Создание автономной гравитационной отопительной системы обычно выбирается в тех случаях, когда установка циркуляционного насоса является нецелесообразной или даже невозможной, например, в условиях отсутствия доступа к электроснабжению.
Данная система характеризуется более низкими затратами на установку и полной независимостью от электричества. Тем не менее, ее эффективность во многом зависит от аккуратного проектирования.
Для того чтобы обеспечить бесперебойную работу системы отопления с естественной циркуляцией, необходимо правильно рассчитать параметры, установить компоненты и обоснованно выбрать схему водяного контура. Мы готовы помочь в решении этих задач.
В нашем материале мы рассмотрели основные принципы работы гравитационной системы, предоставили рекомендации касательно выбора трубопровода, а также обозначили правила сборки контура и размещения рабочих узлов. Особое внимание уделено нюансам проектирования и работы одно- и двухтрубных схем.
Краткое содержание статьи
Принципы работы естественной циркуляции
Циркуляция воды в контуре отопления без применения насосов происходит благодаря природным физическим законам.
Понимание основ этих процессов поможет правильно спроектировать систему отопления как для стандартных, так и для нестандартных ситуаций.
Метод естественной циркуляции, который обеспечивает движение теплоносителя под действием силы тяжести, широко используется в коттеджах и квартирах с автономным отоплением.
Открытый расширительный бачок обеспечивает резервное пространство для расширения теплоносителя во время нагрева.
Системы с естественной циркуляцией могут быть одно- и двухтрубными, при этом однотрубные контуры обычно реализуются с верхней разводкой.
Двухтрубные гравитационные системы могут иметь как верхнюю, так и нижнюю разводку. Угол наклона горизонтальных участков должен составлять 2-3 мм на метр.
К существенным недостаткам гравитационных отопительных систем относится низкое давление, что ограничивает длину горизонтального контура до 30 м.
В системах с естественной циркуляцией используется минимальное количество технических устройств, что приводит к меньшему количеству проблем при настройке и ремонте.
В качестве источников теплоносителя могут использоваться твердотопливные, жидкотопливные и разные газовые котлы.
Разрешается нагрев теплоносителя до температуры в +105°C на выходе из котла. Этот аспект должен быть учтен при выборе оборудования и труб.
Максимальная разница гидростатического давления
Ключевым свойством любого теплоносителя, как воды, так и антифриза, способствующим его движению в контуре при естественной циркуляции, является снижение плотности при увеличении температуры.
Горячая вода менее плотная по сравнению с холодной, что создает разницу в гидростатическом давлении между теплым и холодным столбами жидкости. Холодная вода, направляясь к теплообменнику, вытесняет теплую вверх по трубопроводу.
Основным фактором, движущим воду в системе при естественной циркуляции, является перепад гидростатического давления между холодным и горячим столбами жидкости.
Отопительную систему можно разделить на несколько частей: в «горячих» сегментах вода движется вверх, а в «холодных» – вниз. Границами этих фрагментов служат верхняя и нижняя точки всей системы отопления.
При проектировании системы с естественной циркуляцией критически важной задачей является достижение максимальной разницы между давлением горячего и холодного столба жидкости.
Классическим элементом водяного контура для естественной циркуляции является коллектор разгона (главный стояк) – вертикальная труба, поднимающаяся вверх от теплообменника.
Поскольку коллектор разгона должен иметь максимальную температуру, его изолируют по всей длине. Однако если высота коллектора небольшая (например, для одноэтажных зданий), то можно обойтись без утепления, так как вода в нем не успевает остывать.
Проектируем систему так, чтобы верхняя точка коллектора совпадала с верхней точкой всего контура. Здесь устанавливается выход на открытый расширительный бак или клапан, если используется мембранный бак.
Таким образом, длина «горячего» сегмента контура минимально возможная, что помогает сократить теплопотери в этом участке.
Желательно также, чтобы «горячий» сегмент не был соединен с длинными участками, по которым проходит остывший теплоноситель. В идеале нижняя точка водяного контура должна соответствовать нижней точке теплообменника, который размещен в нагревательном устройстве.
Чем ниже располагается котел в системе отопления, тем меньше гидростатическое давление в «горячем» сегменте.
Для «холодного» сегмента водяного контура также имеются свои правила для увеличения давления жидкости:
- большие теплопотери на «холодном» участке приводят к снижению температуры и увеличению плотности воды, поэтому эффективная работа систем с естественной циркуляцией возможна только при высокой теплоотдаче;
- длинное расстояние от нижней точки контура до подключения радиаторов создаёт большее количество воды с низкой температурой и высокой плотностью.
Чтобы учесть последнее правило, котел или печь часто устанавливают в самом низком месте здания, например, в подвале. Подобное размещение котла позволяет добиться максимального расстояния между нижним уровнем радиаторов и точкой подключения воды к теплообменнику.
Тем не менее высота между нижней и верхней точками водяного контура не должна быть чрезмерной (на практике не более 10 метров). Печь или котел обогревают только теплообменник и низ коллектора разгона.
Если этот сегмент мал по сравнению с общей высотой водяного контура, то падение давления в «горячем» сегменте будет незначительным и процесс циркуляции не начнется.
Использование систем с естественной циркуляцией в двухэтажных зданиях вполне оправдано, тогда как для высотных зданий потребуется установка циркуляционного насоса.
Минимизация сопротивления движению жидкости
При проектировании системы с естественной циркуляцией важно учитывать скорость передвижения теплоносителя по контуру.
Во-первых, высокая скорость способствует более быстрой передаче тепла от «котла» через теплообменник к водяному контуру и радиаторам в комнатах.
Во-вторых, если скорость течения жидкости через теплообменник высокая, это уменьшает риск ее закипания, что критически важно для печного отопления.
Закипание воды может привести к значительным затратам – демонтаж, ремонт и повторная установка теплообменника требуют много ресурсов и времени.
В системах с принудительной циркуляцией скорость воды в большинстве случаев определяется параметрами циркуляционного насоса.
В то время как в гравитационных системах скорость зависит от:
- разницы давления на нижней точке контура;
- гидродинамического сопротивления системы отопления.
Методы достижения максимальной разницы давления были рассмотрены ранее. Гидродинамическое сопротивление реальной системы не поддается точному определению из-за сложности математической модели и множества факторов, точность которых трудно гарантировать.
Тем не менее, соблюдение некоторых общих правил может помочь снизить сопротивление в отопительном контуре.
Среди главных причин снижения скорости движения воды можно выделить трение о стенки труб и наличие сужений от фитингов или запорной арматуры. На малой скорости потока сопротивление стенок почти не ощущается.
Исключением являются длинные и тонкие трубы, характерные для теплых полов, для которых часто создают отдельные контуры с принудительной циркуляцией.
Если при выборе труб для системы с естественной циркуляцией учитывать наличие технических сужений на этапе монтажа, то использование металлопластиковых труб может оказаться нецелесообразным из-за фитингов с меньшим внутренним диаметром.
Фитинги для металлопластиковых труб могут уменьшить внутренний диаметр и создавать серьезные препятствия для движения воды при низком давлении.
Рекомендации по выбору и установке труб
При выборе между стальными и полипропиленовыми трубами для любой типа циркуляции следует учитывать их пригодность для горячей воды, а также стоимость, легкость монтажа и срок службы.
Для стояка подачи рекомендуется использовать металлические трубы, так как через них проходит вода с максимальной температурой, а в случае использования печного отопления или неисправности теплообменника возможны случаи прохождения пара.
Для систем с естественной циркуляцией необходимо выбирать трубы с диаметром, который несколько превышает таковой для систем с принудительной циркуляцией. Обычно для обогрева площадей до 200 квадратных метров используют коллекторы разгона и трубы обратки диаметром 2 дюйма.
Это объясняется меньшей скоростью воды по сравнению с системой с принудительной циркуляцией, что вызывает следующие проблемы:
- уменьшение объема тепла, передаваемого от источника в обогреваемое помещение за единицу времени;
При использовании схемы отопления с естественной циркуляцией, где подача осуществляется снизу, необходимо обращать особое внимание на проблему удаления воздуха из системы. Воздух не может полностью выходить из теплоносителя через расширительный бак, поскольку закипающая вода поступает в приборы по магистрали, которая расположена ниже уровня этих приборов.
В системах с принудительной циркуляцией поток воды выталкивает воздух к установленному на самой высокой точке системы воздухоотводчику — это может быть устройство с автоматическим, ручным либо полуавтоматическим управлением. Для регулировки теплоотдачи в основном используются краны Маевского.
В гравитационных системах отопления, где подающая линия расположена ниже радиаторов, краны Маевского применяются непосредственно для удаления воздушных пробок.
На современных радиаторах имеются устройства для выпуска воздуха, что позволяет избежать образования пробок в контуре, если обеспечить уклон, который будет способствовать движению воздуха к радиатору.
Также воздух может выводиться через воздухоотводчики, которые устанавливаются на каждом стояке или по воздухоотводящей линии, проходящей параллельно основным магистралям системы. В связи с большим количеством устройств, предназначенных для удаления воздуха, гравитационные разводки с нижними подводками очень редко встречаются.
При низком напоре даже небольшая воздушная пробка может полностью остановить систему отопления. Согласно СНиП 41-01-2003, запрещается прокладывать трубопроводы отопительных систем без уклона, если скорость движения воды составляет менее 0,25 м/с.
При естественной циркуляции такие скорости считать недостижимыми. Поэтому помимо увеличения диаметра труб необходимо обеспечивать постоянный уклон для вывода воздуха из системы отопления. Проектирование уклона осуществляется исходя из 2-3 мм на 1 метр, а в сетях, расположенных в квартирах, этот уклон может доходить до 5 мм на погонный метр горизонтальной трубы.
Уклон подающей трубы осуществляется по направлению движения теплоносителя, чтобы воздух мог свободно проходить к расширительному баку или воздухоотводящей системе, установленной на самой верхней точке контура. Хотя возможно также создать обратный уклон, это потребует дополнительной установки вентиля для отведения воздуха.
При обратной магистрали уклон обычно выполняется по направлению охлажденной воды, чтобы нижняя точка контура совпадала с местом входа обратной трубы в теплогенератор.
Наиболее распространенная комбинация направления уклона как подающей, так и обратной труб для эффективного удаления воздушных пробок из водяного контура с естественной циркуляцией.
При установке теплого пола на небольших площадях в системе с естественной циркуляцией очень важно предотвратить попадание воздуха в узкие и горизонтально расположенные трубы. Важно установить устройство для удаления воздуха перед теплым полом.
Схемы отопления на однотрубной и двухтрубной основе
При проектировании отопительной схемы для дома с естественной циркуляцией воды можно использовать как одну, так и несколько отдельных схем, которые могут значительно различаться друг от друга. Независимо от длины, количества радиаторов и других характеристик, их реализуют по однотрубной или двухтрубной схеме.
Система с одной трубой
Систему отопления, где используется одна и та же труба для последовательной подачи воды к радиаторам, называют однотрубной. Самым простым вариантом однотрубной системы является отопление с металлическими трубами без радиаторов.
Это наиболее экономный и простой способ организации отопления для дома с применением естественной циркуляции теплоносителя. Однако единственным значительным недостатком является не очень эстетичный внешний вид громоздких труб.
В экономичном варианте однотрубной схемы с радиаторами горячая вода последовательно проходит через каждое устройство, требуя минимальное количество труб и запорных элементов.
Постепенно теплоноситель охлаждается, поэтому последующие радиаторы получают менее горячую воду, что следует учитывать при расчете количества секций.
Простая однотрубная схема (см. выше) требует минимального количества монтажных работ и затрат. Более сложный и затратный вариант (внизу) позволяет отключать радиаторы без остановки всей системы.
Наиболее эффективным методом подключения отопительных приборов к однотрубной сети считается диагональная схема.
Согласно данной схеме в контуре отопления с естественной циркуляцией горячая вода попадает в радиатор сверху, после чего, охладившись, покидает его через нижний патрубок. Такой подход обеспечивает наибольшую отдачу тепла.
При нижнем подключении к батарее как входного, так и выходного патрубка теплоотдача неминуемо снижается, так как пьеса теплоносителя должна пройти максимально длинный маршрут. Из-за значительного остывания в таких схемах не используют радиаторы с большим количеством секций.
«Ленинградка» существенно теряет тепло, что должно учитываться при проектировании системы отопления. Однако ее положительным моментом является возможность отключения приборов для ремонта, не прерывая работу системы, при использовании запорных вентилей на входном и выходном патрубке.
Отопительные контуры с таким подключением радиаторов известны как «Ленинградка». Несмотря на замеченные потери тепла, эта схема часто выбирается для создания квартирных систем отопления, чтобы обеспечить более привлекательный внешний вид трубопроводов.
Основным недостатком однотрубных систем является невозможность отключения одной из секций без прекращения циркуляции воды по всему контурному циклу.
В связи с этим обычно модернизируется классическая схема с помощью установки «байпаса», что позволяет обойти радиатор через ответвление с двумя шаровыми кранами или трехходовым краном. Это дает возможность регулировать подачу воды к радиатору, вплоть до его полного отключения.
Для зданий в два и более этажа применяют варианты однотрубной схемы с вертикальными стояками. В данном случае распределение горячей воды достигается более равномерно, чем с горизонтальными стояками, поскольку вертикальные стояки менее протяженные и легче вписываются в интерьер дома.
Вертикальная однотрубная схема успешно применяется для отопления двухэтажных помещений с использованием принципа естественной циркуляции. Этот вариант позволяет отключать верхние радиаторы.
Система с использованием обратной трубы
Если одна труба применяется для подачи горячей воды к радиаторам, а вторая – для отвода охлажденной обратно к котлу или печи, такая схема называется двухтрубной. Данные системы с радиаторами используются значительно чаще, чем однотрубные.
Хотя такая система требует больших затрат из-за необходимости монтажа дополнительной трубы, она обладает рядом значительных преимуществ:
- равномерное распределение температуры теплоносителя, подаваемого к радиаторам;
- упрощение выполнения расчетов в зависимости от параметров радиаторов и площади отапливаемого помещения;
- более эффективная регуляция подачи тепла к каждому радиатору.
Двухтрубные системы могут быть разделены на попутные и тупиковые в зависимости от направления движения охлажденной воды относительно горячей. В попутных системах охлажденная вода движется в том же направлении, что и горячая, поэтому длина цикла для всего контура сопоставима.
В тупиковых системах охлажденная вода движется навстречу горячей, и, соответственно, длина циклов для разных радиаторов будет различной. В связи с невысокой скоростью в системе, время нагрева может значительно варьироваться. Радиаторы, у которых длина цикловкороткая, будут нагреваться быстрее.
При выборе между тупиковой и попутной схемами отопления следует ориентироваться в первую очередь на удобство прокладки обратной трубы.
Существуют два типа расположения трубопроводов относительно радиаторов отопления: верхняя и нижняя подводка. При верхней подводке труба, подающая горячую воду, располагается выше радиаторов, а при нижней – ниже их уровня.
При нижней подводке возможен отвод воздуха через радиаторы и отсутствует потребность в верхней прокладке труб, что является плюсом с точки зрения дизайна помещения.
Однако без использования коллектора разгон давления будет заметно ниже, чем при верхней подводке. Поэтому нижняя подводка при отоплении помещений по принципу естественной циркуляции практически не используется.
Заключение и полезные видео по теме
Организация однотрубной схемы на основе электрокотла для небольшого дома:
Работа двухтрубной системы для одноэтажного деревянного дома, оснащенного твердотопливным котлом длительного горения:
Использование естественной циркуляции для движения воды в отопительном контуре требует четких расчетов и качественного исполнения монтажных работ. При соблюдении этих условий система отопления обеспечит надлежащее прогревание помещений частного дома и избавит владельцев от шума насоса и зависимости от электричества.
Если у вас есть вопросы по этой теме или вы хотели бы поделиться своим опытом в организации и эксплуатации отопительной системы гравитационного типа, оставьте свои комментарии ниже. Блок для обратной связи расположен чуть ниже.
