обычно — в зависимости от теплопотерь здания, а радиаторов — от теплопотерь каждой комнаты где они устанавливаются.
При этом чаще пользуются правилом — радиаторы суммарно чуть мощнее котла (при этом учитывается, то что паспортная температура жидкости обычно больше реальной, т.е. радиторы приобретаются еще мощнее на 20 – 35 %), после чего общая мощность радиаторов распределяется по комнатам.
Схемы самотечного отопления на одно крыло
Типичная схема водяного отопления с самотечным движением жидкости. Здесь только лишь одно крыло. Горячий трубопровод располагается повыше, от него опускаются стояки вниз на каждый радиатор или на пару радиаторов. В схеме указан расширительный бак вместо гидроаккумулятора.
На практике часто подобные схемы реализуются так чтобы расширительный бак, верхний трубопровод располагались бы на чердаке а обратка часто опускается под пол в подвал. При этом трубопроводы меньше загромождают жилое пространство и не портят интерьер. Но тогда все трубопроводы в холодной зоне должны быть хорошо утеплены — слой не менее 15 см минеральной ваты. Пенопласт не подходит, так как его едят грызуны и его не стоит нагревать до 70 град.
Прокладка труб по чердаку
Подвариант данной схемы — обратка поднята вверх, так как не всегда есть возможность прокладывать ее понизу — мешают дверные проемы, нет подвала и т.д.
В небольшом доме
Вариант размещения радиаторов прямо возле котла. Это возможно лишь в климатических зонах с постоянной положительной температурой, и если окна достаточно утеплены (двойные стеклопакеты), и нет особой необходимости в создании тепловых завес путем размещения радиаторов под окнами. Схема применяется, когда нет возможности понизить уровень котла — максимально сокращаются трубопроводы.
Трубопровод на два крыла
Следующий пример более востребован в жизни. Чаще так и располагаются трубопроводы при самотечном движении жидкости в небольшом частном доме или на даче на уровне радиаторов с выдержкой общего уклона.
Трубопровод разделен на два крыла, которые желательно сделать одинаковой протяженностью. Все радиаторы подключаются через вентили для оперативной регулировки поступления воды.
Для двух этажей
Еще один пример «из жизни» разводки трубопроводов при самотечном движении жидкости. На этот раз отапливается полноценный этаж и мансарда.
Так как крыло мансарды маломощное, то оно включено трубопроводом меньшего диаметра — 25 мм. Здесь применяются стояки на каждую пару радиаторов в комнатах первого этажа, а горячий трубопровод проложен по полу мансарды и является для нее обогревающим элементом.
Схема требует создания достаточного напора, поэтому теплообменник котла располагается ниже средней линии радиаторов первого этажа минимум на пол метра.
Принципы и выводы
Можно разработать любое количество схем самотечного отопления в зависимости от конкретной планировки дома но всегда соблюдаются следующие принципы — максимально большой столб воды с перепадом температур, максимальные диаметры трубопроводов и специальные котлы и радиаторы, кольцо трубопроводов — «подача-радиатор-обратка» делаются как можно короче, для чего трубопровод разделяется на несколько плечей, которые подключаются к котлу параллельно.
Также важно: — если самотечное отопление в доме создавалось самостоятельно, или владельцы принимали активное участие в его создании, то и все выявленные недостатки в процессе эксплуатации могут быть исправлены своими руками или система может быть без особых затрат доработана, при выявлении ее недостатков.
При отсутствии ли нестабильной подаче электроэнергии системы отопления частных домов часто организуют на базе схемы с естественной циркуляцией теплоносителя. Такая схема является полностью энергонезависимой, способна обеспечить нужды отопления небольших домов площадью до 60 – 70 м 2 . Материал статьи описывает принцип работы, устройство и виды системы с гравитационной циркуляцией, дает рекомендации по выбору материалов и монтажу.
Принцип работы схемы с естественной циркуляцией
Принцип работы самотечной системы отопления базируется на теплофизических свойствах воды. При нагреве жидкость приобретает меньшую плотность и соответственно – массу. Горячий теплоноситель, нагретый в котле, поднимается по вертикальному трубопроводу, часто называемому разгонным коллектором.
Освободившееся пространство естественным образом занимает более холодный теплоноситель, имеющий более высокую плотность и массу, сосредоточенный в нижней части системы. За счет образования разницы плотностей холодного и горячего теплоносителя возникает постоянный цикл движения воды в системе отопления.
Гравитационная составляющая циркуляции улучшается сооружением трубопроводов системы с нормативным уклоном, который составляет не менее 2 мм на 1 погонный метр длины. Уклон ориентирован в сторону движения теплоносителя.
Вода в процессе работы системы имеет малую скорость движения, на качество циркуляции отрицательно влияют любые гидравлические сопротивления. Схема работает без наличия насосного оборудования и потребления электрической энергии.
Устройство системы с естественной циркуляцией
Базовый элемент системы отопления – котел – располагается в нижней точке системы. От теплогенератора поднимается вертикальный разгонный коллектор. Рекомендуемая высота коллектора – от 2,5 метров, диаметр трубопровода – не менее 50 мм.
На верхней точке разгонного коллектора, в месте поворота трубопровода к радиаторам, располагают расширительный бак открытого типа. Расширительный бак по желанию оборудуют линией перелива, соединенной с канализацией. Через нее излишки воды, образовавшиеся при нагреве и расширении, переливаются в канализацию.
Расширительный бак может оборудоваться линией подпитки, соединенной с системой водопровода. В отсутствии линии подпитки пополнение системы водой производится вручную. Расширительные баки при размещении в неотапливаемом помещении должны качественно утепляться.
Экспанзомат, кроме функций компенсации теплового расширения и подпитки, выполняет функцию естественного воздухоотводчика. Трубопроводы монтируются с уклоном таким образом, что пузырьки воздуха не уносятся в систему, так как вода имеет малую скорость, а поднимаются в верхнюю точку, на которой установлен РБ.
Из верхней точки разгонный коллектор меняет направление на горизонтальное и с нормативным уклоном прокладывается к радиаторам отопления. Система отопления в части обвязки радиаторов имеет 2 разновидности:
- Однотрубная;
- Двухтрубная.
Однотрубная система с естественной циркуляцией обладает свойством снижения температуры на каждом последующем радиаторе в ряду.
Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией
Сооружение байпасов для улучшения качества регулирования создает излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому система чаще всего сооружается по простейшему принципу – радиаторы подключают к трубопроводу подачи последовательно, с последнего радиатора выходит обратный трубопровод и подсоединяется к котлу.
Наиболее эффективным по теплоотдаче считается диагональное подключение радиатора, менее качественными – боковое (при вертикальной разводке) и нижнее. Несовершенство однотрубной системы – снижение температуры на радиаторах – можно частично компенсировать увеличением числа секций на последних радиаторах.
Двухтрубная схема системы отопления более удобна в регулировании. Здесь радиаторы подключены к подающему и обратному трубопроводу параллельно.
Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией
Для монтажа системы этого типа требуется большее количество трубы, соответственно схема имеет большее гидравлическое сопротивление. Регулирование температуры на радиаторах производится 2 методами:
- Принудительное, с помощью запорной арматуры;
- Естественное, за счет поэтапного изменения диаметра трубопроводов.
Принудительное регулирование можно производить шаровыми кранами, имеющими полнопроходное сечение. Регулирующие вентили малопригодны для этой задачи, так как обладают высоким гидравлическим сопротивлением и имеют сниженное проходное сечение.
Поэтапное изменение диаметра производится по принципу постепенного уменьшения диаметра подачи к последнему радиатору и постепенному расширению обратки от него к котлу. Выполнение такой схемы требует тщательного расчета, выполнить самостоятельно который довольно трудно.
Оба метода регулирования в любом случае значительно повышают гидравлическое сопротивление системы в целом, что отрицательно влияет на качество циркуляции и может привести к ее остановке. Поэтому большей популярностью пользуется все же однотрубная система, даже со своим недостатком – разницей температур в начале и в конце контура отопления.
Для систем отопления с естественной циркуляцией, предназначенных для отопления домов площадью не более 70 м 2 , падение температуры на последнем радиаторе может составлять 5 – 10 0 С. Обычно этот недостаток частично нивелируется увеличением числа секций последних в ряду приборов отопления. Кроме того, однотрубные схемы часто модернизируют установкой циркуляционного насоса.
В систему отопления с естественной циркуляцией иногда интегрируется бойлер косвенного нагрева. Его рекомендуется устанавливать в верхней точке разгонного коллектора, трубопровод выхода теплоносителя с бойлера направляют в горизонтальном направлении с уклоном к радиаторам. Работа бойлера в самотечной схеме не отличается высоким качеством – температура воды в нем не регулируется, температура воды напрямую зависит от температуры теплоносителя.
Подключение контуров теплых полов к системам гравитационного типа не производится. Это обусловлено тем, что отдельные контуры водяных теплых полов имеют большое сопротивление, циркуляция возможна только с помощью циркуляционного насоса. Установка насоса в точках подключения полов к системе с гравитационной циркуляцией внесет резкий гидродинамический дисбаланс и может нарушить принципы естественного циркулирования.
Материалы и оборудование системы отопления
- Котел следует размещать в нижней точке системы;
- Уклон трубопроводов должен быть не менее 2 мм на 1 погонный метр длины;
- Система монтируется с минимумом гидравлических сопротивлений – поворотов, сужений, минимальным числом запорной арматуры.
В качестве теплогенераторов для систем гравитационного типа применяются в основном напольные котлы, имеющие увеличенные диаметры подключения и размеры теплообменника по сравнению с настенными моделями.
Основным видом приборов отопления для самотечной схемы являются чугунные радиаторы. Они обладают увеличенным проходным сечением секций устройства.
Чугунный радиатор в системе с естественной циркуляцией
Другие виды радиаторов (а также конвекторы) имеют малое внутреннее сечение и создают излишнее сопротивление.
Зачастую системы с естественной циркуляцией выполняются вообще без приборов отопления – по периметру помещений прокладываются стальные трубы. В этом случае циркуляция имеет лучшие параметры, но для достижения требуемой величины поверхности теплообмена может требоваться увеличение диаметра трубопроводов. К тому же такая конфигурация отопления малопривлекательна внешне, занимает много места.
Для монтажа отопления применяются в основном стальные трубы.
Трубопроводы для отопления из стали
Разгонный стояк в любом случае сооружается из стали, так как температура в зоне котла достигает высоких значений. Несколько реже применяются трубы из стабилизированного полипропилена. Рекомендуемый диаметр трубопроводов – 32 мм и больше.
Другие полимерные трубопроводы – металлопластик, трубы из сшитого полипропилена – применять не рекомендуется. Фитинги этих систем значительно снижают проходное сечение и создают излишнее гидравлическое сопротивление, препятствующее естественной циркуляции.
Прокладку трубопроводов отопления следует производить открыто. Скрытая прокладка подразумевает значительное увеличение числа соединений и поворотов.
Достоинства и недостатки системы с естественной циркуляцией
Достоинствами схемы с гравитационным движением теплоносителя являются следующие показатели:
- Полная энергонезависимость;
- Простота устройства и эксплуатации.
Система с естественной циркуляцией обладает и массой недостатков:
- Сложность регулирования;
- Неравномерное распределение тепла;
- Непривлекательный внешний вид;
- Ограничения по тепловой мощности;
- Сложность самостоятельного монтажа – требуется привлечение сварщика.
Система отопления с естественной циркуляцией используется сейчас больше как вынужденная мера. Главная причина строительства гравитационного водяного отопления – серьезные перебои в электроснабжении. Тем не менее, в некоторых ситуациях сооружение гравитационного отопления является единственно возможным техническим решением для обогрева частных домов и дач.
