Самотечная система отопления с естественной циркуляцией

Паровое отопление

Разницей в выделяемой энергии объясняются преимущества парового отопления:

• уменьшенное число радиаторов;
• быстрый прогрев системы;
• отсутствие эффекта «размораживания» при перерывах в работе;
• заметно более низкие расходы на отопление в процессе монтажа и эксплуатации.

Второй и третий пункт важны для дач и загородных домов – строений, в которых жильцы бывают наездами.

По давлению пара, используемого в системе, различают:

• Системы высокого давления (свыше 6 атм)- позволяют обогревать большие площади с длинными напорными и конденсаторными магистралями.
• Низкого давления (1,7-6 атм) – возможно применение в частном жилищном строительстве.
• Вакуумные (давление менее 1 атм) – интересны возможностью реализовать кипение воды при температурах ниже 100°C и снизить температуру нагревательных приборов до безопасной. Применяются крайне редко в силу необходимости обеспечить высокую герметичность системы.

Система, сообщающаяся с атмосферой, считается «открытой», не сообщающаяся – «закрытой».

К недостаткам пара относят:

• чрезмерный нагрев труб и радиаторов;
• износ элементов системы из-за агрессивности пара;
• шумы, сопровождающие работу системы.

При монтаже применяют однотрубную и двухтрубную схемы разводки. В первом случае пар и конденсат движутся по одной трубе. Пар идёт от котла, конденсат – навстречу ему. В двухтрубной – пар по напорной магистрали поступает к радиаторам и, конденсируясь в них, по самотёчной конденсаторной магистрали в виде воды возвращается в ёмкость для его сбора или непосредственно к котлу.

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.

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.

Схема с естественной циркуляцией

Чтобы понять принцип действия гравитационной системы, изучите типовую схему, применяющуюся в двухэтажных частных домах. Здесь реализована комбинированная разводка: подача и возврат теплоносителя происходит по двум горизонтальным магистралям, объединенным однотрубными вертикальными стояками с радиаторами.

Как работает самотечное отопление двухэтажного дома:

1. Удельный вес нагреваемой котлом воды становится меньше. Более холодный и тяжелый теплоноситель начинает вытеснять горячую воду вверх и занимать ее место в теплообменнике.
2. Нагретый теплоноситель движется по вертикальному коллектору и распределяется по горизонтальным магистралям, проложенным с уклоном в сторону радиаторов. Скорость течения невелика – порядка 0.1—0.2 м/с.
3. Расходясь по стоякам, вода попадает в батареи, где успешно отдает теплоту и охлаждается. Под воздействием гравитации она возвращается в котел по обратному коллектору, собирающему теплоноситель из остальных стояков.
4. Прирост объема воды компенсируется расширительным баком, установленным в самой высокой точке. Обычно утепленная емкость располагается на чердаке здания.

Принципиальная схема самотечной разводки с циркуляционным насосом

В современном исполнении гравитационные системы оснащаются насосами, ускоряющими циркуляцию и прогрев помещений. Перекачивающий агрегат ставится на байпасе параллельно подающей магистрали и функционирует при наличии электроэнергии. Когда свет отключается, насос бездействует, а теплоноситель циркулирует за счет гравитации.

Сфера применения и недостатки самотека

Назначение гравитационной схемы – теплоснабжение жилищ без привязки к электричеству, что актуально в отдаленных регионах с частыми отключениями света. Сеть самотечных трубопроводов и батарей способна работать вместе с любым энергонезависимым котлом либо от печного (раньше говорили – парового) отопления.

Разберем отрицательные стороны использования самотека:

• из-за малой скорости протока нужно повышать расход теплоносителя за счет применения труб большого диаметра, иначе радиаторы не прогреются;
• чтобы «подстегнуть» естественную циркуляцию, горизонтальные участки прокладываются с уклоном 2—3 мм на 1 м магистрали;
• здоровые трубы, идущие под потолком второго этажа и над полом первого, портят внешний вид комнат, что заметно на фото;
• затруднено автоматическое регулирование температуры воздуха – на батареи нужно покупать только полнопроходные термостатические клапаны, не препятствующие конвективной циркуляции теплоносителя;
• схема неспособна работать с теплыми полами и в 3-этажном доме;
• увеличенный объем воды в отопительной сети подразумевает длительный прогрев и большие затраты топлива.

Чтобы выполнить требование №1 (смотри первый раздел) в условиях ненадежного электроснабжения, хозяину двухэтажного частного дома придется нести расходы на материалы – трубы повышенного диаметра и облицовку для изготовления декоративных коробов. Остальные минусы некритичны – медленный прогрев устраняется путем установки циркуляционного насоса, недостаток экономичности – монтажом специальных термоголовок на радиаторы и изоляцией труб.

Watch this video on YouTube

Советы по проектированию

Если разработку самотечной схемы отопления вы взяли в свои руки, обязательно учтите следующие рекомендации:

1. Минимальный диаметр вертикального участка, идущего от котла, — 50 мм (имеется в виду внутренний размер условного прохода трубы).
2. Горизонтальный раздающий и собирающий коллектор допускается уменьшить до 40 мм, перед последними батареями – до 32 мм.
3. Уклон 2—3 мм на 1 м. п. трубопровода делается в сторону радиаторов на подаче и котла – на обратке.
4. Входной патрубок теплогенератора должен располагаться ниже батарей первого этажа с учетом уклона обратной магистрали. Возможно, в котельной придется сделать небольшой приямок под установку источника тепла.
5. На подводках к отопительным приборам второго этажа лучше поставить прямой байпас малого диаметра (15 мм).
6. Верхний раздающий коллектор постарайтесь уложить на чердаке, чтобы не вести под потолками комнат.
7. Используйте расширительный бак открытого типа с патрубком перелива, выведенным на улицу, а не в канализацию. Так удобнее следить за переполнением емкости. С мембранным бачком система работать не будет.

Расчет и проектирование самотечного отопления в коттедже сложной планировки стоит доверить специалистам. И последнее: магистрали Ø50 мм и более придется исполнять стальными трубами, медью либо сшитым полиэтиленом. Максимальный размер металлопластика составляет 40 мм, а диаметр полипропилена выйдет просто угрожающим из-за толщины стенок.

2.3. Однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией

Рис. 10. Однотрубная система отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды (вверху) и конструкции радиаторных узлов (внизу)

Однотрубные системы с естественной циркуляцией теплоносителя делаются только с верхней разводкой подающего трубопровода, в которой отсутствуют обратные стояки (рис. 10). По сравнению с двухтрубными системами однотрубные проще в монтаже, на их устройство требуется меньше труб и они выглядят более красиво.

Однотрубные системы отопления подразделяются на два вида.

По одной схеме — проточной, подающий стояк, как таковой, отсутствует, а радиаторы по высоте дома последовательно соединены друг с другом. Горячая вода подачи последовательно, сверху вниз, протекает через все радиаторы, начиная с верхнего, и в радиаторы нижних этажей поступает охлажденной. Поэтому на верхних этажах жарко, а на нижних — холодно. Чтобы как-то сбалансировать отопительный контур, в нижних этажах ставят радиаторы с большим числом секций. В проточной системе нельзя ставить регулировочные краны, так как при уменьшении или перекрытии крана у того или иного радиатора частично или полностью перекрывается весь стояк.

При такой схеме нельзя регулировать температуру воздуха в помещениях. Если дом двухэтажный, то невозможно осуществить пуск системы отопления только на одном этаже. Проточные схемы отопления были весьма популярны в середине ХХ века, когда основной целью была экономия труб. В настоящее время ее почти не применяют.

При другой схеме с замыкающими участками (байпасами), показанной на рис. 11, из стояка часть воды поступает в верхние радиаторы, а остальная вода направляется по стояку к радиаторам, расположенным ниже. Вода в такой системе остывает чуть меньше, а значит, меньше и разница между температурами на верхних и нижних этажах. Фактически это улучшенная проточная схема, в которой между трубами подключения радиатора сделан замыкающий участок — байпас.

Рис. 11. Схемы присоединения отопительных приборов в однотрубной и двухтрубной системах отопления

Диаметр трубы замыкающего участка делают на один размер меньше, чем диаметр труб подключения радиатора. В результате поступающий сверху теплоноситель разделяется на два потока: одна часть поступает в радиатор, другая через байпас — к нижним радиаторам. Если диаметр байпаса сделать таким же, как и трубы для подключения радиатора, то теплоноситель в радиаторе перестанет циркулировать, поскольку гидравлическое сопротивление в радиаторе будет больше, чем в байпасе. Ведь вода всегда течет там, где меньше гидравлическое сопротивление.

При установке байпаса с диаметром, равным диаметрам труб подключения радиаторов для балансировки отопительной системы, количество поступающей в прибор воды регулируется вентилями, которые устанавливаются на трубе подключения и байпасе. Таким образом, закрытием (открытием) вентилей на подающей трубе подключения радиаторов или байпасе можно регулировать поступление теплоносителя в радиатор или стояк. Например, можно полностью отключить радиатор и перенаправить весь теплоноситель в байпас и далее к нижним радиаторам на стояке или, наоборот, закрыть байпас и направить весь тепловой поток в радиатор.

Рис. 12. Схема системы отопления и горячего водоснабжения дома

В современных отопительных системах два вентиля, установленных на подающей трубе и байпасе, заменяют одним, называющимся трехходовым краном. В зависимости от положения закрывающей заслонки, трехходовой кран одновременно открывает путь теплоносителю в радиатор и закрывает поступление в байпас или, наоборот, закрывает байпас и открывает путь к радиатору. Такие краны могут снабжаться электрическим приводом, подключенным к специальному прибору — контроллеру. Контроллер измеряет температуру воздуха в помещении или температуру теплоносителя и отдает команду на трехходовой вентиль, который увеличивает или уменьшает подачу теплоносителя в радиатор, а остальной теплоноситель сбрасывает в байпас.

Как и в системах с двухтрубной разводкой, в однотрубной можно обеспечить тупиковое и попутное движение теплоносителя в обратной магистрали. При попутном движении все кольца отопительного контура становятся одинаковой длины и систему можно сбалансировать. При тупиковом движении делать балансировку температуры теплоносителя очень трудно, поскольку разбалансировка идет не только по длине колец, но и по высоте стояков, чем отличается от двухтрубных систем, где разбалансировка температуры была только по кольцам.

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.