Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией. Системы водяного отопления с естественной и насосной циркуляцией. Устройство, схемы подключения отопительных приборов. Определение мощности по площади

Использование систем отопления с естественной циркуляцией насчитывает много десятилетий. Их внедрение началось практически одновременно с появлением парового отопления. Существует несколько актуальных на сегодня схем отопления с естественной циркуляцией для частного дома, и каждая из них может с успехом применяться при высоком КПД в наиболее комфортных для нее условиях.

Конструкционные особенности

Основное отличие схемы отопления самотеком заключается в том, что в цепи, по которой перемещается теплоноситель, отсутствует принудительно толкающий воду насос циркуляционный.

Популярными аргументами, которые приводятся в пользу самотечной системы отопления, являются следующие пункты:

• полная независимость от наличия электроэнергии в помещении;
• высокая степень инертности, при которой минимизировано воздействие сторонних факторов на перераспределение тепла.

Необходимо учитывать, что увеличение диаметра труб отопления в такой ситуации положительно сказывается на эксплуатации системы. Однако, стоит придерживаться определенных ограничений в габаритах.

Принцип действия

Во время работы отопления с естественной циркуляцией используются физические принципы, при которых более теплая жидкость поднимается, перемещаясь от высшей точки по созданному для нее монтажному уклону из магистральных труб.

1. При такой схеме необходимо устанавливать котел ниже уровня секций с радиаторами.
2. При движении от верхней точки вода перемещается к секциям. Патрубки, соединяющие с магистралью радиаторы, должны быть значительно меньше по диаметру, чем основная магистраль. Востребованной данная схема отопления частного дома с естественной циркуляцией окажется с верхним видом раздачи.
3. Для нижней раздачи понадобится предусмотреть некоторый разгонный контур. Его формируют при монтаже трубопровода, идущего вверх к установленному там расширительному бачку. После этого осуществляется понижение на горизонталь окна, от которой ведется дальнейшая разводка.

У систем отопления без насоса снижается эффективность в помещениях с низкими потолками, так как желательно отводить трубу с верхней точкой магистрали системы на 1,5-1,6 м выше котла, а над ней должен еще монтироваться расширительный бачок.

За счет того, что перемещение в отоплении осуществляется без насоса, то за время достижения дальних участков магистрали теплоноситель успевает отдать достаточное количество тепловой энергии. Такой принцип действия подразумевает работу в небольших по площади помещениях. Считается, что для магистралей с длиной контура более 30 м схема с самотечной системой отопления частного дома теряет свою эффективность.

ВИДЕО: Расчет отопления с естественной циркуляцией

Особенности монтажа

Котлы с естественной циркуляцией могут иметь подключение магистралей двух типов:

• однотрубные;
• двухтрубные.

Оба варианта разводок имею индивидуальные особенности монтажа, но по эффективности использования с гравитационной системой отопления они слабо отличаются. Важно соблюдать уклон труб отопления при естественной циркуляции, чтобы обеспечить бесперебойное перемещение и отсутствие завоздушенных участков. В открытых системах выход газовых образований осуществляется естественным путем через расширительный бачок.

При монтаже своими руками магистралей отопления с естественной циркуляцией, выдерживается уклон, обеспечивающий падение высоты на каждый метр длины в 5-10 мм.

Развиваемые в условиях системы гидродинамические силы, определяющие скорость перемещения потока, напрямую зависят от уровня подъема контура. Важно монтировать радиаторы выше уровня установки котла, а сопротивление трубопровода зависит от диаметров магистралей.

Когда монтаж системы отопления с естественной циркуляцией осуществлен с многочисленными разветвлениями и частыми преломлениями, то это способствует повышению гидросопротивления. Кроме этого неоправданно высокое количество вмонтированной запорной арматуры также увеличивает это значение. Минимизация подобных участков плюс увеличение разумное диаметра магистралей способствует повышению давления в системе.

Монтаж двухтрубной системы

Естественная циркуляция в системе отопления может быть предусмотрена в двухтрубных контурах. Первая трубу (подача) направляет поток горячего теплоносителя от котла, а вторая труба (холодная) возвращает в котел остывшую воду. Во время монтажа осуществляются следующие действия:

• вверх от теплогенератора отводится ветка, которая выходит на расширительный бачок;
• монтаж бочка может быть осуществлен как под потолком, так и на уровне утепленного чердачного помещения;
• к нижней части бачка монтируется трубопровод, уходящий в помещение, опускаясь на уровень 2/3 высоты от потолка;
• разводка ведется к ближайшей секции радиаторов;
• второй патрубок секции монтируется к обратке;
• возвратная магистраль монтируется параллельно подаче, но уклон обеспечивается к котлу.

Как определить объем расширительного бачка

Объем расширительного бачка открытого типа определяется очень просто - 10% от общего объема теплоносителя, циркулирующего по водяному контуру. Определение десятой доли считается универсальным способом вычисления объема экспанзомата, при котором он работает идеально.

Определение объема бачка закрытого типа уже несколько сложнее, но и его вполне одолеть неспециалисту. Для подсчета вам нужно знать следующие вводные данные:

• процент увеличения объема теплоносителя при нагревании (ОВ) - стандартные 5% для воды и 10% доя антифриза;
• общее количество воды или антифриза в водяном контуре (ВК) - если нет таких данных, придется весь теплоноситель сливать и замерять ведрами или другими приборами. Задача - определить максимально точный объем;
• давление контура и котла (ДК) - эта информация отражена в техпаспорте на котел. Если его нет - спасет интернет;
• предельное давление в экспанзомате (ДБ) - тоже вся информация отражена в техпаспорте.

Применяем формулу:

Полученное значение округляем до целого числа и получаем расчетный объем расширительного бачка.

Это значение всегда больше метода «на глаз - 10%», но это не является нарушением. Если объем экспанзомата больше, чем требуется для водяного контура, необходимо его правильно настроить.

Монтаж однотрубной системы

Данный тип циркуляции воды в системе отопления, в отличие от двухтрубной схемы не зависит от уровня расположения радиаторных секций. Расширительный бочок подбирается объемом 25-32 л. Его заполнение должно быть на 2/3 объема.

Расположение котла также как и в однотрубной должно быть ниже уровня радиаторов, чтобы обеспечить естественный отток. Обеспечивается монтажный уклон для магистралей в 5-70. Запитка радиаторов осуществляется трубами не ниже 32 мм диаметром. Предпочтительным материалом для разводки является полимерный трубопровод. Для подводки к патрубкам радиатора используют диаметр труб до 20 мм.

Если диаметры подобраны правильно, то балансировка не требуется. Однако, желательно установить запорные краны на подводе/отводе теплоносителя к радиаторам. Это обеспечит легкость демонтажа секций для профилактических либо ремонтных работ.

Двухтрубная система стоит дороже, так как приходится использовать удвоенную магистраль. В связи с этим часто для небольших помещений с естественной подачей отопления актуально использовать однотрубные схемы.

ВИДЕО: Схема отопления с естественной циркуляцией

Система водяного отопления с естественной циркуляцией в удаленном от города частном или дачном доме – решение, востребованное в местности с нестабильным электроснабжением. Кроме того, гидравлическая система не требует финансовых вложений в электрооборудование, без которого не обойтись при обустройстве радиаторного обогрева с подачей теплоносителя насосом.

Энергонезависимая система отопления доступна для самостоятельного расчета и монтажа.

Функционирование самотечной системы

Схема отопления частного дома с естественной циркуляцией обладает рядом достоинств:

• нет потребности в покупке дорогостоящего оснащения;
• энергонезависимость (подбирается соответствующий котельный агрегат);
• монтаж легко осуществить собственными руками;
• нетребовательность в обслуживании.

Циркуляция в такой системе обеспечивается за счет того, что плотность жидкости в результате нагревания уменьшается (она становится легче), а в ходе остывания плотность возвращается к первоначальной.

В самотечной конструкции практически отсутствует давление – расчеты показывают, что на 10 метров напора водяного столба давление составляет 1 атмосферу. Таким образом, гидростатическое давление в отопительной системе одноэтажного сооружения составит 0,5-0,7 атм., а в трубопроводе двухэтажного дома – не превысит 1 атм.

Гравитационная циркуляция происходит благодаря расширению и уменьшению плотности нагреваемого теплоносителя – он поднимается по вертикальному разгонному участку и с верхней точки перемещается вниз по трубопроводу, смонтированному с уклоном и проходящему через последовательно подключенные приборы отопления, на пути обратно к котлу.

К трубопроводу с самотечным перемещением воды подсоединяется расширительный бак – резервуар для «излишков» теплоносителя, который образуется за счет теплового расширения жидкости. Буферная емкость (мембранная или открытая) монтируется в верхней точке контура на подающую трубу.

Отопительная самотечная система способна функционировать в комплексе:

• С водонагревателем косвенного нагрева. Если бойлер установить в верхней части системы ниже расширительного бака, нагрев воды для ГВС будет осуществляться без использования электрооборудования. При невозможности такого монтажа бойлер комплектуется насосом и ставится обратный клапан, который предотвратит рециркуляцию теплоносителя.
• С теплым полом. На проложенный в полу контур устанавливается циркуляционный насос. При временном отключении электроснабжения комната продолжит обогреваться настенным радиатором.

Виды самотечных систем

К недостаткам открытой системы относится постоянное поступление кислорода в теплоноситель, что ускоряет коррозию металла, из которого изготовлены элементы контура. Происходит и завоздушивание трубопровода – чтобы избежать этого, радиаторы крепят под небольшим уклоном и в верхней части монтируют автоматические воздухоотводчики – краны Маевского.

Помимо этого, жидкость из бака открытого типа испаряется и требуется регулярно подливать воду, чтобы открытая система могла нормально функционировать. Подливают воду в бак вручную из ведра, либо подводят водопроводную трубу с вентилем.

Преимущества баков открытого типа – доступная стоимость и возможность своими руками изготовить резервуар необходимых габаритов.

Однотрубный контур

Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией не относится к эффективным. Она не подходит для прогрева помещений двухэтажного дома и применяется в одноэтажных зданиях небольшой площади.

Теплоноситель проходит по разгонному участку трубопровода вертикально вверх, затем попадает в трубу, которая ведет к горизонтальному трубопроводу, последовательно соединяющему радиаторы отопления. От крайнего радиатора остывший теплоноситель возвращается напрямую в котел.

При такой схеме подключения приборов отопления температура радиаторов снижается по мере удаления от подающего стояка – это серьезный недостаток системы. Чтобы повысить эффективность, используют байпасы – соединяют перемычками подающую трубу в тех местах, где подключены радиаторы. Это способствует более равномерному прогреву помещений.

К преимуществам однотрубной системы относятся простая конструкция, минимальные финансовые расходы на ее монтаж. Кроме того, не требуется монтировать трубы под потолком, ухудшая интерьер помещения.

Однотрубная горизонтальная схема даже при условии точных расчетов редко оправдывает себя, если речь не идет об отоплении двух-трех небольших помещений одноэтажного дома. В остальных случаях ее модернизируют, добавив циркуляционный насос.

Двухтрубный контур

Конструктивные особенности самотечного двухтрубного контура:

• для подачи и обратки монтируются отдельные трубы;
• труба подачи подключается к каждому прибору отопления через отдельный входной отвод;
• труба обратки подсоединяется к каждому прибору отопления отдельно.

Двухтрубная самотечная система отопления частного дома отличается от однотрубной тем, что во все радиаторы подается не успевший остыть теплоноситель, благодаря чему:

• тепло в доме распределяется равномерно;
• не требуется увеличивать количество секций в радиаторе с целью улучшить обогрев;
• легче регулировать температуру в системе;
• для монтажа трубопровода требуются трубы меньшего диаметра, чем для однотрубного контура;
• отсутствуют жесткие требования к соблюдению уклона при монтаже элементов системы – некоторые отклонения от расчетных значений не критичны.

Двухтрубная система отопления с разводкой верхней и нижней проста в монтаже и эффективна, ее можно использовать для обогрева двухэтажного дома.

Особенности расчета

Расчет системы отопления с естественной циркуляцией значительно сложнее подготовки проекта отопительной системы с принудительной подачей теплоносителя. Так как давление в контуре отсутствует, на работоспособность системы напрямую влияет количество поворотов трубопровода, угол уклона каждого отрезка. Неправильный расчет или погрешности в монтаже отражаются на функциональности контура.

При расчете безнасосного контура принимается во внимание:

• минимально допустимый угол уклона;
• материал изготовления труб и их диаметр;
• принцип подачи теплоносителя;
• разновидность теплоносителя.

При расчетах следует опираться на строительные нормы для отопительных систем с самотечной циркуляцией (СНиП 41-01-2003 для гравитационных систем). На перемещение теплоносителя в трубопроводе негативное воздействие оказывает гидравлическое сопротивление в сложных местах – на поворотах, в углах и т.д.

Согласно СНиП, трубы монтируются под уклоном не менее 10 мм на 1 метр длины. Иначе системе грозит завоздушивание, плохой прогрев дальних радиаторов.

Выбор труб

От материала изготовления трубопровода зависит гидравлическая сопротивляемость контура, его устойчивость к коррозии и теплотехнические параметры, технология монтажа. В список востребованных материалов входят:

• Стальные трубы. Доступны по цене, устойчивы к механическим нагрузкам. Недостатки: монтируются со сваркой или большим количеством фитингов, склонность труб к коррозии и зарастанию.
• Металлопластиковые трубы. Внутренняя поверхность идеально гладкая, что препятствует нарастанию отложений, устойчивость к коррозии, небольшой вес, устойчивость к термическому расширению. Недостатки: высокая стоимость, ограниченный срок эксплуатации (около 15 лет), необходимость использовать сварные фитинги или регулярно подтягивать резьбовые соединительные элементы.
• Полипропиленовые трубы. Гладкие внутри, долговечны (срок службы от 25 лет), устойчивы к высоким температурам. Недостатки: высокая стоимость, монтаж при помощи специального инструмента.
• Медные трубы. Максимальная теплоотдача и долговечность (свыше 100 лет), стильный внешний вид. Недостатки: высокая стоимость, необходимость пайки при монтаже.

Диаметр труб

1. Выполнить тепловой расчет помещений и прибавить к результату около 20%.
2. Рассчитать сечение трубопровода исходя из соотношения тепловой мощности и внутреннего сечения трубы (значения указаны в таблицах СНиП).
3. Подобрать диаметр трубы, базируясь на выполненных теплотехнических расчетах и с учетом материала изготовления труб. Для стальных труб минимальный размер внутреннего сечения составляет 50 мм.

Чтобы самотек был интенсивнее, применяют следующий принцип: диаметр подающей трубы после каждого разветвления должен быть меньше предыдущей на 1 размер. Обратка должна собираться с расширением.

Таким образом, расчет позволяет определить минимальный диаметр подающей и обратной трубы, относительно этого значения определяются параметры труб на разных участках системы согласно подготовленной схеме для одноэтажного или двухэтажного дома .

Вид розлива

Естественная циркуляция воды в системе отопления зависит от принципа подачи теплоносителя от котла к отопительным приборам. Различаются контуры с нижним и верхним розливом.

Нижний розлив дает возможность обойтись без монтажа высоких вертикальных труб – коммуникации прокладывают на уровне пола. Такой вариант пригоден только для однотрубных контуров и относится к малоэффективным без установки циркуляционного насоса.

Верхний розлив – оптимальный вариант, поскольку распределительная труба двухтрубной системы располагается под потолком и обеспечивает активную подачу нагретого теплоносителя в каждый радиатор, из которого остывшая вода уходит в трубу обратки, размещенную вдоль пола. Для однотрубной системы розлив верхнего типа также предпочтительнее.

Двухтрубная система отопления с верхним розливом

Выбор теплоносителя

Теплоносителем может служить вода или антифриз. Для самотечной системы предпочтительнее использование воды, поскольку у антифриза выше плотность и меньше теплоотдача, для его нагрева требуется больше тепловой энергии – то есть, расход топлива выше. Если в системе устанавливается мембранная буферная емкость, ее объем должен быть больше, чем у бака для теплоносителя-воды, так как антифриз расширяется сильнее.

Использование «незамерзайки» имеет смысл в том случае, если дом в зимний период отапливается нерегулярно с большими перерывами. В этом случае воду пришлось бы постоянно сливать, чтобы трубы не разорвало при перемерзании.

Заключение

Устройство безнасосной системы отопления позволяет сделать свой отапливаемый дом энергонезависимым на случай перебоев с электропитанием. Такая система подключается к отопительному котлу без электрооборудования для регулировки мощности или к обычной твердотопливной печи с водяным теплообменником в топочной камере.

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.

Какую именно схему отопления выбрать для частного дома зависит от таких критериев, как:

• тип отопительного котла;
• доступ электроснабжения;
• размер бюджета на обустройство отопления;
• предпочтения эстетического характера.

Циркуляция теплоносителя в каждой отопительной системе может быть как принудительной посредством насоса, включенного в цепь, так и естественной.

Последние называются также гравитационными или самотечными. Они являются наиболее дешевыми и простыми по конструкции. Как следствие этого – схема водяного отопления с естественной циркуляцией является наиболее дешевой.

В них не предусмотрено включение в цепь циркуляционного насоса. Теплоноситель в трубах перемещается под действием естественных сил (силы тяжести, прежде всего). Системы такого типа являются выгодным решением по деньгам, а также оптимальным – с точки зрения инженерного исполнения.

Этот вариант реализации отопления уже не применяется так широко, как раньше. Он относится к морально устаревшим решениям и постепенно заменяется более эффективными схемами. В равной степени это относится и к индивидуальному строительству.

Впрочем, открытое водяное самотечное отопление и сейчас продолжают достаточно широко применять по очевидным причинам, связанным с экономичностью и надежностью. Перемещение теплоносителя в цепи происходит за счет гидростатического давления внутри трубопровода.

Оборудование отопления по такой схеме в небольшом частном доме не связано с приобретением дорогих комплектующих или материалов. Кроме этого, отпадает необходимость в источнике электричества. В некоторых случаях – это довольно важный фактор.

Обычно такие схемы реализуются только в индивидуальном строительстве. Эффективное самотечное отопление можно оборудовать (тем более своими руками) только в невысоком (один – два этажа), а также в небольшом по площади строениия.

Важно! Существует ограничение на горизонтальный радиус самотечной цепи. Длина горизонтальных трубопроводов не должна превышать тридцати метров. Это связано с относительно небольшим циркуляционным давлением в цепи.

Однако в пользу реализации именно такой схемы можно привести несколько весомых аргументов.

Преимущества

• Важнейшее преимущество – цена материалов, оборудования, монтажа, обслуживания и эксплуатации;
• Отпадает потребность в циркуляционных насосах. Следовательно, отсутствует вибрация, шум, дорогой ремонт;
• Средний срок службы таких схем – около 35-40 лет (при условии, что монтаж был проведен грамотно и инструкция по эксплуатации не нарушается);
• Простота ремонта (обычно сам пользователь может устранить почти все поломки в таких системах);
• Схема отопления с естественной циркуляцией имеет способность к саморегуляции. Следствием этого является хорошая тепловая устойчивость. Движение теплоносителя в цепи происходит за счет разницы температуры (следовательно, и плотности) на разных участках контура.

Принцип работы

• Теплоноситель перемещается к нагревательным приборам и обратно к котлу за счет изменения термодинамических характеристик жидкости в контуре. Как это происходит? Вода нагревается в котле, ее плотность уменьшается, проходя по трубам и радиаторам, плотность теплоносителя становится выше. Холодная вода под действием гравитации заменяется теплоносителем, который имеет выше температуру и меньше плотность.
• Вода, которая нагревается в котле, легче холодной и поэтому под действием естественных сил она перемещается выше по стояку. По пути теплоноситель отдает тепло батареям и радиаторам, которые тепло отдают в помещениях, где они расположены. Остывшая вода из радиаторов вытесняется теплой, и под действием гравитации идет вниз, где установлен котел. Этот цикл обеспечивает работа котла.

Основные элементы самотечной схемы

• котел;
• трубопровод;
• отопительные приборы (радиаторы и батареи);
• расширительный бак.

Принцип монтажа

Горизонтальные трубы необходимо монтировать с соблюдением уклона по ходу движения теплоносителя. Это будет стимулировать циркуляцию теплоносителя. Соблюдать углы уклона труб необходимо для отвода в расширительный бак.

Уклон в горизонтальном трубопроводе также обеспечивает выход воздуха из системы и препятствует завоздушенности. При этом расширительный бак получает дополнительную стабилизационную функцию.

Важно! При монтировании горизонтальных труб угол уклона определяется так: на каждый метр длины уклон должен составлять 5-10 мм по высоте. Это обеспечит необходимую циркуляцию.

Гидродинамические силы, за счет которых теплоноситель перемещается по контуру, зависят от высоты всего контура. Особенно имеет значение разница по высоте между котлом и радиаторами, а также сопротивление трубопровода, которое зависит от диаметра труб.

Если контур смонтирован с многочисленными ответвлениями и поворотами, то это – безусловно, увеличит гидравлическое сопротивление. Также многочисленные краны, фильтры и другая арматура, а также трубопровод малого диаметра, будут препятствовать нормальной циркуляции.

Таким образом, чтобы создать внутри контура нормальное давление, нужно сократить влияние всех объектов сопротивления или увеличить диаметр труб.

Двухтрубная самотечная отопительная система

В этой схеме реализуется конструкция, в которой предусмотрено наличие двух отдельных контуров для движения горячей воды. По одной части – циркулирует нагретый теплоноситель, по второй – охлажденный.

Последовательность монтажа двухтрубной системы

• От котла вверх отводится магистраль, которая соединяется с расширительным бачком;
• Расширительный бак устанавливается либо в помещении под потолком, либо на чердаке (который следует утеплить);
• Снизу бачка подводится труба горячего контура, которая соединяется с разводкой трубопровода в помещении на расстоянии в одну треть от пола;
• В бак подводится труба для отвода лишней воды в канализацию;
• От разводки трубопроводы ведутся к радиаторам;
• От нагревательных приборов (с их нижней части) выводятся трубы в обратную магистраль, которая подводится к котлу;
• Обратка должна монтироваться параллельно прямой магистрали через все помещения.

Особенности монтажа однотрубной системы

Преимущество однотрубной схемы отопления с естественной циркуляцией в сравнении двухтрубной заключается в том, что гидродинамическое давление в таком контуре не зависит от высоты расположения обогревательных приборов.

Расширительный бачок следует заполнять всего на три четверти объема, а сам объем бака – 25-30 л.

Видео с последовательностью монтажа однотрубной системы можно увидеть здесь:

Выводы

Простые и практичные схемы отопления с естественной циркуляцией – хороший вариант для частного загородного дома, при необходимости экономии. С отоплением большого дома такие системы вряд ли эффективно справятся, если их не модернизировать добавлением насоса (хотя при этом теряются основные преимущества таких схем).

Важным пунктом расчета системы отопления является выбор диаметра труб. Учитывается ряд факторов, зависящих от типа подключения отопительных элементов, необходимой мощности системы, параметров котла и т.п. Начинать рассчитывать диаметр труб для отопления с естественной циркуляцией необходимо с выбора конкретного способа подключения системы и ее основных параметров. В ходе расчетов уже можно будет делать выводы о целесообразности применения того или иного диаметра или же корректировать параметры системы, исходя из экономических, технологических или даже эстетических соображений.

Что учитывается при расчете

Основные критерии, которые важно учесть:

• объем теплоносителя, достаточного для заполнения системы;
• длина отопительного контура;
• номинальная скорость потока теплоносителя;
• требуемая продуктивность, кВт;
• циркуляционное давление;
• сопротивление труб и фитинга в отопительном контуре.

Для каждого параметра имеется диапазон приемлемых значений. Расчет при этом должен дать размер трубы системы отопления, удовлетворяющий всем требованиям и обеспечивающий оптимальные параметры.

Расчеты касаются внутреннего диаметра. Уже после получения нужного размера выбирается подходящий номинал, имеющийся в продаже, далее подбирается материал. От этого зависит толщина стенок, внешний диаметр и внешний вид.

Параметры отопления, используемые для расчета диаметра труб

• объем контура отопления;
• скорость движения теплоносителя;
• теплоемкость;
• перепад давления горячего и остывшего теплоносителя;
• высота контура.

Объем жидкости в системе с естественной циркуляцией, сам по себе, не играет ключевой роли. Чем больше теплоносителя, тем больше тратится топлива для нагрева, однако за счет увеличенного объема повышается давление циркуляции, что способствует росту КПД отопления.

Диаметр труб для отопления с естественной циркуляцией выбирается по возможности большим. Особенно, когда нет возможности повысить общую высоту контура.

Нужно распределять трубы и радиаторы таким образом, чтобы сократить путь от котла к радиатору. Слишком длинные линии на подаче, хоть и обеспечат больший напор в системе, однако снизят эффективность обогрева в дальних ее точках. При этом влияние оказывает только высота участка.

Скорость жидкости ограничивается в пределах 0,4-0,6 м/с, что позволит снизить до минимума сопротивление в трубах. Желательно поддерживать переходной тип движения воды в трубах между ламинарным (равномерным) и турбулентным (с завихрениями).

Требуемая мощность рассчитывается по формуле:

Qt = V*dт*k/860,

где V – объем помещения в метрах кубических, dt – перепад температуры на улице и в помещении, k – коэффициент теплопотерь для ограждающих конструкций помещения. Это приближенная формула расчета.

При естественной циркуляции важен напор циркуляции. Жидкость движется исключительно под действием сил гравитации. Горячий теплоноситель поступает в трубы, расположенные выше котла, например под потолком или на чердаке. В радиаторах тепло переходит к внутреннему воздуху помещения. Холодная вода имеет большую плотность и тяжелее горячей, потому она опускается, создавая естественный поток, стекая в котел, где вновь нагревается, образуя неразрывный цикл

Основная формула напора естественной циркуляции:

Δpт= h*g*(ρот – ρпт),

где h – высота в метрах, g – ускорение свободного падения, ρпт и ρот – плотность воды в среднем значении в подающем трубопроводе и обратном.

Основной параметр, влияющий на эффективность отопления – это высота уровня воды в системе, разница между уровнями подвода и отвода воды от радиатора. Именно она задает необходимый циркуляционный напор под действием сил тяжести. Для двухтрубного горизонтального подключения высота считается между средней линией радиатора и средней линией котла, потому логично, что котел должен располагаться значительно ниже. Для одноэтажного дома это означает расположение котла в подвальном помещении.

Высота при вертикальном распределении обозначает разницу уровней подводящей линии и обратной, при условии, что котел находится именно на уровне отводящей линии или немного ниже. Однако часто технически невозможно распределить котел и радиаторы на достаточной разнице высот, потому следует уменьшать сопротивление контура, в том числе увеличивать диаметр труб.

Иногда достаточно установить разгонный коллектор, «Л»-образный участок труб,ы дополнительно повышающий высоту контура отопления. Формировать его следует непосредственно от котла вверх и от верхней точки по пологому пути к первому радиатору в контуре.

Расчет сопротивления подбор оптимального диаметра трубы

Имея на руках все вышеперечисленные данные, начинается подбор сечения, часто не за один подход. Выполнив разметку прокладки в соответствии со схемой подключения, берется условный размер в сечении, например в 1 дюйм. После этого рассчитывается сопротивление системы и сравнивается с напором, создаваемым гравитацией при номинальном значении нагрева теплоносителя и температуры остывшей обратки.

• Если напора не хватает, то увеличивается сечение, и расчеты повторяются.
• Если скорость движения воды слишком низкая или объем теплоносителя слишком большой, то уменьшается сечение, и расчет повторяется заново.

Сопротивление трубопровода легче выразить как потерю напора в метрах водяного столба. Используется простая формула:

H = λ(Lк/Dт)(V2/2g),

где H – условная высота равная сопротивлению контура, λ – коэффициент шероховатости, Lк – длина контура, Dт – внутренний диаметр канала, V – скорость движения жидкости, g – ускорение свободного падения.

В формуле присутствует все ключевые параметры, такие как скорость течения, диаметры труб в системе отопления и их протяженность. Сложность возникает с коэффициентом λ (гидравлического трения), который легче всего узнать из справочных данных для того типа труб, который выбран в качестве основного при проектировании. В противном случае потребуется объемный и сложный путь расчета с применением Числа Рейнольдса, формул Блазиуса и Конакова, Альтшуля и Никурадзе.

Задача состоит в том, чтобы при естественной циркуляции сопротивление контура было меньше или равно напору, создаваемому разницей уровней.

Чтобы определиться, какой размер трубы выбрать для отопления с естественной циркуляцией, надо взять самый длинный контур от котла до дальнего радиатора и сравнивать расчетную потерю напора при условии, что и напор получается наименьший. Имеется в виду, что при распределении маршрутов в отоплении с естественной циркуляцией все подводящие линии располагаются с небольшим обязательным уклоном от места ближайшего к котлу и к дальнему подводу последнего радиатора. Составляет уклон примерно 1 см на каждый метр или не менее 0,5%.

Получив результаты

В ходе расчетов определяется оптимальный размер трубы. Однако следует учитывать, что окончательное проектирование должно выполняться профессионалам и с применением значительно более сложных формул и схем. Учитываются и количество колен, способ подключения, оптимизация по затратам, экономической целесообразности и даже эстетического вида. При выборе диаметра учитывается разделение труб на основные и подводящие, наличие запорной арматуры и регулирующих приборов, с помощью которых настраивается обогрев в отдельных комнатах.

Удалось ли Вам самостоятельно выполнить подбор диаметра трубы для отопления? Как вариант, можно попробовать пересчитать параметры своего существующего отопления и определить его эффективность. Возможно, стоит пересмотреть некоторые моменты для достижения лучших показателей, особенно в экономии. Свои результаты, а также мнение о данной инструкции оставляйте в комментариях под статьей.

Частая ошибка старых систем отопления с естественной циркуляцией связана с разводкой труб. Колена формировались слишком угловатым и с заужением сечения, что приводит к существенному повышению гидродинамического сопротивления. Для снижения сопротивления необходимо соблюсти правильный радиус разворота (для стальных труб это 2-2,5D) и использовать трубогиб для сохранения профиля труб.