Создание автономной отопительной системы с гравитационным принципом работы является оптимальным решение в тех ситуациях, когда установка циркуляционного насоса нецелесообразна или же невозможна из-за отсутствия подключения к электросети.
Данная система требует меньших затрат на её организацию и совершенно не зависит от электричества. Тем не менее, эффективность ее работы зависит от точного расчета и проектирования.
Для обеспечения непрерывной работы системы отопления с естественной циркуляцией необходимо тщательно рассчитать её параметры, правильно установить все элементы и разумно выбрать схему водяного контура. В этом вопросе мы готовы оказать свою помощь.
В нашем материале мы освещаем ключевые принципы функционирования гравитационных систем, предоставляем рекомендации по выбору труб и описываем правила по сборке контура и размещению ключевых элементов. Особое внимание уделяется проектированию и работе однотрубных и двухтрубных схем отопления.
Краткое содержание статьи
Принципы процесса естественной циркуляции
Вода в контуре отопления движется за счет физических законов, без участия циркуляционного насоса.
Понимание этих процессов дает возможность правильно спроектировать отопительную систему как для типовых, так и для нестандартных условий.
Галерея изображений
Гравитационный способ перемещения теплоносителя используется в квартирах и домах с автономной системой отопления.
Резервуар, необходимый для компенсации расширения теплоносителя при нагреве, представляет собой открытый расширительный бак.
Системы с естественным движением теплоносителя реализуются как в одно-, так и в двухтрубных схемах. Однотрубные контуры обычно устанавливаются с верхней разводкой.
В двухтрубных системах гравитационного типа разводка может быть как верхней, так и нижней. При этом горизонтальные участки обязательно прокладываются с наклоном 2-3 мм на метр.
Серьезный недостаток гравитационных отопительных систем состоит в слабом напоре, поэтому не стоит делать участки более 30 метров в горизонтальном направлении.
В системах с гравитационной циркуляцией имеется минимальное количество технических устройств, что влечет за собой меньшую вероятность возникновения проблем с настройкой и ремонтом.
В качестве источника теплоносителя могут использоваться твердотопливные, жидкотопливные котлы и все виды газовых котлов.
Допускается подъем теплоносителя до температуры, равной 105°C на выходе из котла, что следует учитывать при выборе оборудования и труб.
Естественное отопление
Открытый расширительный бак
Однотрубная схема разводки
Двухтрубные варианты
Ограничения гравитационного отопления
Преимущества естественной системы отопления
Котлы для гравитационного отопления
Выбор отопительных приборов и оборудования
Максимальная разница гидростатического давления
Главное физическое свойство любого теплоносителя, будь то вода или антифриз, позволяющее ему перемещаться по контуру при естественной циркуляции – это снижение плотности при нагреве.
Горячая вода имеет меньшую плотность, чем холодная, что создает разницу в гидростатическом давлении между горячими и холодными водяными столбами. Холодная вода, падая в теплообменник, поднимает горячую воду вверх по трубе.
Движущей силой воды в контуре является перепад гидростатического давления между холодным и горячим сегментами жидкости.
Отопительный контур можно условно разделить на несколько участков: по «горячим» участкам вода поднимается, а по «холодным» – опускается. Границами участков становятся верхняя и нижняя точки системы.
Ключевая задача при проектировании системы с естественной циркуляцией заключается в создании максимально возможной разницы давления между столбами жидкости в «горячем» и «холодном» участках.
Типичным для естественной циркуляции элементом водяного контура является коллектор разгона, представляющий собой вертикальную трубу, поднимающуюся от теплообменника.
Коллектор разгона должен иметь высокую температуру, поэтому его утепляют по всей длине. Однако если его высота небольшая (как в одноэтажных домах), утепление можно не делать, так как вода в нем не успевает остывать.
Систему проектируют так, чтобы верхняя точка коллектора разгона совпадала с верхней точкой всего контура. В этой точке устанавливают выход на расширительный бак открытого типа или вентиль для удаления воздуха, если используется мембранный бак.
Таким образом, длина «горячего» участка контура получается минимально возможной, что снижает теплопотери.
Также желательно, чтобы «горячий» участок не пересекался с протяженными участками, по которым проходит остывший теплоноситель. В идеале нижняя точка водяного контура должна совпадать с самой низкой точкой теплообменника устройства нагрева.
Чем ниже в системе установлен котел, тем меньше будет гидростатическое давление в горячем участке контура.
Для «холодного» участка тоже существуют свои правила, способствующие увеличению давления:
- Чем больше теплопотери на «холодном» участке системы, тем ниже температура воды и выше её плотность, в связи с чем использование систем естественной циркуляции становится возможным только при хорошем теплоотведении;
- Чем больше расстояние от нижней точки контура до радиаторов, тем больше будет участок жидкого столба с минимальной температурой и максимальной плотностью.
Часто печь или котел устанавливают в самом низком месте дома, например, в подвале. Таким образом, обеспечивается максимальное расстояние между нижним уровнем радиаторов и точкой, где вода входит в теплообменник.
Тем не менее, высота между нижней и верхней точками водяного контура не должна превышать 10 метров на практике. Печь или котел должны нагревать только теплообменник и нижнюю часть коллектора разгона.
Если этот участок будет незначителен по сравнению с общей высотой водяного контура, то падение давления в горячем участке будет малозначительным и процесс циркуляции не начнется.
Использование систем с естественной циркуляцией для двухэтажных зданий является вполне оправданным, в то время как для более высоких зданий потребуется установить циркуляционный насос.
Минимизация сопротивления потоку воды
При проектировании систем с естественной циркуляцией важно учитывать скорость движения теплоносителя.
Во-первых, чем выше скорость, тем быстрее происходит передача тепла через систему от «котла» к «теплообменнику», к «водяному контуру», радиаторам и, наконец, в помещениях.
Во-вторых, чем быстрее перемещается жидкость через теплообменник, тем меньшая вероятность её закипания, что является особенно важным в случае печного отопления.
Закипание воды в системе может обернуться большими затратами – демонтаж, ремонт и повторная установка теплообменника займут много времени и ресурсов.
Скорость движения воды в системах отопления с принудительной циркуляцией в основном зависит от параметров циркуляционного насоса.
Для отопления с естественной циркуляцией скорость обычным образом определяется следующими факторами:
- перепад давления между фрагментами контура в его нижней части;
- гидродинамическое сопротивление всей системы отопления.
Методы достижения максимального перепада давления были упомянуты выше. Гидродинамическое сопротивление в реальных системах сложно поддается точному расчету из-за сложной математической модели и множества переменных, точность которых трудно установить.
Тем не менее, существуют основные рекомендации, выполнение которых поможет снизить сопротивление в отопительном контуре.
Основные причины снижения скорости движения воды включают сопротивление стенок труб и наличие сужений, вызванных фитингами или запорной арматурой. При низкой скорости потока сопротивление стенок практически незначительно.
Исключение составляют длинные и узкие трубы, которые часто используются для теплого пола. Чаще всего для них выделяют отдельные контуры с принудительной циркуляцией.
При выборе труб для контура с естественной циркуляцией стоит учитывать наличие технических сужений. Поэтому использование металлопластиковых труб нежелательно из-за соединений с фитингами, которые имеют значительно меньший внутренний диаметр.
Фитинги для металлопластиковых труб могут значительно уменьшить внутреннее отверстие и стать серьезным препятствием для воды в условиях низкого давления.
Правила выбора и монтажа труб
При выборе между стальными и полипропиленовыми трубами для любой циркуляции основываются на возможности их эксплуатации в горячей воде, а также с учетом цены, удобства установки и срока службы.
Для стояка подачи используют металлические трубы, так как именно через них проходит вода с самой высокой температурой, а в случае печного отопления или поломки теплообменника может быть риск прохождения пара.
При естественной циркуляции следует выбирать трубы большего диаметра по сравнению с системами, где применяется циркуляционный насос. Обычно, для обогрева площадей до 200 кв.м. применяется диаметр коллектора разгона и обратной трубы, составляющий 2 дюйма.
Это связано с более низкой скоростью воды по сравнению с принудительной циркуляцией, что порождает следующие проблемы:
- уменьшение количества тепла, передаваемого за единицу времени от источника тепла к обогреваемым помещениям;
- появление засоров и воздушных пробок, с которыми не сможет справиться слабый напор.
При использовании систем отопления с естественной циркуляцией, важно обратить внимание на проблему удаления воздуха из системы, особенно в случаях с нижней подводкой. Воздух не может быть полностью устранён из теплоносителя с помощью расширительного бака, поскольку закипающая вода сначала поступает в радиаторы, расположенные ниже.
В системах с принудительной циркуляцией давление воды способствует перемещению воздуха к воздухоотводчику, который установлен в самой верхней части системы. Регулировка теплоотдачи осуществляется с помощью кранов Маевского.
В гравитационных отопительных системах, где подача находится ниже радиаторов, краны Маевского служат для облегчения выпуска воздуха.
На современных радиаторах отопления уже предусмотрены устройства для удаления воздуха, что снижает риск образования воздушных пробок в системе, позволяя создавать уклон и направляя воздух к радиаторам.
Также воздух может удаляться с помощью специальных воздухоотводчиков, которые устанавливаются на каждом стояке или на параллельной магистрали системы. Из-за большого количества оборудования для удаления воздуха применение гравитационных систем с нижней разводкой является крайне редким явлением.
Небольшая воздушная пробка может полностью остановить систему обогрева при слабом давлении. Согласно нормативам СНиП 41-01-2003, трубы отопительных систем не должны укладываться без уклона, если скорость воды ниже 0,25 м/с.
При естественной циркуляции достичь таких скоростей невозможно. Поэтому, помимо увеличения диаметра труб, важно поддерживать постоянные уклоны для эффективного вывода воздуха из отопительной системы. Рекомендуемый уклон составляет 2-3 мм на 1 метр; в квартирах он может достигать 5 мм на погонный метр горизонтали.
Уклон подачи необходимо делать в направлении потока воды, чтобы воздух направлялся к расширительному баку или воздухоотводчику, установленному в верхней части контура. Несмотря на возможность создания контр-уклона, в таком случае потребуется установить дополнительный клапан для удаления воздуха.
Уклон обратной магистрали обычно совпадает с направлением движения остывшей воды, что позволяет нижней точке контура находиться в месте входа обратной трубы в теплогенератор.
Наиболее распространённой комбинацией уклонов подающей и обратной труб считается вариант, способствующий удалению воздушных пробок из водяного контура с естественной циркуляцией.
При установке теплого пола в системах с естественной циркуляцией очень важно избегать попадания воздуха в узкие и горизонтально расположенные трубы такой обогревательной системы. Рекомендуется установить устройство для удаления воздуха перед теплым полом.
Однотрубные и двухтрубные схемы отопления
При проектировании отопительной схемы дома с естественной циркуляцией можно создать как один, так и несколько отдельных контуров, которые могут значительно отличаться друг от друга. Независимо от длины, количества радиаторов и прочих параметров, они выполняются по однотрубной или двухтрубной схеме.
Схема с использованием одной трубы
Однотрубной системой отопления называется схема, использующая одну трубу для подачи воды к радиаторам последовательно. Самым простым вариантом однотрубного отопления является система на основе металлических труб без радиаторов.
Этот метод считается самым экономичным и простым для организации обогрева дома при выборе естественной циркуляции теплоносителя. Единственным заметным недостатком является внешний вид массивных труб.
В наиболее экономичном варианте однотрубной схемы с радиаторами горячая вода проходит через каждое устройство последовательно, что требует минимального количества труб и запорной арматуры.
Температура теплоносителя снижается по мере его прохождения через радиаторы, и необходимо учитывать этот факт при расчёте количества секций для обогрева.
Простая однотрубная схема (показана сверху) предполагает наименьшие затраты на монтаж и материалы. Более сложная версия (показана снизу) позволяет отключать радиаторы, не прекращая работу всей системы.
Наиболее эффективным способом подключения отопительных приборов к однотрубной системе считается диагональная схема.
По этой схеме горячая вода попадает в радиатор сверху, а охлажденная уходит через нижний патрубок, что позволяет нагретой воде максимально эффективно отдавать тепло.
При нижнем подключении как входного, так и выходного патрубков теплоотдача значительно снижается, поскольку нагретой жидкости нужно пройти гораздо больший путь. Сильное остывание приводит к тому, что такие схемы не используют радиаторы с большим количеством секций.
Система «Ленинградка» отличается высокими теплопотерями, которые следует учитывать при проектировании. Её преимущество заключается в том, что использование запорных вентилей на входном и выходном патрубках позволяет выборочно отключать радиаторы для обслуживания, не останавливая отопительный процесс.
Радиаторные контуры с таким подключением называют «Ленинградка». Несмотря на упомянутые теплопотери, они пользуются популярностью для установки в квартирных отопительных системах из-за более эстетичного внешнего вида трубопровода.
Значительным недостатком однотрубных схем является невозможность отключить одну из секций отопления без полного прекращения циркуляции воды в контуре.
По этой причине часто применяют усовершенствование классической схемы, устанавливая «байпас» для обхода радиатора с помощью ответвления и двух шаровых кранов или трехходового крана, что даёт возможность регулировать подачу воды к радиатору, вплоть до его полного отключения.
Для строений с двумя и более этажами применяются варианты однотрубной схемы с вертикальными стояками. При этом распределение горячей воды происходит более равномерно по сравнению с горизонтальными стояками, а вертикальные стояки занимают меньше места и легче вписываются в интерьер дома.
Однотрубная схема с вертикальной разводкой успешно применяется для обогрева двухэтажных помещений с использованием естественной циркуляции. Представлен также вариант с возможностью отключения верхних радиаторов.
Вариант с двумя трубами
В двухтрубной системе одна труба подает горячую воду к радиаторам, а другая отвозит охлажденную обратно к котлу или печи. Эта схема чаще используется, чем однотрубная.
Хотя она требует установки дополнительной трубы и, следовательно, более затратна, у неё есть несколько ключевых преимуществ:
- более равномерное распределение температуры теплоносителя, подаваемого к радиаторам;
- упрощённый расчёт параметров радиаторов в зависимости от площади обогреваемого помещения и необходимых температур;
- более эффективная регулировка подачи тепла к каждому радиатору.
Двухтрубные системы можно разделить на попутные и тупиковые в зависимости от направления движения остывшей воды относительно горячей. В попутных системах охлажденная вода движется в одном направлении с горячей, что обеспечивает одинаковую длину цикла для всего контура.
В тупиковых системах охлажденная вода движется навстречу горячей, что приводит к различиям в длине циклов оборота теплоносителя для разных радиаторов. Из-за небольшой скорости в системе время нагрева может значительно варьироваться. Радиаторы с меньшей длиной цикла будут нагреваться быстрее.
При выборе между тупиковой и попутной схемой отопления стоит учитывать удобство прокладки обратной трубы.
Существуют два варианта расположения подводок относительно радиаторов отопления: верхняя и нижняя. При верхней подводке труба, подающая горячую воду, находится выше радиаторов, а при нижней — ниже.
При нижней подводке возможно быстрое удаление воздуха через радиаторы, и нет необходимости в прокладке труб поверху, что является плюсом с точки зрения дизайна помещения.
Однако без коллектора разрежение давления будет значительно меньше, чем при верхней подводке. Поэтому нижняя подводка практически не используется для отопления помещении с естественной циркуляцией.
Выводы и полезное видео по теме
Проектирование однотрубной схемы на основе электрокотла для небольшого дома:
Работа двухтрубной системы для одноэтажного деревянного дома с использованием твердотопливного котла длительного горения:
Построение отопительной системы с естественной циркуляцией требует тщательных расчётов и качественного выполнения установочных работ. Соблюдение указанных условий позволит системе эффективно обогревать помещение частного дома и избавит владельцев от звуков работы насосов и зависимости от электроснабжения.
Если у вас возникли вопросы по данной теме или вы хотите поделиться своим опытом по организации и эксплуатации гравитационных отопительных систем, оставляйте свои комментарии под этой статьей. Блок для обратной связи находится ниже.
