Принцип работы водяного отопления с естественной циркуляцией

Вариант с использованием системы отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома (гравитационной или самотечной системы) по-прежнему популярен, несмотря на достигнутый уровень технического прогресса. Объясняется это просто: системы естественной циркуляции жидкости (ЕЦ) работают автономно и не нуждаются в подключении к источникам тока.

Поэтому сложно переоценить значение подобной системы отопления с естественной циркуляцией для одноэтажного дачного дома, расположенного на участке, где нет возможности подключения электричества установки циркуляционных насосов. Либо в местах, где наблюдаются частые перебои с электроснабжением.

О принципе работы систем с самотечной циркуляцией

В основе работы гравитационной системы заложен знакомый со школьных времен принцип расширения жидкости при нагревании. То есть в результате нагрева вес и плотность воды уменьшаются, а при остывании – возвращаются к прежним значениям.

Процесс естественной циркуляции в системе отопления выглядит следующим образом: при нагреве котлом некоего объема жидкости, жидкость расширяется и, за счет уменьшения плотности, поднимается к верхней точке отопительной самотечной системы, вытесняемая более плотными холодными слоями. Делая круг по отопительной системе, жидкость постепенно остывает и сама вновь возвращается к источнику нагрева. Далее данный цикл повторяется.

То есть основной принцип обогрева циркулированием теплой воды основан на использовании разницы уровней гидростатического давления холодного и горячего столбов жидкости. Когда горячая вода вытесняется холодной, стекающей в направлении теплообменника, нагретая поднимается по трубе. Величина циркуляционного напора находится в непосредственной зависимости и от размещения середины котла и самого нижнего из имеющихся в доме радиаторов. С увеличением перепада высот, увеличивается скорость перемещения жидкости по трубам. Так и работает схема с естественной циркуляцией жидкости.

Условно отопительный контур здания может быть разделен на отдельные фрагменты: «горячие» с жидкостью, направляющейся вверх и «холодные» – с водой, направляющееся вниз. Роль границ между фрагментами будут выполнять нижняя и верхняя точки отопительного контура.

В ходе моделирования самотечных систем важно обеспечить максимум разницы между уровнями давления столбов жидкости в «холодном» и «горячем» контурах.

Как правило, система проектируется таким образом, чтобы обеспечить предельное совпадение верхних крайних точек коллектора разгона (основного стояка, отходящего от теплообменника) и остального контура. На уровне верхней точки устанавливается и выход к баку-расширителю или воздухоотводящему клапану (при использовании мембранного бака). Это помогает сделать «горячий» фрагмент общего контура минимально коротким. Благодаря этой мере циркуляция воды в системе отопления на данном отрезке будет осуществляться с минимальными теплопотерями.

Приемлемая скорость продвижения жидкости по контуру возможна при наличии температурной разницы выходящего (от котла) и входящего контура – не меньшей чем 25 0 С градусов. При этом с увеличением длины трубопровода, разница в температурах должна возрастать.

О видах и схемах данных систем

Различают два способа установки контуров гравитационной системы отопления. Речь идет об однотрубном и двухтрубном контурах. В первом случае вода от радиатора отводится и подается по одной и той же трубе, во втором – за отвод и вхождение жидкости «отвечают» две разных трубы. Также используются открытая и закрытая системы циркуляции.

Однотрубная

Выгодно отличается простотой монтажа низким (практически по уровню пола) размещением трубопровода. Однотрубная система отопления представлена стояком с отходящей от его верхней точки и направленной максимально вниз разгонной трубой, которая заканчивается подающим контуром. Подсоединение системы (входа и выхода воды) к батареям осуществляется снизу с использованием пары патрубков, имеющих меньший диаметр (если имеется в виду двухдюймовый трубопровод, целесообразно применение ¾-дюймовых отводов). Далее теплоноситель от батарей движется в направлении котла.

Минусом подобной схемы с естественной циркуляцией теплоносителя остается ее низкий КПД: остывая, жидкость попадает в тот же трубопровод, по которому теплая вода движется к следующей батарее. Таким образом, потеря тепла каждого последующего радиатора заметно отличается, что становится причиной неравномерности обогрева дома. Чтобы решить эту проблему, приходится увеличивать число секций каждой последующей батареи.

Закрытая

Одна из наиболее популярных в Европе. От обычных самотечных схем отопления она выгодно отличается присутствием расширительного бака. Этот процесс можно разделить на этапы:

• За счет увеличения температуры, нагретый теплоноситель вытесняется холодными слоями и покидает контур нагрева;
• Разогретая жидкость оказывается в закрытом расширительном мембранном баке (в емкости, разделенной пополам при помощи разделительной мембраны, при этом одна половина заполняется водой, а во второй содержится газ – чаще всего азот);
• Нагрев воды ведет к увеличению давления, в результате чего газ во второй половине емкости сжимается, охлаждение теплоносителя ведет к обратному процессу – газ, расширяясь, выталкивает жидкость из бака.

Ее недостатком, при необходимости в обогреве значительных площадей, может стать потребность в установке достаточно объемного бака.

Открытая система

Отличается от предыдущей схемы устройством расширительного бачка. В этом случае его изготавливают самостоятельно и устанавливают на чердаке или под самым потолком. Обычно открытая система используется для обогрева небольших помещений.

Минусом остается частое «заглатывание» воздуха и попадание его в батареи, что негативным образом сказывается на работе всей системы, а также приводит к досрочному износу батарей и металлических труб за счет усиления коррозионных процессов. Для борьбы с завоздушиваним батареи рекомендуется кранами Маевского.

Двухтрубная

Обеспечивает более рациональное использование тепла за счет строгого разделения холодного и теплого контуров и обеспечивает возможность подключения значительного числа батарей.

От размещенной у самого потолка и отходящей от коллектора подающей трубы опускаются (по одному к каждому радиатору) несколько патрубков (с верхним подключением). По полу проходит труба-обратка, в которой собирается остывший теплоноситель, поступающий из батарей (нижнее диагональное подключение). В результате остывшая и горячая жидкости не смешиваются, что обеспечивает равномерный обогрев всех помещений в доме.

Недостатком можно считать изобилие в помещении труб, что нередко не сочетается со стилем оформления интерьеров.

Лучевая

Является гибридом, объединившим принципы работы двухтрубной схемы отопления и теплого водяного пола. От распределительного коллектора отходят подающий и обратный контуры. При этом обратка прокладывается под полом. Используется прямое соединение с радиаторами с минимумом поворотов.

О преимуществах и недостатках гравитационной системы теплоснабжения

При перечислении достоинств систем отопления с естественной циркуляцией теплоносителя стоит упомянуть о:

• простоте монтажа, запуска и обслуживания;
• независимости от наличия доступа к источникам тока;
• неплохой тепловой отдаче;
• экономичности (при условии хорошей теплоизоляции стен и оконных проемов здания);
• бесшумном функционировании, поскольку нет необходимости в использовании насоса, часто создающего неблагоприятный для отдыха и работы звуковой фон;
• долговечностьи (минимальный срок службы – от 30-35 лет, при условии монтажа из новых качественных труб).

Говоря о минусах подобного вида теплообеспечения частных домов, нельзя ничего не сказать об:

• ограниченном радиусе действия системы (не более 30 метров);
• низкой продуктивности при установке в зданиях площадью более 100 м 2 ;
• необходимости наличия чердаков для установки систем с расширительным баком;
• значительном количестве времени, требующемся для прогрева всех помещений в здании;
• необходимости в утеплении труб, проложенных в не отапливаемых помещениях;
• увеличении затрат на приобретение труб значительного диаметра, используемых для снижения сопротивления при прохождении воды.

О расчете параметров системы отопления с естественной циркуляцией для одноэтажного дома

Ввиду отсутствия в гравитационных системах отопления одноэтажного здания дополнительных механизмов, обеспечивающих стабильно высокое давление, любое из возможных нарушений при установке трубопровода может обернуться проблемами с подачей тепла. К таким нарушениям можно отнести:

• пренебрежение необходимостью в соблюдении углов наклона;
• неверный выбор труб;
• избыток поворотов при монтаже системы.

Уровень уклона при установке трубопровода для отопления частном доме регламентируется положениями СНиПов. В соответствии с ними, для каждого погонного метра необходим наклон, величиной в 1 см. Это обеспечивает нормальное продвижение теплоносителя по трубопроводу. При нарушении указанного норматива возможно завоздушивание системы и снижение общего уровня ее КПД.

О расчете давления и мощности отопления

Исходя из положений СНиП, каждый кВт тепловой мощности предназначен для обогрева площади в 10 кв.м дома. При расчете уровня мощности для регионов с жарким или холодным климатом, следует воспользоваться специальными коэффициентами. В первом случае он составит от 0,7 до 0,9, во втором – от 1,5 до 2.

Однако способ расчета, пренебрегающий высотой потолочных перекрытий, не всегда идеален. Поэтому существует еще один вариант – на основе объема помещения. В этом случае в основу расчетов ложатся показатели тепловой мощности (40 ватт) для каждого кубического метра. При этом наличие окон увеличивает полученное в итоге число на 100 ватт (для каждого окна), а двери – на 200 ватт (для каждой). При этом для одноэтажных частных домов применяется коэффициент 1,5.

Собственно, стандартный объем мощности, закладываемый в проекте частных одноэтажек, предполагает необходимость в мощности обогрева не менее чем в 50 ватт на 1 кв.м

Расчет диаметра трубы в системе с естественным оборотом

Диаметр труб в гравитационных системах рассчитывают исходя из:

• потребности здания в объеме тепловой энергии (+20%);
• определение требуемого типа материала изготовления трубы (например, диаметр трубы из стали должен составлять не менее 0,5 см);
• данных СНиП относительно отношения мощности и внутреннему диаметру трубы.

Стоит учитывать, что при выборе труб с неоправданно большим сечением могут увеличиться расходы на отопление при снижении теплоотдачи. Расчет диаметра труб для систем с самоциркуляцией предполагает выполнение еще одного простого правила, предполагающего сужение диаметра трубы на размер после каждого разветвления.

Как сделать своими руками отопление частного дома с естественной циркуляцией

Качественная система отопления частного дома с естественной циркуляцией может быть смонтирована самостоятельно, без привлечения специалистов. Для этого следует выполнить необходимые расчеты и неукоснительно следовать подробным указаниям специальных пособий, пошагово описывающих весь процесс монтажа систем водяного отопления с естественной циркуляцией в частном доме.

Система отопления с естественной циркуляцией жидкости представляет собой замкнутое устройство гравитационного (самотечного) типа, позволяющее обогреть помещения в частном доме независимо от электропитания.

Такое преимущество конструкции даёт возможность использовать её в регионах с проблемами или полным отсутствием центральной электрической сети. Система экономична, но для её правильного функционирования потребуется сделать точные расчёты.

Описание системы отопления циркуляционного типа без насоса

Устройство водяного отопления, работающее самотеком, включает нагревательный элемент (котёл), трубы, прокладываемые разными способами, расширительный бак и радиаторы.

Принцип действия

Роль теплоносителя в контуре играет вода, которая движется по трубам под влиянием термодинамических сил. Принцип действия системы основывается на разнице физических свойств горячей и холодной воды.

Пока работает котёл, в трубах всегда есть горячая вода, которая постепенно остывает, проходя по контуру и отдавая тепло в окружающую среду.

Плотность и масса воды при нагреве уменьшается, поэтому она легко вытесняется вверх остывшей жидкостью.

После достижения верхней точки контура, горячая вода распределяется по трубам, соединённым с радиаторами, отдаёт тепло через материал батарей, а затем по нижней части контура стекает к котлу, где снова нагревается.

Достоинства установки

Основными достоинствами отопительного контура гравитационного типа являются:

• простота установки и использования;
• высокая отдача тепла и стабильность микроклимата помещений;
• экономичность ресурсов при условии качественного утепления строения;
• отсутствие шума;
• полная независимость от электричества;
• редкие поломки и долгий срок службы при условии проведения периодических профилактических мероприятий.

Справка! Сконструировать систему отопления с естественной циркуляцией можно самостоятельно. Правильный расчёт параметров, выбор схемы контура и грамотная установка всех компонентов гарантирует срок работы конструкции до 35 лет.

Главный недостаток — конструкция может отопить частные дома площадью не более 100 м 2 , имеющих радиус около 30 м.

Существует ещё несколько недостатков, ограничивающих применение самотечной конструкции:

• обязательное наличие чердака для установки расширительного бачка;
• медленный обогрев помещений;
• необходимость утепления контура в неотапливаемых местах для предотвращения замерзания воды в трубах.

Разновидности отопительных систем с естественной циркуляцией

Конструкции могут быть реализованы в однотрубном или двухтрубном вариантах. По типу систем выделяют закрытые и открытые схемы установок. Правильно выбранный вид схемы обеспечит её максимальную эффективность.

Закрытый тип

Циркуляционная конструкция закрытого типа получила широкое распространение в странах Европы, а в России только начинает приобретать популярность.

Принципиальная схема

После нагрева, вода под давлением поднимается к расширительному баку, поделённому на 2 части мембраной. Нижняя часть бака заполняется водой, которая сжимает газ (чаще азот или воздух), находящийся в верхней части над мембраной. Создаётся дополнительное рабочее давление, способствующее движению жидкости.

Фото 1. Закрытый тип системы отопления с естественной циркуляцией. Должен быть оснащен герметичным расширительным баком.

Особенности

Основная особенность конструкции закрытого типа — герметичность бака и создание дополнительного давления в трубопроводе. Иногда для закрытых схем используют циркулярные насосы, которые работают от электросети. Благодаря низкой потребляемой мощности насоса, временное отключение электричества не скажется на работе системы.

Плюсы и минусы

Главные преимущества закрытых отопительных схем связаны с их герметичностью. Благодаря этому система почти не страдает от воздушных пробок, меньше подвергается коррозии, расходует меньшее количество теплоносителя, в качестве которого можно использовать не только воду, но и антифриз. Схема не требует больших уклонов трубопроводов, особенно если используется насос.

Внимание! Основной минус конструкции — необходимость установки большого бака, для которого нужно место. Длительные перебои с электричеством приведут к снижению эффективности схемы с насосом.

Как ни прочили в восьмидесятых годах инженеры и строители, система отопления с естественной циркуляцией живёт и здравствует в двадцать первом веке, да ещё и наши дома обогревает. Насосное оборудование существенно увеличивает стоимость котла и создаёт зависимость от электросети, поэтому от него многие отказываются. Гравитационная система – самая дешёвая и самая простая по своей конструкции. У неё, конечно, есть свои недостатки, главным из которых является ограничение по площади здания. Из-за небольшой инерционности она подходит для домов площадью до ста квадратных метров.

Как работает принцип естественной циркуляции?

Теплоноситель, чаще всего это обычная вода, перемещается по контурам от котла к радиаторам и обратно благодаря изменению своих термодинамических характеристик. Когда при нагревании плотность жидкости уменьшается, а объём увеличивается, она выдавливается холодным потоком, идущим их обратки, и поднимается по трубам. По мере того, как теплоноситель самотёком распределяется по горизонтальным ответвлениям, температура падает и он возвращается к котлу. Так цикл замыкается.

Схема системы отопления с естественной циркуляцией: 1 — котёл твёрдотопливный, 2 – главный стояк, 3 – разводящие магистрали, 4 – расширительная ёмкость, 5 – бак с водой для пополнения расширителя, 6 – труба, отводящая лишний объём теплоносителя в канализацию (ёмкость), 7 – теплообменники, 8 – шаровые краны, 9 – бойлер, 10 – обратка, 11 – обратный стояк

Если для дома выбрано было водяное отопление с естественной циркуляцией, то все горизонтальные участки труб прокладываются с уклоном, идущим по ходу движения жидкости. Это позволяет эффективно бороться с «завоздушиванием» батарей. Воздух легче воды, поэтому он устремляется вверх по трубам, поступает в расширительную ёмкость, а затем, соответственно, в атмосферу.

Бак принимает в себя воду, объём которой увеличивается с ростом температуры, и создаёт постоянное давление.

От чего зависит циркуляционный напор?

Создание нужного циркуляционного напора нужно обязательно просчитывать при проектировании системы отопления. Он зависит от того, как отличаются уровни середины котла и самого нижнего радиатора. Чем больше перепад высот, тем лучше перемещается жидкость по системе. На него влияет и разница плотностей горячей и остывшей воды.

Циркуляционный напор в системе отопления, в первую очередь, зависит от перепада высоты расположения котла и нижнего радиатора. Чем больше эта разница (h), тем больше давление

Характеризуется отопление с естественной циркуляцией цикличным изменением температуры в теплообменниках и в котле, которое происходит по центральной оси приборов. Горячая вода находится в верхней части, холодная – в нижней. Под действием гравитации остывший теплоноситель перемещается вниз по трубам.

Циркуляционный напор напрямую зависит от высоты установки батарей. Его увеличению способствует и угол наклона подающей магистрали, направленный в сторону радиаторов, и уклон обратки, обращённой к котлу. Это позволяет теплоносителю легче преодолевать местное сопротивление труб.

При монтаже в частном доме системы отопления с естественной циркуляцией котёл устанавливают в самой нижней точке так, чтобы все радиаторы находились выше.

В коттедже при монтаже системы отопления с естественной циркуляцией котёл устанавливают в самой нижней точке. Все теплообменники (радиаторы) должны находиться выше

Для квартирных домов схемы отопления с естественной циркуляцией применяются очень редко, так как при установке в квартире котёл опускается в «яму» — непосредственно на плиту перекрытия. Пол вокруг неё выпиливается, а само углубление и периметр вокруг него должен быть защищён пожаробезопасными материалами.

Схемы таких систем отопления

Схема системы отопления независимо от способа циркуляции теплоносителя зависит от нескольких факторов:

• способа соединения радиаторов с подающими стояками. Здесь выделяют однотрубную и двухтрубную системы;
• места прокладки магистрали, подающей горячую воду. Выбирать нужно между нижней и верхней разводкой;
• схемы прокладки магистрали: тупиковая система или попутное движение теплоносителя в магистралях;
• расположения стояков, которое может быть либо горизонтальным, либо вертикальным.

Однотрубная система: как регулировать температуру?

Однотрубная система отопления имеет только один вариант исполнения разводки – верхнюю. В ней нет обратного стояка, поэтому охлаждённый в батареях теплоноситель возвращается в подающую магистраль. Движение жидкости обеспечивается разностью температур жидкости в нижних и верхних радиаторах.

Чтобы обеспечить одинаковый температурный режим в помещениях на разных этажах, поверхность нагревательных приборов на первом этаже должна быть несколько больше, чем на втором и последующих. В нижние радиаторы поступает смесь горячей и охлаждённой в верхних теплообменниках воды.

В однотрубной системе может быть два варианта движения теплоносителя: в первом одна часть идёт в радиатор, другая – дальше по стояку к нижним приборам.

При параллельной однотрубной разводке теплообменники на верхних этажах получают горячую воду, а самые нижние – уже остывшую. Поэтому площадь последних должна быть увеличена, чтобы уравнять обогрев всех помещений

Во втором случае весь объём воды проходит через каждый теплообменник, начиная с самых верхних. Главная особенность такой разводки состоит в том, что радиатора на первом и цокольном этажах получают только охлаждённую воду.

При проточном варианте однотрубной разводки нельзя отключить или ограничить поступление теплоносителя в отдельный радиатор. Перекрытие одного из них привело бы к остановке циркуляции во всей системе

И если в первом случае регулировать температуру в помещениях можно с помощью кранов, то во втором их нельзя применять, так как это приведёт к уменьшению подачи жидкости ко всем последующим теплообменникам. К тому же полное перекрытие крана означало бы остановку циркуляции воды в системе.

При монтаже однотрубной системы лучше остановиться на разводке, которая даёт возможность регулировки подачи воды к каждому радиатору. Это позволит регулировать температуру в отдельных помещениях и, естественно, делает отопительную систему более гибкой, а значит и более эффективной.

Так как однотрубная разводка может быть только верхней, её монтаж возможен только в постройках с чердачным помещением. Именно там должен размещаться подающий трубопровод. Главный недостаток заключается в том, что пуск отопления возможен только по всему зданию сразу. Преимущества у системы, конечно, тоже есть. Главные из них – простой монтаж и меньшая стоимость. С точки зрения эстетики, чем меньше труб, тем проще их спрятать.

Как должна быть устроена двухтрубная система?

Этот вариант схемы отопления предполагает наличие подающей и отводящей магистрали. В верхней части системы циркулирует горячий теплоноситель, в нижней – остывший.

Двухтрубная система отопления более гибкая в отношении регулирования температуры в отдельных помещениях. Однако она требует большего количества материалов, чем однотрубная

От котла отходит труба, соединённая с расширительным баком. От бака идёт труба горячей линии контура, которая потом соединяется с разводкой. В зависимости от размеров емкости и объёма воды в системе, от бака может отходить переливная труба. По ней излишки воды сливаются в канализацию.

Трубы, выходящие из нижней части теплообменников, объединяются в обратную магистраль. По ней остывший теплоноситель снова попадает в котёл. Обратка должна проходить через те же помещения, что и подающий трубопровод.

Горизонтальный или вертикальный стояк в разводке?

Система отопления с вертикальным стояком предполагает подводку к нему радиаторов с разных этажей. Её преимущество: ниже риск «завоздушивания» системы, недостаток – более высокая стоимость.

Когда теплообменники с одного этажа соединены с подающим трубой, — это система с горизонтальным стояком. Такой вариант обойдётся домовладельцам в меньшую сумму, но придётся решать проблему образования воздушных пробок. Как правило, достаточно установить воздухоотводчики.

Плюсы и минусы обустройства отопления такого типа

Что касается преимуществ системы отопления с естественной циркуляцией воды, то их несколько:

• отсутствие сложностей при монтаже, пуске и эксплуатации;
• тепловая устойчивость системы. Основанная на гравитационной циркуляции теплоносителя она обеспечивает максимальную теплоотдачу и поддерживает на заданном уровне микроклимат в помещениях;
• экономичность (при правильном утеплении здания);
• тихая работа. Нет насоса – нет шума и вибрации;
• независимость от перебоев в электросети. Естественно, в случае, когда установленный котёл может работать без электричества;
• большой срок эксплуатации. При своевременном техническом обслуживании без капитального ремонта система может работать 35 лет и более.

Главный минус гравитационной системы отопления – ограничения по площади здания и радиусу действия. Её устанавливают в домах, площадь которых обычно не превышает 100 квадратных метров. Из-за малого циркуляционного напора радиус действия системы ограничивается тридцатью метрами по горизонтали. Обязательным требованием является наличие чердачного помещения в здании, в котором будет устанавливаться расширительный бак.

Существенным недостатком является и медленное прогревание всего дома. При системе с естественной циркуляцией нужно утеплять трубы, проходящие в неотапливаемых помещениях, так как есть риск замерзания воды.

Обычно на такую разводку идёт немного материалов, но, когда местное сопротивление трубопровода нужно уменьшить, затраты вырастают из-за необходимости применения труб большего диаметра.