Реальность и заблуждения.

Гравитационную циркуляцию, в просторечии ещё называют естественной циркуляцией. Система с гравитационной циркуляцией, отличается от системы с принудительной (насосной) циркуляцией тем, что циркуляция , осуществляется не под воздействием силы электрического циркуляционного насоса, а под воздействием силы гравитации.

Может возникнуть вопрос: «За счет чего же гравитация может заставлять циркулировать?».

Попробую объяснить так. Представьте себе, что Вы поставили на левую и правую чаши весов по одинаковой открытой канистре, заполненных водой до краев (и соединенных между собой снизу трубочкой, т.е. сообщающиеся сосуды). А затем стали нагревать воду в левой канистре (даже просто на лучах Солнца). В результате нагрева, вода в левой канистре расширится (при этом уменьшиться её удельный вес, т.е. плотность), станет больше объемом. А так как наша канистра была заполнена до краёв, то часть воды выльется на землю (в отопительной системе эта часть воды не выливается, а выдавливается в расширительный бак, накапливаясь в нём.).

Догадываетесь, что левая канистра станет легче, чем правая? В результате левая чаша весов будет подниматься вверх, а правая чаша будет опускаться.

Если теперь попробовать представить себе, что эти канистры были подвешены тросиком к вращающемуся блоку (колёсику с крюком), подвешенному к потолку. То пока вода в канистрах была одной температуры, обе канистры весили одинаково. Когда же вода в левой канистре нагрелась, то из-за вылившейся на землю из нее воды, эта канистра стала чуть легче правой. Понятно, что при этом левая канистра начнет подниматься вверх, потому, что правая канистра оказалась тяжелее, и перевешивает левую канистру.

Тот же принцип используется и для осуществления гравитационной циркуляции. Представьте себе, что левая канистра – это котел, в котором непрерывно нагревается. А правая канистра – это радиаторы, в которых вода непрерывно остывает. Только канистры соединены между собой трубочками и пОнизу и пОверху в кольцо. Такое кольцо в отоплении называют циркуляционным кольцом. Тогда получается, что правая часть кольца движения , всегда оказывается тяжелее левой части (пока греет котел).

Сила «перевешивания» (величина давления) образующаяся от разницы веса левой и правой «канистры» называется в гидравлике напором. И под воздействием этой силы (гравитационного напора), непрерывно будет циркулировать от котла к радиаторам, доставляя к радиаторам тепло, пока греет котел. Гравитационный напор измеряют в Паскалях или метрах водяного столба или Барах.

Также хочу добавить, что массовый расход (измеряемый в кг/сек), на всем протяжении циркуляционного кольца остаётся неизменным. Т.е. если бы все циркуляционное кольцо было выполнено одним и тем же диаметром, то скорость на всём протяжении циркуляционного кольца оставалась бы одинаковой (на участке трубопровода с меньшим диаметром скорость выше, а на участке с бОльшим диаметром – ниже).

Главное, чтобы система была сконструирована так, чтобы пузырьки могли сами удаляться из тех «карманов» (в которых они могут накапливаться) посредством автовоздухоотводчиков или через главный транзитный стояк вверх в расширительный бак. В тех же воздушных «карманах», где пузырьки не накапливаются постоянно, можно ограничиться установкой кранов Маевского.

Третье заблуждение. В системах с естественной циркуляцией охлажденный вверх двигаться не может, а нагретый не может двигаться вниз.

Для циркуляционной системы важна циркуляция по всему циркуляционному кольцу. Некоторые участки трубопроводов из которых состоит циркуляционное кольцо «разгоняют» , а некоторые тормозят. Напомню, что «разгоняют» циркуляцию вертикальные участки, где опускается, а «тормозят» - где поднимается. Но, если на фоне общего напора в циркуляционном кольце порядка 300 Паскаль, какой-либо участок будет «тормозить» давлением порядка 20 Паскаль, то результирующий напор (побуждающий к циркуляции) все равно будет 280 Паскаль.

Т.е. можно и в гравитационной системе обходить магистралями дверные проемы (и прочее) и пОнизу и пОверху. Но, конечно, надо бы гидравлически рассчитать (какое будет падение давления на этом участке в Паскалях), не будет ли «торможение» критическим в каждом конкретном случае. Также напомню, что при обходе магистралями дверного проема пОверху, поднимающийся участок магистрали очень желательно теплоизолировать, чтобы снизить «тормозящий» эффект. А в верхней части обвода дверного проема установить автовоздухоотводчик или кран Маевского, чтобы из верхнего «кармана» можно было удалять воздух.

Приведу пример схемы, которая при произведенном гидравлическом расчете будет работоспособной с гравитационной циркуляцией. Хотя, конечно, не является оптимальной. В такой схеме также желательно теплоизолировать обратные стояки с поднимающимся для уменьшения «торможения».

Четвертое заблуждение. В гравитационных системах подающая магистраль (рОзлив) должна проходить над всеми ярусами радиаторов.

Да, расположить верхний рОзлив выше всех радиаторов было бы оптимальнее по многим причинам (поднятие центра охлаждения и воздухоудаление через открытый бак наверху транзитного стояка). Но это не является необходимым условием для функционирования гравитационной циркуляции. Рассмотрим пример такой схемы на рисунке №5.

Воздух в такой схеме можно удалять автовоздухоотводчиками (выделены на схеме кружочками). Ну, а расположение центра охлаждения и необходимый напор нужно рассчитать.

Пятое заблуждение. При гравитационной циркуляции центры радиаторов нижнего уровня должны находиться выше центра нагрева (теплообменника котла).

Для одноэтажного дома (особенно с «ленинградской» схемой системы отопления) это действительно почти всегда так и есть. Но в двух и более этажном доме, радиаторы первого этажа (цокольного этажа) могут быть размещены и ниже центра нагрева. Но, конечно, работоспособность при этом должна быть проверена гидравлическим расчетом.

Восьмое заблуждение. Нельзя ставить циркуляционный насос на главном транзитном стояке между и расширительным баком.

Циркуляционный насос имеет смысл поставить. Насос может повысить КПД котла, а также увеличить теплоотдачу радиаторов. Но ставить насос нужно на байпасе транзитного стояка. Также насос должен быть небольшой мощности, например, Wilo Star 25/20, имеющий напор около 2 метров водяного столба. Пример правильной установки насоса на байпасе, показан на фото ниже.

Причем нельзя устанавливать на транзитном стояке ни запорных кранов, ни пружинного обратного клапана (слишком высокое у него гидросопротивления для гравитационной системы). Для автоматического перехода из режима гравитационной циркуляции в принудительную циркуляцию и обратно, нужно устанавливать обратный шаровый поплавковый клапан. Такой клапан обладает очень малым гидросопротивлением в открытом состоянии и не тормозит гравитационную циркуляцию. Принцип действия такого клапана показан на рисунке ниже.

Существуют и другие заблуждения относительно систем с гравитационной циркуляцией:

· Расширительный бак можно устанавливать только над главным транзитным стояком.

Поясню, что это скорее касается гравитационной циркуляции с твердотопливным и без .

· В системах нельзя ставить РБ-экспанзомат.

Поясняю. То же самое, с ТТкотлом без ставить нельзя. Или с газовым старого образца типа АОГВ с плохо работающей автоматикой. Также это связано с тем, что допустимое рабочее давление котла может быть 1,5 Бара, а в неверно сконструированной закрытой системе отопления давление может подняться значительно выше. Что может привести к взрыву котла.

· Нельзя регулировать теплоотдачу радиаторов посредством радиаторных термовентилей с термоголовками.

Объясняю. Связано с тем, что при плохо работающей автоматике газового котла или в системе с твердотопливным без , при закрытии радиаторных термоклапанов (термовентилей) может произойти закипание и взрыв котла (если система закрытая).

Перепечатка не возбраняется,
при указании авторства и ссылки на этот сайт.

Систему отопления с естественной циркуляцией водяного теплоносителя запантетовал в 1832 г. российский ученый-металлург П.Г. Соболевский. В наш век стремительно изменяющихся технологий эту схему (называемую также гравитационной или самотечной) теплоснабжения частного дома можно было бы считать морально устаревшей, если бы не ее простота, надежность и экономичность. Самотечная система отопления по-прежнему широко используется в строительстве своими руками собственного дома и считается оптимальным технико-экономическим решением. Небольшое давление в сети ограничивает область ее применения, но для одноэтажного жилого здания данная схема весьма эффективна и часто рассматривается в качестве альтернативы отоплению с использованием насосных агрегатов.

Система отопления частного дома с естественной циркуляцией

Схема отопления с естественной циркуляции

Схема движения водяного теплоносителя в системе отопления с естественной циркуляцией

В схеме приняты следующие обозначения:

• поз. 1 – котел отопления;
• поз. 2 – бак расширительный;
• поз. 3 – радиаторы отопления;
• Т1 – нагретый теплоноситель, красными стрелками показано направление его движения;
• Т2 – остывший теплоноситель, синие стрелки указывают на его движение в контуре.

В автономном отоплении одноэтажного или двухэтажного собственного дома допускается применение специальных незамерзающих составов-антифризов, но в системах с естественной циркуляцией теплоносителя использовать антифризы не рекомендуется.

Главные недостатки антифризов для использования в контуре отопления естественной циркуляции:

• В схеме отопления с естественной циркуляцией в конструкциях расширительных баков предусмотрен контакт с окружающим атмосферным воздухом. Антифризы быстро испаряются, загрязняя окружающую экологию;
• Необходимость постоянного контроля за объемом теплоносителя и его периодическом пополнении;
• У антифризов низкая теплоотдача, способствующая малому съему тепла радиаторами от теплоносителя при его циркуляции. Это приводит к перегреву антифриза в контуре и самого котла;
• Использование перегретого антифриза в замкнутом контуре способствует обильному образованию отложений внутри теплообменника, забивающих проходное сечение в трубках.

Наиболее оптимальным носителем тепла в контуре гравитационного типа для отопления одноэтажного или двухэтажного жилого здания является водяной теплоноситель благодаря своей дешевизне и доступности.

Естественная циркуляция в контурах отопления

Основными функциональными элементами системы отопления с естественной циркуляцией жилого здания являются:

• Котел, нагревающий водяной теплоноситель;
• Расширительный бак, представляющий собой емкость для сброса излишков воды, появляющихся при увеличении объема водяного теплоносителя в контуре при его нагреве;
• Трубопроводы подачи из котла горячей воды в отопительные радиаторы и возврата остывшей жидкости из радиаторов обратно в котел (за что возвратная часть теплосети в обиходе получила название обратки). Вместе они составляют замкнутый контур циркуляции теплоносителя;
• Отопительные радиаторы.

Схема теплосети отопления с естественной циркуляцией для обогрева частного дома

При разогреве теплоносителя его объем увеличивается, излишки нагретой воды поднимаются вертикально вверх к расширительному баку, в системе создается гидростатическое давление, зависящее от разности весов водяных столбов горячей (линия подачи) и холодной (линия обратки) воды.

Под этим давлением горячая вода поступает с верхней точки теплотрассы (красная линия на схеме) к радиаторам отопления. Остывшая в радиаторах вода поступает по обратке (синяя линия) на вход котла. Самотечная система отопления в одноэтажном или двухэтажном доме работоспособна лишь в том случае, если при монтаже обеспечены уклоны горизонтальных участков трубопроводной теплотрассы в сторону движения жидкости. Тогда теплоноситель сможет перемещаться вниз под действием собственного веса с наименьшим гидравлическим сопротивлением.

Другим фактором, влияющим на перемещение жидкости, является циркуляционный напор, обозначенный на рисунке буквой Н. Чем выше перепад уровней размещения радиаторов и котла, тем быстрее движение воды в контуре.

В гравитационных системах отопления расширительный бак не закрывается крышкой, поэтому нередко данную систему называют открытой. Все воздушные пробки из теплотрассы вытесняются в верхнюю часть контура, там и устанавливают бак, открытый для контакта с атмосферой. Систему, использующую герметичные баки, называют закрытой. В ее составе используется насос, по принципу действия она уже принудительного характера.

Скорость движения воды

При цикличных изменениях температуры горячая вода находится в верхней части теплосети, холодная влага движется в нижних трубах. Основной побудительной силой для естественного (без принуждения от насоса) движения жидкости в контуре является циркуляционный напор, зависящий от соотношения высот расположения котла и самого нижнего радиатора. На рисунке ниже представлена графическая схема возникновения циркуляционного напора h. Параметр h имеет постоянную величину для данной схемы и не изменяется во время работы системы отопления.

Схема возникновения циркуляционного напора

Для создания оптимального напора отопительный котел устанавливается с максимальной глубиной размещения, например, в подвале. В свою очередь, расширительный бак необходимо установить повыше. Довольно часто его ставят на чердаке дома.

Скорость циркулирования воды в контуре при монтаже своими руками гравитационной отопительной системы частного дома определяется следующими факторами:

1. Величиной циркуляционного напора. Чем он больше, тем выше скорость протекания воды в теплотрассе;
2. Диаметрами труб отопительной разводки. Малые размеры внутреннего сечения трубы будут оказывать большее сопротивление водяному потоку, чем трубы с диаметром побольше. Для однотрубной или двухтрубной самотечных систем под разводку намеренно завышают размеры труб до Д у 32-40 мм;
3. Материалами изготовления труб контура. У современных полипропиленовых труб сопротивление потоку в несколько раз ниже, чем у поврежденных коррозией и покрытых отложениями стальных трубопроводов;
4. Наличием поворотов в сети теплотрассы. Идеальный вариант – прямой трубопровод;
5. Обилием арматуры, переходников, подпорных шайб. Каждый вентиль снижает величину напора.

Процессы естественной циркуляции весьма инертны и протекают медленно. Время между растопкой котла и полной стабилизацией температуры в помещениях составляет несколько часов.

Монтажные схемы контуров

По способу присоединения радиаторов отопления принято выделять две схемы монтажа контуров отопительных систем: однотрубную и двухтрубную.

Для однотрубной монтажной сборки своими руками характерно последовательное расположение обогревающих приборов на подающем контуре. Пройдя от верхней точки сквозь все радиаторы (линия красного цвета), вода возвращается по обратке (линия синего цвета) к котлу.

Однотрубная схема самотечной системы отопления

В двухтрубной схеме монтируются два отдельных контура циркуляции. По одному протекает горячий теплоноситель, подводящий тепло к радиаторам, по другому контуру – остывшая вода отправляется от радиаторов к котлу.

На рисунке ниже показана двухтрубная система отопления двухэтажного дома. Раздача теплоносителя (линия красного цвета) по радиаторам начинается с максимальной высоты Н, обеспечивающей требуемый циркуляционный напор. Остывший теплоноситель (линия синего цвета) собирается в обратке и направляется на вход котла.

Двухтрубная схема самотечной системы отопления

Схема циркуляции. Видео

О том, что из себя представляет схема отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, можно узнать из видео ниже.

Гравитационные системы обогрева частного дома импонируют своей простотой устройства, легкостью обслуживания и энергонезависимостью. В них отсутствуют насосные агрегаты, своим шумом создающие дискомфорт проживающим, нет вибраций, сопровождающих их работу. Срок безаварийной службы систем с естественной циркуляцией оценивается в полвека, поскольку в них отсутствуют электрические насосы и средства автоматики. В целом самотечные схемы проигрывают принудительным системам отопления по ряду пунктов:

• излишняя инерционность вынуждает ждать несколько часов, пока контур выйдет на требуемый тепловой режим;
• сложность монтажа, вызванная необходимостью точных расчетов уклонов горизонтальных участков теплотрассы;
• отсутствие насоса ограничивает общую протяженность теплотрассы;
• постоянный контроль уровня теплоносителя в расширительном баке.

Наиболее подходящей областью применения системы с естественной циркуляцией являются частные дома невысокой этажности (1-2 этажа), площадью до 100 кв. м и горизонтальным радиусом самотечной цепи не более 30 м.

Размещение оборудования системы отопления с естественной циркуляцией в доме

Вконтакте

Несмотря на технический прогресс и постоянно внедряемые инновации, схема отопления частного дома с естественной циркуляцией себя не изжила. Секрет долголетия такого типа водяного отопительного контура – в простоте монтажа и независимости от других источников энергии (электричества). Статья о том, как работает отопление при самотечном движении жидкости, и какие разновидности схем в себя включает.

Что приводит жидкость в движение – немного о законах физики

Основой для самостоятельного движения жидкости по отопительному контуру без применения нагнетающих устройств (циркуляционных насосов) является конвекция. Это физическое явление основано на том, что любая среда, нагреваясь, теряет плотность, то есть становится легче. Актуально это и для жидкостей, поэтому более холодная вода в замкнутом контуре стремится вниз, выталкивая более горячую вверх. Нагретый в теплообменнике котла теплоноситель устремляется вверх по вертикальному стояку, его место занимает остывшая жидкость, пришедшая по обратной трубе.

Так образуется избыточное давление, достаточное для преодоления гравитации и сопротивления труб. В результате теплоноситель циркулирует самостоятельно, применяя лишь тепловую энергию, выделяемую использующимся для работы котла энергоносителем. Циркуляция воды в системе отопления такого типа не отличается высокой скоростью, поэтому прогрев отапливаемого помещения при первоначальном запуске котла происходит медленно. Увеличить скорость движения воды позволяют такие особенности самотечной отопительной системы, которые учитывают при устройстве контура:

• использование труб большого диаметра (обычно 50 мм или два дюйма) с целью максимально снизить сопротивление трубопровода;
• котел монтируют как можно ниже относительно горизонтальной разводки первого этажа;
• делают разгонную петлю (высокий вертикальный стояк, от которого в верхней точке отходит труба, идущая к батареям);
• горизонтальные участки разводки устаивают под уклоном (3-4 градуса) по направлению к котлу, используя для ускорения циркуляции силу гравитации.

Кроме того, для нормальной скорости движения теплоносителя по трубам должна поддерживаться температурная разница между выходом из котла и входом обратного трубопровода не менее 25 градусов. Чем длиннее контур (больше количество секций батарей), тем разница температур должна быть выше.

Система отопления с естественной циркуляцией имеет еще одну особенность – она не может быть закрытого типа. В самотечном контуре предполагается только открытый расширительный бак, что устанавливается выше верхней точки разгонного стояка. У компенсационного бака две функции – выводить пузырьки образующихся газов из системы и сглаживать перепады давления, которые в самотечном отопительном контуре бывают значительными. Закрытый бачок мембранного типа, что устанавливается в системах, смонтированных по современным схемам с принудительной циркуляцией, не сможет полноценно сглаживать скачки давления, что неизбежно приведет к аварийным ситуациям.

Нужно учитывать, что отопление с естественной циркуляцией из-за большого диаметра труб предполагает гораздо больший объем теплоносителя, который, расширяясь при нагревании, образует значительное количество "лишней" жидкости, она и заполняет открытый компенсационный бак.

Отопление с самотечной циркуляцией – оцениваем преимущества и недостатки

По сути, самотечная система является менее совершенной, чем современные контуры, где движение жидкости обеспечивает циркуляционный насос. Но у рассматриваемых отопительных систем есть бесспорное преимущество – для естественной циркуляции не нужно электричества, от которого работает насос. Какими бы длительными не были перебои с электроснабжением, на обогреве помещений это никак не отразится.

К плюсам самотечных контуров отопления можно отнести и их инерционность. Это актуально, если используется классический твердотопливный котел, для которого характерна такая эксплуатационная особенность, как большие и частые перепады температуры в топке. Большая инерция контура с естественным движением жидкости сглаживает температурные скачки в такой ситуации, делая обогрев помещений более равномерным.

На этом преимущества самотечных систем отопления заканчиваются и начинаются их минусы, которых гораздо больше.

1. 1. Использование труб большого сечения и обязательный их монтаж под уклоном не дают возможности произвести скрытую прокладку отопительных коммуникаций, поэтому все элементы системы будут на виду. На практике для устройства самотечного контура используются только металлические трубы (пластиковые плохо выдерживают высокую температуру и давление, предполагают множество резких переходов, повышающих сопротивление трубопровода). А это сложность монтажа (сварочные работы) и необходимость ежегодной покраски коммуникаций. Кроме того, громоздкие трубопроводы, проложенные на виду, плохо сочетаются с современными интерьерами.
2. 2. Ограниченный выбор батарей отопления. Для естественной циркуляции очень важен диаметр внутренних отверстий радиаторов, их способность выдерживать давление и высокую температуру. Таким требованиям лучше всего соответствуют чугунные изделия, которыми чаще всего и оснащаются самотечные контуры. Алюминиевые "слабые" насчет давления и быстро окисляются (скорость коррозии напрямую зависит от температуры теплоносителя), биметаллические батареи имеют узкие просветы, стальные делаются в виде моноблоков (неразборная конструкция), поэтому тяжело подобрать необходимую тепловую мощность радиатора.
3. 3. Необходимость максимально углублять котел. Для этого приходится делать площадку, расположенную ниже общего уровня пола до полуметра. В результате котел неудобно обслуживать (особенно твердотопливный) и подводить к нему трубы при обвязке теплогенератора. Понятно, что об эксплуатации современных котлов настенной установки речь не идет.
4. 4. Ограничена площадь обогреваемых помещений. Учитывая, что трубы расположены под уклоном, на большую длину проложить их не удастся. К тому же, чем длиннее контур, тем больше его сопротивление, следовательно, меньше скорость циркуляции. При большой протяженности коммуникаций крайние точки (батареи) будут нагреваться плохо, и добиться качественного обогрева не удастся даже добавлением секций.

Система отопления с естественной циркуляцией не отличается совершенством, в том числе эстетическим. Однако возможность не зависеть от электроснабжения привлекает некоторых домовладельцев до сих пор, особенно в регионах, где с электричеством часто случаются проблемы. Для тех, кто предпочитает надежность техническому совершенству, предлагается несколько схем устройства самотечного контура.

Основные схемы трубной разводки – выбираем оптимальный вариант

Отопительные контуры, предполагающие естественную циркуляцию теплоносителя, имеют два основных варианта (схемы) устройства:

• однотрубный, когда подача и отведение жидкости от батарей происходит по одной трубе;
• двухтрубный – подача теплоносителя и его отведение от радиаторов осуществляется различными трубопроводами.

Однотрубный контур прост в монтаже. От котла отходит стояк, который поднимают как можно выше в пределах помещения. От верхней точки стояка отходит и спускается почти до уровня пола разгонная труба, плавно переходящая в подающий трубопровод. К коммуникации по ее ходу поочередно присоединяются батареи с помощью двух патрубков меньшего диаметра (при двухдюймовом трубопроводе обычно используют отводы на ¾ дюйма). "Обслужив" все радиаторы, трубопровод превращается в "обратку", которая уходит к котлу. разводки хороша только простотой устройства и относительной эстетичностью (трубы на виду, но расположены низко). Дальше одни недостатки.

Из-за того, что остывший теплоноситель от батарей впадает в ту же трубу, из которой приходит горячая жидкость, температура воды после прохождения каждого радиатора довольно быстро падает. Если к первой батарее коммуникация доставит теплоноситель температурой 85 градусов (например), то крайнему от котла обогревателю можно рассчитывать только на 60 градусов. Отсюда неравномерный обогрев, который приходится компенсировать добавлением секций батареям, удаляющимся от котла, поэтому крайние радиаторы часто громоздкие и тяжелые (особенно, если чугунные).

Подключить батареи при однотрубной разводке можно только снизу (вход и выход), а это самый неэффективный способ подключения радиаторов (прогреваются неравномерно, что сказывается на качестве обогрева). Диагональное подключение радиаторов возможно, если подающая труба проложена выше батарей, но это уже двухтрубная схема.

При двухтрубной разводке от стояка отходит подающая труба, расположенная под потолком. От нее опускаются патрубки к каждой батарее (подключаются в верхнем положении). Внизу расположена вторая, обратная труба, в которую впадают отводящие патрубки от радиаторов (присоединяются к в нижнем положении по диагонали). С точки зрения эстетики картина не очень, но по эффективности такая система намного лучше. К каждой батарее подходит жидкость одинаковой температуры, что обеспечивает равномерный обогрев всех комнат, плюс есть возможность подключения большего количества обогревателей.

Система отопления с естественной циркуляцией на сегодняшний день считается самой простой и популярной среди владельцев квартир и одноэтажных частных домов. Очевидным преимуществом является длительный срок службы: при правильной эксплуатации долговечность достигает 40 лет без необходимости ремонта. Кроме того, есть возможность установить ее своими руками, прибегнув к уже существующим схемам.

Какое топливо удобнее?

В случае если в качестве топлива используется газ, то отопление с естественной циркуляцией основано на принципе отбора воздуха из помещения в открытую горелку и отвода продукта сгорания в вентиляционные ходы. В данном случае для котла понадобится помещение от 4м2 с хорошей вентиляцией (окнами и дверью).

Поэтому такая схема не слишком удобна. Намного чаще применяется закрытая или открытая система водяного отопления с естественной циркуляцией, которую можно провести своими руками.

В многоэтажных домах часто используется однотрубная система. В основном используется схема с замыкающими участками, когда из стояка часть воды идет вверх, часть – вниз, благодаря замыкающему участку, что обеспечивает баланс температур между нижними и верхними этажами. Система работает благодаря разнице в диаметре труб подключения и трубы замыкающего участка (на размер меньше). Двухтрубная система в сравнении с однотрубной – менее компактна и удобна в монтаже.

Недостатки

Во-первых, сокращенный радиус: он составляет не больше 30 м относительно горизонтали. Недостаток вызван такими факторами, как низкое давление циркуляционного типа и медленный старт. Последний обусловлен высокой тепловой ёмкостью жидкости и приведенными силами давления. Второй недостаток - вероятность замерзания воды в расширительном бачке.
Системы отопления с естественной циркуляцией не подходят для площадей более 100 м2: не все пространство будет прогреваться должным образом. Поэтому чаще всего она используется для небольшого одноэтажного дома, дачи.

Схема действия

В состав системы водяного отопления входит котёл (водонагреватель), трубопроводы обратного и подающего типа, а также нагревательное оборудование, и защитный клапан. Жидкость прогревается до нужной температуры в котле и поднимается в подающий трубопровод и стояки, благодаря расширению.

Оттуда она переходит в нагревательное оборудование – батареи и радиаторы, которым отдаёт часть тепла. Затем обратный трубопровод направляет воду в котёл, где она опять прогревается до заданной температуры. Цикл повторяется, пока система находится в рабочем состоянии.

Важно помнить, что горизонтальные трубы монтируют с уклоном по отношению к движению рабочей среды.

Защитные механизмы

Уклон труб позволяет отводить из системы воздух в сторону расширительного бачка: попадает в атмосферу, не задерживаясь в трубах и не мешая движению воды.

Важна работа защитных механизмов. Так, обратный гравитационный клапан позволяет избежать циркуляции потока воды в неправильном направлении, что очень необходимо двухтрубным и однотрубным системам с верхней разводкой при нескольких контурах.

Использование бака

Выполняет ряд важных функций. Во-первых, создаёт постоянное давление, необходимое для нормальной работы всей системы. Во-вторых, принимает на себя объём воды, увеличивающийся после нагрева. В-третьих, возвращает охлаждённую жидкость в трубопровод.

Процессы в трубопроводах

Процессы в трубах в естественной циркуляции связаны с движением воды. Так, подъём жидкости происходит посредством расширения из-за нагрева и гравитационного давления. Гравитационное давление нужно для преодоления водой трения о трубопровод, которое мешает ее движению. Циркулировать вода начинает благодаря разной плотности холодной и горячей воды: она движется вверх по подающему и вниз по обратному стояку.

Величина гравитационного давления напрямую зависит от возникающих сопротивлений. Чем больше их появляется на пути теплоносителя, тем выше должен быть показатель. Также необходимо предпринять меры, чтобы свести сопротивления к минимуму. Так, трение можно снизить путём применения труб с большим диаметром.

Из законов физики

Предположим, в радиаторах и котле температура жидкости изменяется скачками по центральным осям: верхние части содержат горячую жидкость, а в нижних находится холодная.

Горячая вода отличается меньшей плотностью, что снижает ее вес в сравнении с холодной. В результате система отопления представляет собой два сообщающихся сосуда замкнутых между собой, в которых сверху вниз перемещается жидкость.

Высокий столб, образуемый охладившейся водой с большим весом, по достижению радиаторов выталкивает столб низкий. В результате горячая жидкость подталкивается и возникает циркуляция.

Показатели напора

Для создания циркуляционного напора центры радиаторов ставятся выше центральной части котла. Именно эта высота считается основным фактором напора циркуляции. Уклон труб и «обратки» тоже влияют на данный процесс: благодаря им вода лучше преодолевает сопротивления местного типа.

Увеличение температур

Другой фактор заключается в разнице между плотностью холодной и горячей воды. Отметим следующий факт – отопление с естественной циркуляцией относится к саморегулирующемуся типу. Таким образом, если увеличить температуру нагрева воды, то меняется ее расход и становится выше циркуляционный напор.

Сильный прогрев жидкости в немалой степени способствует более быстрой циркуляции. Но так происходит только в холодном помещении: когда температура воздуха в них достигнет определённой отметки, батареи будут остывать гораздо медленнее.

Плотность, как прогретой в котле, так и уже попавшей в радиаторы воды практически сравняется. Напор снизится, быстрое обращение воды сменится размеренной циркуляцией внутри системы.

Как только температура помещений частного дома вновь опустится до определённого уровня, это послужит сигналом для увеличения напора. Система попытается выровнять температурные условия. Для этого придётся заново запустить процесс быстрой циркуляции. Отсюда и происходит способность к самостоятельной регуляции.

Вкратце правило следующее – одномоментная смена температуры и объёма воды позволяет получить нужную тепловую отдачу от батарей для отопления помещений.

Как результат, поддерживаются комфортные температурные условия.

Куда ставить котёл?

В частном доме, в помещении одноэтажного дома отопительные котлы лучше всего монтировать ниже уровня приборов для прогрева помещений. В квартирах ситуация обстоит несколько иначе. Здесь котлы часто ставятся на одном уровне с радиаторами, что не совсем эффективно. Поэтому монтаж лучше произвести как бы в яму, то есть поставить оборудование на перекрывающие плиты.

Для этого вокруг котла обычно выпиливается пол. «Яму» следует делать, соблюдая правила противопожарной безопасности. Они предполагают разравнивание основания тонкой стяжкой и укладку листов, изготовленных из железа и асбеста. Котёл в «яме» нагоняет лучший циркуляционный напор.

Выбор труб

Сечение труб является одним из решающих факторов для циркуляции: диаметр труб не должен быть максимально большим, но и не должен мешать течение воды. Как правило, для обогрева частного дома необходимо 100 Вт /м2. Тогда для отопления 25 м2 требуется 2500 Вт, т.е. 2,5 кВт. Определенному диаметру трубы соответствует своя тепловая нагрузка. Три основные категории:

• диаметр в ½ дюйма – тепловой эквивалент 5,5 кВт;
• диаметр ¾ дюйма – тепловой эквивалент 14,6 кВт;
• диаметр 1 дюйм – тепловой эквивалент 29,3 кВт.

В данном случае для обогрева одноэтажного дома в 25 м2 нужно использовать самые небольшие трубы диаметром в ½ дюйма. Материалы, из которых изготавливают трубы, могут быть разными: качественная сталь, популярны также трубы из полипропилена.

Сооружение автономной сети отопления гравитационного типа выбирают, если нецелесообразно, а иногда и невозможно установить циркуляционный насос или подключиться к централизованному электроснабжению. Чтобы система отопления с естественной циркуляцией функционировала бесперебойно необходимо рассчитать ее параметры, правильно установить компоненты и обоснованно выбрать схему водяного контура.

Процесс движения воды в контуре отопления без применения циркуляционного насоса происходит в силу естественных физических законов.

Понимание природы этих процессов позволит грамотно разработать проект системы отопления для типовых и нестандартных случаев.

Максимальная разность гидростатического давления

Основное физическое свойство любого теплоносителя (воды или антифриза), которое способствует его движению по контуру при естественной циркуляции – уменьшение плотности при увеличении температуры. Плотность горячей воды меньше, чем холодной и поэтому возникает разница в гидростатическом давлении теплого и холодного столба жидкости. Холодная вода, стекая к теплообменнику, вытесняет горячую вверх по трубе.

Движущей силой воды в контуре при естественной циркуляции является перепад гидростатического давления между холодным и горячим столбами жидкости

Отопительный контур дома можно условно разделить на несколько фрагментов. По «горячим» фрагментам вода направляется вверх, а по «холодным» – вниз. Границами фрагментов являются верхняя и нижняя точка системы отопления. Главной задачей при моделировании естественной циркуляцией воды является достижение максимально возможной разницы между давлением столба жидкости в «горячем» и «холодном» фрагментах.

Классическим для естественной циркуляции элементом водяного контура является коллектор разгона (главный стояк) – вертикальная труба, направленная вверх от теплообменника. Коллектор разгона должен иметь максимальную температуру, поэтому его утепляют на всей протяженности. Хотя, если высота коллектора не велика (как для одноэтажных домов), то можно не проводить утепление, так как вода в нем не успеет остыть.

Обычно систему проектируют таким образом, чтобы верхняя точка коллектора разгона совпадала с верхней точкой всего контура. Там устанавливают выход на бак-расширитель открытого типа или клапан для отвода воздуха, если используют мембранный бак. Тогда длина «горячего» фрагмента контура является минимально возможной, что приводит к уменьшению теплопотерь на этом участке.

Также желательно, чтобы «горячий» фрагмент контура не сочетался с длительным участком, транспортирующим остывший теплоноситель. В идеале нижняя точка водяного контура совпадает с нижней точкой теплообменника, помещенного в устройство нагрева.

Чем ниже в системе отопления расположен котел, тем меньше гидростатическое давление столба жидкости в горячем фрагменте контура

Для «холодного» сегмента водяного контура тоже есть свои правила, увеличивающие давление жидкости:

• чем больше теплопотери на «холодном» участке отопительной сети, тем ниже температура воды и больше ее плотность, поэтому функционирование систем с естественной циркуляцией возможно только при значительной теплоотдаче;
• чем больше расстояние от нижней точки контура до точек подключения радиаторов, тем больше участок столба воды с минимальной температурой и максимальной плотностью.

Чтобы обеспечить выполнение последнего правила, часто печь или котел устанавливают в самой нижней точке дома, например, в подвале. Таким размещением котла обеспечивают максимально возможное расстояние между нижним уровнем радиаторов и точкой входа воды в теплообменник.

Однако высота между нижней и верхней точками водяного контура при естественной циркуляции не должна быть слишком большой (на практике не более 10 метров). Печь или котел, нагревают только теплообменник и нижнюю часть коллектора разгона. Если этот фрагмент незначителен относительно всей высоты водяного контура, то падение давления в «горячем» фрагменте контура будет несущественным и процесс циркуляции не будет запущен.

Использование систем с естественной циркуляции для двухэтажных строений вполне оправдано, а для большей этажности будет необходим циркуляционный насос

Минимизация сопротивления движению воды

При проектировании системы с естественной циркуляцией необходимо учитывать скорость движения теплоносителя по контуру. Во-первых, чем быстрее скорость, тем быстрее будет происходить передача тепла по системе «котел – теплообменник – водяной контур – радиаторы отопления – помещение». Во-вторых, чем быстрее скорость жидкости через теплообменник, тем меньше вероятность ее закипания, что особенно важно при печном отоплении.

Закипание воды в системе может обойтись очень дорого – стоимость демонтажа, ремонта и обратной установки теплообменника требует много времени и средств

В системах отопления с принудительной циркуляцией скорость движения воды в основном зависит от параметров циркуляционного насоса. При водяном отоплении с естественной циркуляцией скорость зависит от следующих факторов:

• разницы давления между фрагментами контура в нижней его точке;
• гидродинамического сопротивления отопительной системы.

Способы обеспечения максимальной разницы давления были рассмотрены выше. Гидродинамическое сопротивление реальной системы не поддается точному расчету по причине сложной математической модели и большого числа входящих данных, точность которых трудно гарантировать. Тем не менее, существуют общие правила, соблюдение которых позволит уменьшить сопротивление отопительного контура.

Основным причинами снижения скорости движения воды являются сопротивление стенок труб и присутствие сужений, как результат наличия фитингов или запорной арматуры. При небольшой скорости потока сопротивление стенок практически отсутствует, за исключением случаев длинных и тонких труб, характерных для отопления с помощью теплого пола. Как правило, для него выделяют отдельные контуры с принудительной циркуляцией.

При выборе типов труб для контура с естественной циркуляцией придется учитывать наличие технических сужений при монтаже системы. Поэтому металлопластиковые трубы использовать при естественной циркуляции воды нежелательно по причине соединения их фитингами, со значительно меньшим внутренним диаметром.

Фитинги металлопластиковых труб значительно сужают внутренний диаметр и являются серьезной преградой на пути воды при слабом напоре

Правила выбора и монтажа труб

Выбор между стальными или полипропиленовыми трубами при любой циркуляции происходит по критерию возможности их использования для горячей воды, а также с позиций цены, легкости монтажа и срока эксплуатации. Стояк подачи монтируют из металлической трубы, так как через него проходит вода самой высокой температуры, а в случае печного отопления или неисправности теплообменника возможен вариант прохождения пара.

При естественной циркуляции необходимо использовать диаметр труб несколько больший, чем в случае применения циркуляционного насоса. Обычно, для обогрева помещений до 200 квадратных метров, диаметр коллектора разгона и трубы на входе обратки в теплообменник равен двум дюймам. Это вызвано меньшей скоростью воды по сравнению с вариантом принудительной циркуляции, что приводит к следующим проблемам:

• меньший объем переносимого тепла за единицу времени от источника к обогреваемому помещению;
• небольшой напор не сможет продавить засоры или воздушные пробки.

Особенное внимание при использовании естественной циркуляции с нижней схемой подвода подачи необходимо уделить проблеме удаления воздуха из системы. Он не может полностью отводиться из теплоносителя через расширительный бак, т.к. закипающая вода поступает сперва в приборы по магистрали, расположенной ниже чем они сами.

При принудительной циркуляции напор воды сгоняет воздух к установленному в наивысшей точке системы воздухосборнику — устройству с автоматическим, ручным или полуавтоматическим управлением. С помощью кранов Маевского в основном производится регулировка теплоотдачи.

В гравитационных отопительных сетях с подачей, расположенной ниже приборов, краны Маевского применяются непосредственно для стравливания воздуха. Воздух также может отводиться с помощью воздухоотводчиков, установленных на каждом стояке или на воздушной линии, проложенной параллельно магистралям системы. Из-за внушительного количества устройств для отвода воздуха гравитационные схемы с нижней разводкой применяются крайне редко.

На всех радиаторах отопления современного типа присутствуют устройства для выпуска воздуха, поэтому для предотвращения образования пробок в контуре можно делать уклон, сгоняя воздух к радиатору

При слабом напоре небольшая воздушная пробка способна полностью остановить систему обогрева. Так, согласно СНиП 41-01-2003 не допускается прокладывать без уклона трубопроводы систем отопления при скорости движения воды менее 0,25 м/с.

При естественной циркуляции такие скорости недостижимы. Поэтому кроме увеличения диаметра труб необходимо соблюдать постоянные уклоны для вывода воздуха из системы отопления. Уклон проектируют из расчета 2- 3 мм на 1 метр, в квартирных сетях наклон достигает 5 мм на погонный метр горизонтальной линии.

Уклон подачи делают по ходу движения воды, чтобы воздух двигался к баку-расширителю или системе, стравливающей воздух, расположенной в верхней точке контура. Хотя можно сделать и контр-уклон, но в этом случае необходимо дополнительно установить клапан для отвода воздуха.

Уклон обратки делают, как правило, по ходу движения охлажденной воды. Тогда нижняя точка контура будет совпадать с входом обратной трубы в теплогенератор.

Самая распространенная комбинация направления уклона подающей и обратной труб для удаления воздушных пробок из водяного контура с естественной циркуляцией

При установке теплого пола небольшой площади в контуре с естественной циркуляцией необходимо не допустить попадания воздуха в узкие и горизонтально расположенные трубы этой обогревательной системы. Необходимо поставить устройство удаления воздуха перед теплым полом.

Однотрубные и двухтрубные схемы отопления

При разработке схемы отопления дома с естественной циркуляцией воды возможно проектирование как одного, так и нескольких отдельных контуров. Они могут существенно отличаться друг от друга. Вне зависимости от длины, количества радиаторов и других параметров, их выполняют по однотрубной или двухтрубной схеме.

Контур с использованием одной трубы

Систему отопления с использованием одной и той же трубы для последовательного подвода воды к радиаторам называют однотрубной. Самым простым однотрубным вариантом является отопление металлическими трубами без использования радиаторов. Это наиболее дешевый и наименее проблемный способ решения обогрева дома при выборе в пользу естественной циркуляции теплоносителя. Единственный значимый минус – внешний вид громоздких труб.

При самом экономном варианте однотрубной схемы с радиаторами отопления, горячая вода последовательно протекает через каждое устройство. Здесь необходимо минимальное количество труб и запорной арматуры. По мере прохождения теплоноситель остывает, поэтому последующие радиаторы получают воду более холодную, что необходимо учитывать при расчете количества секций.

Простая однотрубная схема (вверху) требует минимального количества монтажных работ и вложенных средств. Более сложный и затратный вариант внизу позволяет отключать радиаторы без остановки всей системы

Самым эффективным способом подключения приборов отопления к однотрубной сети считается диагональный вариант. Согласно этой схеме контуров отопления с естественным типом циркуляции горячая вода поступает в радиатор сверху, после охлаждения отводится через расположенный внизу патрубок. При прохождении подобным образом нагретая вода отдает максимальное количество тепла.

При нижнем подключении к батарее как входного патрубка, так и выходного, теплоотдача существенно уменьшается, потому что нагретому теплоносителю надо пройти максимально длинный путь. Из-за значительного остывания в подобных схемах не используются батареи с большим количеством секций.

«Ленинградка» характеризуется внушительными теплопотерями, которые необходимо учитывать при расчете системы. Плюс ее в том, что при использовании запорных вентилей на входном и выходном патрубке приборы выборочно можно отключать для ремонта без остановки отопительного цикла

Отопительные контуры с подобным подключением радиаторов получили название «Ленинградка». Несмотря на отмеченные потери тепла, им отдают предпочтение в обустройстве систем квартирного отопления, что обусловлено более эстетичным видом прокладки трубопровода.

Существенным недостатком однотрубных сетей является невозможность отключить одну из секций отопления без прекращения циркуляции воды по всему контуру. Поэтому, обычно применяют модернизацию классической схемы с установкой «байпаса» для обхода радиатора с помощью ответвления с двумя шаровыми кранами или трехходовым краном. Это позволяет регулировать подачу воды к радиатору, вплоть до полного его отключения.

Для двух и более этажных строений применяют варианты однотрубной схемы с вертикальными стояками. В этом случае распределение горячей воды более равномерное, чем при горизонтальных стояках. К тому же вертикальные стояки менее протяженные и лучше вписываются в интерьер дома.

Однотрубную схему с вертикальной разводкой успешно применяют при обогреве двухэтажных помещений с использованием естественной циркуляции. Представлен вариант с возможностью отключения верхних радиаторов

Вариант с применением обратной трубы

Систему отопления, когда одну трубу используют для подачи горячей воды к радиаторам, а вторую – для отвода охлажденной к котлу или печи, называют двухтрубной. Такую схему подачи и отвода при наличии радиаторов отопления используют чаще, чем однотрубную. Она более дорогая, так как требует монтажа дополнительной трубы, но имеет ряд значимых преимуществ:

• происходит более равномерное распределение температуры подаваемого к радиаторам теплоносителя;
• проще выполнить расчет зависимости параметров радиаторов от площади отапливаемого помещения и необходимых значениях температуры;
• проще выполнять регулировку подачи тепла к каждому радиатору.

В зависимости от направления движения охлажденной воды относительно горячей, двухтрубные системы подразделяют на попутные и тупиковые. В попутных схемах движение охлажденной воды происходит в том же направлении, что и горячей, поэтому длина цикла для всего контура совпадает.

В тупиковых схемах, охлажденная вода движется навстречу горячей, поэтому для разных радиаторов длины циклов оборота теплоносителя отличаются. Так как скорость в системе небольшая, то и время нагрева может существенно отличаться. Те радиаторы, у которых длина цикла круговорота воды меньше, будут нагреты быстрее.

При выборе тупиковой (выше) и попутной (ниже) схем отопления исходят в первую очередь из удобства проведения обратной трубы

Существует два типа расположения подводки относительно радиаторов отопления: верхняя и нижняя. При верхней подводке труба, подающая горячую воду, располагается выше радиаторов отопления, а при нижней подводке – ниже.

При нижней подводке возможно удаление воздуха через радиаторы и отсутствует необходимость проведения труб поверху, что хорошо с позиции дизайна помещения. Однако без коллектора разгона перепад давления будет гораздо меньше, чем при использовании верхней подводки. Поэтому нижнюю подводку при отоплении помещений по принципу естественной циркуляции практически не применяют.

Видео-примеры схем с естественной циркуляцией

Однотрубная схема на основе электрокотла для небольшого дома:

Двухтрубная система для одноэтажного деревянного дома на основе твердотопливного котла длительного горения:

Комбинированная система на основе твердотопливного котла с наличием теплоаккумулятора:

Использование естественной циркуляции при движении воды в отопительном контуре требует точных расчетов и технически грамотного выполнения монтажных работ. При выполнении этих условий система отопления будет качественно нагревать помещения частного дома и избавит хозяев от шума насоса и зависимости от электроэнергии.