Естественная циркуляция в системе отопления

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.

Правила монтажа системы отопления без насоса

Во всех гравитационных схемах один минус – нет давления в системе, потому нарушения в монтаже приводят к снижению функциональности конструкции. На работу влияют повороты, высокие или низкие уклоны, отсутствие продуманной схемы.

Чтобы сформировать правильную теплосистему, следует обратить внимание на:

• выкладку уклонов;
• тип, диаметр трубы;
• подачу, вид теплоносителя.

Выбор труб и их уклона в системе отопления

Различается несколько видов материала, пригодного для сооружения трубопровода:

1. Сталь. Это трубы с относительно невысокой стоимостью, но увеличенной теплопроводностью, прочностью. Сталь хорошо переносит разницу давлений, стойко противостоит коррозии. Минус – потребуется сварка.
2. Металлопластик. Трубы с гладкой внутренней стороной, минимизирующие образование засоров. Малый вес и линейное расширение – плюсы, небольшой срок эксплуатации (15 лет) и высокая цена – минусы.
3. Полипропилен. Простой монтаж, герметичность, прочность, длительный срок пользования и неподверженность к промерзанию – достоинства труб, а вот цена товара – минус. Следует учитывать, что стыковка осуществляется пайкой, что снижает затраты на монтаж. Срок службы до 25 лет.
4. Медь. Предельно прочный материал, который выдерживает нагрев до +500 С. Срок пользования от 100 лет, предельная стойкость к коррозии – плюсы. Но очень высокая цена и масса – явные минусы трубопроводов.

Что касается выбора диаметра, то его нужно просчитать так:

• учесть потребность помещения в тепловой энергии и к конечной цифре добавить 20%;
• по СНиП найти параметры соотношения мощности теплосети к внутреннему сечению трубы;
• выбрать в таблице материал, из которого сделаны трубы, принять в расчет стандартные параметры, в частности, для стальных труб диаметр должен быть не менее 50 мм, но при подборе широких труб эффективность теплоносителя снижается.

Что касается уклона, то по строительным нормам на каждый погонный метр трубы нужно делать наклон размером в 10 мм. Эти стандарты и нужно принимать в учет, планируя отопление самотеком, а схема выкладки, предварительно составленная в виде проекта, поможет промерить параметры укладки при проведении монтажных работ.

Выбор теплоносителя для системы

Чтобы естественная циркуляция в системе отопления частного дома поддерживалась с нужной скоростью, следует выбрать оптимальный теплоноситель. В большинстве случаев выбирается чистая вода – безопасный и дешевый вариант. Можно применять антифриз, но большая плотность с меньшей теплоотдачей нивелируют достоинства жидкости. Гликолевые составы нужны только при условии, что теплосистема не будет использоваться очень длительное время, антифриз не замерзает, и в отличие от воды не прорывает трубы.

https://youtube.com/watch?v=vVEj7wcr1ik

Выбор верхнего или нижнего разлива

Если применяется нижний розлив, то трубопровод прокладывается на уровне напольного покрытия. При формировании однотрубной самотечной схемы нижний розлив считается не теплоэффективным, схема оправдана для трубопроводов с высоким давлением теплоносителя.

Верхний розлив лучше подходит для частных строений. В этом случае горячий поток подается через трубу под потолком, вода вытесняет воздух, который можно стравить краном Маевского. При верхнем розливе можно делать однотрубную схему отопления, теплоэффективность в этом случае поддерживается на оптимальных величинах.

Зная, как сделать циркуляцию воды без насоса, следует внимательно относиться ко всем этапам проектирования и монтажа. Ошибки в работе приводят к переустановке всех элементов, модификации контура или монтажу насоса, а это увеличивает финансовые вложения.

Монтаж и расчет уклона

Монтаж производится в определенной последовательности:

1. При создании двухтрубной схемы отопления своими руками сначала происходит подключение газового котла, от которого вверх отводится основная магистраль, соединяемая с расширительным бачком. Последний устанавливается в самой высокой точке;
2. После этого производятся работы по установке снизу бачка трубы, которая будет соединена с радиаторами. Ее высота составляет одну треть от расстояния до потолка.
3. Далее происходит подключение радиаторов, от нижней части которых отводятся трубы для охлажденного теплоносителя. Затем трубы соединяются в общую магистраль. Чтобы это сделать, сначала нужно составить схему, в которой будет полностью отображена двухтрубная система.

Монтаж труб для холодной воды производится параллельно тем, по которым теплоноситель попадает в радиаторы. Установка однотрубной системы для частного дома своими руками отличается только схемой расположения радиаторов и труб.

Особенности монтажа

Байпасы (обходные участки трубы) устанавливаются для регулировки уровня нагрева радиатора, то есть при прохождении части теплоносителя по обходному пути теплоотдача радиатора уменьшается.

Однотрубная система типа «ленинградка» устанавливается во многих домах благодаря простоте выполняемых работ. Но она имеет и недостатки, к которым можно отнести отсутствие возможности контролировать температуру в помещении. Ее монтаж может производиться в доме с одним и двумя этажами. Двухтрубная система устанавливается в коттеджах со множеством комнат и является более эффективной.

Перед началом работы необходимо произвести гидравлический расчет.

Гидравлический расчет – это действия по определению оптимального диаметра трубопровода и расчету падения напора жидкости для обеспечения эффективной работы системы. В некоторых случаях расчет нужен для определения пропускной способности магистралей.

Благодаря учету особенностей работы системы можно определить:

• Возможные потери давления;
• Необходимый диаметр труб;
• Количество радиаторов;
• Необходимый уклон.

Расчет необходимо для составления схемы, по которой будет производиться монтаж котла и подключение других элементов.

Типы принудительной циркуляции носителя тепла в обогреве

Применение схем отопления с принудительной циркуляцией в двухэтажных домах используется из-за протяжённости линий системы (более 30 м). Такой способ осуществляется при помощи циркуляционного насоса, перекачивающего жидкость контура. Он монтируется на входе в отопительный прибор, где температура теплоносителя является самой низкой.

При замкнутом контуре степень напора, которую развивает насос, не зависит от этажности и площади строения. Скорость водяного потока становится больше, поэтому при прохождении по трубопроводным линиям теплоноситель сильно не остывает. Это способствует более равномерному распределению тепла по всей системе и использованию теплогенератора в щадящем режиме.

Расширительный бак можно располагать не только в наивысшей точке системы, но и возле котла. Для совершенства схемы проектировщики ввели в неё разгонный коллектор. Теперь, если отключится электроэнергия с последующей остановкой насоса, система будет продолжать работу в режиме конвекции.

• с одной трубой;
• двумя;
• коллекторная.

Каждую можно смонтировать самим или пригласить специалистов.

Вариант схемы с одной трубой

На входе в батарею также монтируется запорная арматура, которая служит для регулировки температуры в комнате, а также необходимая при замене оборудования. Сверху радиатора устанавливают вентиль для спуска воздуха.

Вентиль на батареи

Чтобы повысить равномерность распределения тепла, радиаторы устанавливаются по линии байпасов. Если не использовать эту схему, то потребуется подбирать батареи разной мощности с учетом потери носителя тепла, то есть чем дальше от котла, тем больше секций.

Использование запорной арматуры необязательно, но без нее снижается маневренность всей системы отопления. При необходимости вы не сможете отключить от сети второй или первый этаж для экономии топлива.

Чтобы уйти от неравномерного распределения носителя тепла, используют схемы с двумя трубами.

• тупиковая;
• попутная;
• коллекторная.

Варианты тупиковой и попутной схем

Попутный вариант позволяет легко контролировать уровень тепла, но необходимо увеличивать длину трубопровода.

Наиболее эффективной признана коллекторная схема, которая позволяет подводить к каждому радиатору отдельную трубу. Тепло поступает равномерно. Есть один минус – высокая стоимость оборудования, так как увеличивается количество расходного материала.

Схема коллекторного горизонтального отопления

Существуют еще вертикальные варианты подачи носителя тепла, которые встречаются с нижней и верхней разводкой. В первом случае сток с подачей носителя тепла проходит сквозь этажи, во втором, стояк идет вверх от котла на чердак, где идет разводка труб на элементы обогрева.

Вертикальная схема

Двухэтажные дома могут иметь самую разную площадь, начиная от нескольких десятков и заканчивая сотнями квадратных метров. Также они отличаются расположением комнат, наличием пристроек и отапливаемых веранд, положением к сторонам света. Ориентируясь на эти и многие другие факторы, следует определиться с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.

Простая схема циркуляции теплоносителя в частном доме с системой отопления с естественной циркуляцией.

Схемы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя отличаются своей простотой. Здесь теплоноситель движется по трубам самостоятельно, без помощи циркуляционного насоса – под действием тепла он поднимается вверх, попадает в трубы, распределяется по радиаторам, остывает и попадает в обратную трубу, чтобы вновь отправиться в котел. То есть, теплоноситель движется самотеком, подчиняясь законам физики.

Схема закрытой двухтрубной системы отопления двухэтажного дома с принудительной циркуляцией

• Более равномерный прогрев всего домовладения;
• Значительно большая длина горизонтальных участков (в зависимости от мощности используемого насоса, она может достигать нескольких сотен метров);
• Возможность более эффективного подключения радиаторов (например, по диагональной схеме);
• Возможность монтажа дополнительной фурнитуры и изгибов без риска снижения давления ниже минимального предела.

Таким образом, в современных двухэтажных домах лучше всего использовать отопительные системы с принудительной циркуляцией. Также возможен монтаж байпаса, который поможет выбирать между принудительной или естественной циркуляцией в целях выбора наиболее оптимального варианта. Мы делаем выбор в сторону принудительных систем, как более эффективных.

https://www.youtube.com/watch?v=olrD9qxCAhM

У принудительной циркуляции есть парочка недостатков – это необходимость в покупке циркуляционного насоса и повышенный уровень шума, связанный с его работой.

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.

Принцип работы отопительных систем с естественной циркуляцией

Самотечная система отопления частного дома организована с учетом физических законов. Разность между плотностью и весом нагретой и охлажденной жидкости способствует естественному току теплоносителя в сети. Давление в контуре практически отсутствует и составляет всего 0,5-0,7 атмосфер.

Поскольку в процессе нагревания объем жидкости увеличивается, в контуре устанавливается расширительный бак. Главное его назначение в уравновешивании давления в системе. Излишек расширившейся жидкости поступает в эту емкость, а при снижении давления в сети вода из бака переходит обратно в трубопроводы. Расширительный бак устанавливается в самой верхней точке сети после разгонного вертикального стояка.

К самотечному контуру можно подключать теплые полы. При этом требуется установить насосное оборудование только на трубопровод в полу, а в разводке отопительных приборов теплоноситель будет циркулировать естественным образом.

Также гравитационную схему можно использовать в комплексе с бойлером косвенного нагрева. Это оборудование устанавливают в наивысшей точке разводки, но ниже расширительного бака. При этом не придется использовать насосное оборудование. Если такую схему применить не получается, то насос монтируется только на накопительную емкость. В этом случае обязательно устанавливают обратный клапан для защиты от рециркуляции теплового носителя.

Особенности организации системы

Следует понимать, что для стабильной циркуляции теплоносителя требуется более тщательный и внимательный подход к этапам проектирования и монтажа. Любая ошибка станет причиной появления воздушных пробок, которые естественной системе отопления пробить будет проблематично.

Исходя из этого, выделим ряд основных особенностей, которые необходимо учитывать при выборе такого способа отопления в частном доме.

Использование труб большего диаметра

Учитывая то, что в подобной системе отопления перепад давления на подаче теплоносителя и линии обратки минимален, движущаяся вода испытывает довольно ощутимое сопротивление. По этой причине появляется необходимость использовать трубы большего диаметра. В системах отопления частного дома с принудительной циркуляцией такой потребности нет.

Чаще всего при монтаже используют материалы следующего диаметра:

• При подключении к котельному оборудованию ставят трубы 50 мм.
• Для подводки к группе радиаторов используют трубу 32 мм.
• Для подключения отдельных радиаторов обычно применяют трубы 20 мм.

Соблюдение уклонов горизонтальных магистралей

Уклон — еще один важный показатель, который важно соблюдать, монтируя естественное отопление. Благодаря ему создаются более благоприятные условия, позволяющие обеспечить перемещение теплоносителя самотеком

Нарушение уклона приводит к повышению сопротивления сети, добиться в таком случае нормальной работы системы практически нереально.

Разница температуры теплоносителя в подающей и обратной магистралях

Этот показатель не имеет значения для отопления одноэтажного дома с принудительной циркуляцией. А вот для естественной он очень важен. Чем больше разница температуры, тем меньше плотность горячего теплоносителя. Благодаря этому, охлажденной воде из обратной магистрали легче вытолкнуть его в систему.

Монтаж расширительного бака открытого типа

Расширительный бак служит предохранительным устройством, позволяющим избежать повышения давления в системе и предотвратить ее разрыв. Естественное отопление предполагает установку такого бака в самой верхней точке сети. Причем он должен быть открытого типа, то есть сообщаться с окружающей атмосферой.

Установка котла

Рекомендуется таким образом, чтобы патрубок обратки находился как можно ниже уровня отопительных приборов первого этажа. За счет этого обеспечивают больший перепад давления в сети, благодаря чему естественный поток теплоносителя будет преодолевать меньшее сопротивление.

В большинстве случаев котельное оборудование устанавливают в специальных помещениях, уровень которых ниже по сравнению с жилыми комнатами. При принудительной циркуляции такой необходимости нет, как пример можно привести системы автономного отопления в квартирах, в которых все оборудование смонтировано практически на одном уровне.

Типы систем для такой циркуляции

В зависимости от особенностей планировки дома, наличия чердачных помещений и ряда других факторов, естественная циркуляция теплоносителя в системе отопления может быть обеспечена при монтаже нескольких отличающихся схем разводки труб:

Однотрубная — известна как «ленинградка». Один из наиболее дешевых вариантов разводки, который требует прокладки только одного кольца труб. Это сокращает расход материалов

Отличается тем, что все отопительные приборы врезаются параллельно основному кольцу отопления. Обращаем внимание, что помимо расширительного бака такая система требует установки кранов для стравливания воздуха, а также дополнительных балансирующих устройств, позволяющих уравновесить температуры во всех радиаторах.

Двухтрубная — наиболее распространенная схема разводки, предполагающая прокладку двух контуров труб, на обратку и подачу. Используется как для принудительной, так и для естественной циркуляции

Несмотря на увеличенный расход материалов такая система будет работать более эффективно. Она позволяет обеспечить более равномерный нагрев радиаторов. Обращаем внимание! Особое значение имеет соблюдение уклонов. Рекомендована такая разводка для домов с большой площадью.

Лучевая — Эта система становится все более популярной. Она предполагает разводку к каждому радиатору двух труб — подачи и обратки. Благодаря этому удается регулировать температуру каждого теплового прибора в отдельности, отключать аварийные участки независимо от остальной сети. Но стоит отметить, что по расходу труб — это один из самых емких способов разводки при монтаже.

Какой материал для труб лучше?

Способ установки контура, защита от коррозии и гидравлическое сопротивление, все эти показатели будут зависеть от материала, из которого изготовлен трубопровод. Для системы отопления можно использовать полипропиленовые, стальные, металлопластиковые и медные трубы.

• Полипропиленовый материал. Трубы из полипропилена хорошо переносят высокую температуру, имеют продолжительный срок эксплуатации (свыше 25 лет), гладкие внутри. Для установки требуются специальные инструменты, дорого стоят.
• Сталь. Несмотря на то что такие трубы довольно прочные и имеют доступную цену, они подвержены коррозии и зарастанию. К тому же для установки требуется сварка или множество фитингов.
• Металлопластик. Легкие трубы, имеют идеально гладкую внутреннюю поверхность. Благодаря этому на них отсутствует коррозия и отложения. Но после установки придется постоянно потягивать резьбовые соединительные детали, что является большим недостатком. Их срок службы составляет около 15 лет, а для труб это очень мало. Имеют высокую стоимость.
• Медные трубы. У медных труб красивый внешний вид и срок эксплуатации более 100 лет. Для установки используют пайку, очень дорогие по стоимости.

Чтобы определить какой диаметр труб подходит для прогрева вашего дома, нужно знать, что:

1. Диаметр трубы выбирается, согласно материалу, из которого изготовлены трубы и из сделанных теплотехнических расчетов.
2. Рассчитать количество тепла необходимого для помещения и к полученному результату прибавить 20%.
3. Пользуясь значениями, указанными в таблицах СНиП, рассчитывается сечение трубопровода. Для расчета берут показания теплоемкости и размер трубы (внутреннее сечение).

Если после каждого разветвления установить подающую трубу на 1 размер меньше предыдущей, то циркуляция теплообменника станет в несколько раз интенсивнее. Обратную трубу монтируют с расширением. Так рассчитывается минимальный диаметр двух труб. Придерживаясь полученных значений, для каждого участка труб, устанавливается свой размер.

Как работает данная система?

Движение теплоносителя (воды) по трубам обусловлено тем, что при повышении и понижении температуры изменяется масса и плотность жидкости. Снижение массы и плотности воды происходит, когда она нагревается в котле. В это время в трубах находится уже отдавшая свое тепло более холодная вода, имеющая большую массу и плотность. При этом под действием гравитационных сил холодная вода в радиаторе замещается водой горячей.

Для того чтобы понять, как именно функционирует гравитационная система отопления, достаточно просто вспомнить курс физики. Нагретая в котле вода, являясь более легкой, свободно поднимается по трубам центрального стояка. В этот момент тяжелая холодная вода опускается в отопительный котел. Горячая вода, достигнув верхней точки, равномерно распределяется по радиаторам. В них холодная вода опускается к нижней части батареи, а после и вовсе покидает ее, потому что ее попросту «вытеснила» горячая.

В момент поступления в радиатор горячего теплоносителя происходит процесс отдачи тепла. То есть, постепенно нагреваются материалы радиатора, передавая тепло непосредственно в помещение. Далее – остывший теплоноситель вновь замещается горячим. Этот процесс непрерывен. Жидкость циркулирует  до тех пор, пока идет ее нагрев – то есть, пока работает котел.