Системы отопления с естественной циркуляцией: основные схемы водяных контуров

Способы построения автономной отопительной системы гравитационного типа рассматриваются в тех случаях, когда установка циркуляционного насоса оказывается нерентабельной или невозможной по каким-либо причинам.

Такой подход к организации системы позволяет существенно сэкономить на монтаже и обеспечивает полную независимость от электросетей. Однако успешное функционирование подобной системы в значительной степени зависит от правильности ее проектирования.

Для того чтобы отопление с естественной циркуляцией работало эффективно, крайне важно тщательно рассчитать ее параметры, провести правильную установку всех элементов и грамотно выбрать схему водяного контура. Мы предложим помощь в решении этих задач.

В данном материале мы рассмотрим основные принципы работы гравитационных систем, дадим рекомендации по выбору труб, расскажем о правилах сборки контуров и размещения компонентов. Особенно мы акцентировались на особенностях проектирования одно- и двухтрубных схем.

Основные принципы естественной циркуляции

Естественное движение воды в системе отопления без использования циркуляционного насоса происходит благодаря законам физики.

Разобравшись в сути этих процессов, можно создать эффективный проект отопительной системы как для стандартных, так и для нестандартных условий.

Естественная схема, которая обеспечивает движение теплоносителя под воздействием гравитации, актуальна для частных домов и квартир с автономным отоплением.

Открытый расширительный бачок служит резервом, позволяя теплоносителю расширяться при нагреве.

В системах с естественным движением теплоносителя существуют как одно-, так и двухтрубные схемы. Однотрубные контуры, как правило, строятся с верхней разводкой.

Двухтрубные гравитационные системы могут быть сконструированы как с верхней, так и с нижней разводкой. Горизонтальные участки всегда следует укладывать с наклоном 2-3 мм на каждый метр.

Среди серьезных недостатков гравитационных систем можно отметить слабый напор; поэтому такие контуры не рекомендуется делать длиннее 30 метров по горизонтали.

Минимальное количество технических устройств в системах с гравитационным движением теплоносителя сокращает число возможных проблем с наладкой и ремонтом.

Для подготовки теплоносителя используются твердотопливные, жидкотопливные и все типы газовых котлов.

Температура теплоносителя на выходе из котла может достигать 105°C, что необходимо учитывать при выборе оборудования и труб для системы.

Максимальная разница гидростатического давления

Ключевое физическое свойство теплоносителей – будь то вода или антифриз – заключается в том, что их плотность уменьшается при повышении температуры, что и вызывает движение по контурной системе.

Горячая вода имеет меньшую плотность по сравнению с холодной, что приводит к образованию разницы в гидростатическом давлении между горячим и холодным столбами жидкости. Таким образом, холодная вода, поступая к теплообменнику, вытесняет горячую вверх по трубам.

Движение воды в контуре с естественной циркуляцией инициируется перепадом гидростатического давления между горячими и холодными участками.

Отопительный контур можно разделить на несколько сегментов, где «горячие» участки характеризуют движение воды вверх, а «холодные» – вниз. Границы этих фрагментов определяются верхней и нижней точками системы.

При проектировании системы с естественной циркуляцией необходимо стремиться к созданию максимальной разницы давления между «горячим» и «холодным» сегментами контура.

Ключевым элементом системы с естественной циркуляцией является коллектор разгона (главный стояк) – это вертикальная труба, уходящая вверх от теплообменника.

Важно, чтобы коллектор разгона поддерживал максимальную температуру, поэтому его обшивают теплоизоляционными материалами на всей длине. Однако в случае с одноэтажными домами утепление может быть не столь критично, так как вода в нем не успевает остыть.

Система проектируется таким образом, что верхняя точка коллектора совпадает с самой верхней точкой всего контура, где устанавливается выход на открытый расширительный бак или воздухоотводчик для мембранного бака.

Это позволяет сократить длину «горячего» фрагмента, что в свою очередь снижает теплопотери в этом участке.

Рекомендуется, чтобы «горячий» участок контура не соединялся с длинными участками, куда идет остывший теплоноситель. В идеале нижняя точка контура должна совпадать с нижней частью теплообменника, установленного в устройстве отопления.

Низкое расположение котла увеличивает гидростатическое давление в «горячем» сегменте контура.

Для «холодного» сегмента водяного контура также существуют определенные правила, касающиеся повышения давления:

• На «холодном» участке отопительной системы, чем больше теплопотери, тем ниже температура и выше плотность воды, что делает системы с естественной циркуляцией эффективными только при высоком уровне теплоотдачи;
• Чем больше расстояние от нижней точки контура до подключения радиаторов, тем больше будет столб воды с минимальной температурой и максимальной плотностью.

Для соблюдения последнего правила котлы или печи часто устанавливают в самом низу, например, в подвале, тем самым обеспечивая максимально возможное расстояние между уровнем радиаторов и входной точкой воды в теплообменник.

Тем не менее, высота между нижней и верхней точками водяного контура в системах с естественной циркуляцией не должна превышать 10 метров. Котлы или печи нагревают только теплообменник и нижнюю часть коллектора разгона.

Если этот участок окажется незначительным относительно всей высоты контура, давление в «горячем» фрагменте будет невелико, что затруднит или даже остановит циркуляцию.

Использование систем с естественной циркуляцией оправдано для двухэтажных зданий; для более высоких конструкций потребуется установка циркуляционного насоса.

Снижение сопротивления потоку воды

При разработке системы с естественной циркуляцией важно учитывать скорость потока теплоносителя в контуре.

Во-первых, чем выше скорость, тем быстрее осуществляется передача тепла по схеме «котел – теплообменник – водяной контур – радиаторы – помещение».

Во-вторых, при большей скорости жидкости через теплообменник уменьшается вероятность закипания, что особенно актуально для печного отопления.

Закипание в системе может влечь за собой серьезные последствия, включая затраты на демонтаж, ремонт и повторную установку теплообменника.

В системах с принудительной циркуляцией скорость потока воды определяется параметрами циркуляционного насоса.

Для водяного отопления с естественной циркуляцией скорость зависит от:

• Разницы давления между фрагментами в нижней точке контуров;
• Гидродинамического сопротивления отопительной системы.

Методы достижения максимальной разницы давления были упомянуты выше. Гидродинамическое сопротивление реальной системы сложно поддается точному расчету из-за сложной математической модели и большого числа факторов, точность которых не всегда гарантирована.

Тем не менее, существуют рекомендации, соблюдение которых поможет минимизировать сопротивление в отопительном контуре.

Среди основных причин, снижающих скорость потока воды, можно выделить сопротивление стенок труб и узкие участки из-за фитингов и запорной арматуры. При низкой скорости потока сопротивление стенок минимально.

Исключения составляют длинные и узкие трубы, используемые в системах с теплыми полами. Чаще всего для этих систем создаются отдельные контуры с принудительной циркуляцией.

При выборе труб для систем с естественной циркуляцией следует учитывать технические сужения. Поэтому использование металлопластиковых труб нежелательно, так как фитинги для них уменьшают внутренний диаметр, что может сильно замедливать поток воды при слабом напоре.

Критерии выбора и установки труб

При выборе между стальными и полипропиленовыми трубами для любой схемы циркуляции необходимо учитывать возможность их использования с горячей водой, а также такие факторы, как стоимость, простота монтажа и срок службы.

Стояк подачи должен выполняться из металлической трубы, так как через него будет проходить наиболее горячая вода, и в случае проблем с теплообменником возможно образование пара.

Для систем с естественной циркуляцией требуют использования труб большим диаметром по сравнению с системами принудительной циркуляции. Обычно для обогрева помещений площадью до 200 м² диаметром коллектора разгона и трубы на обратке является 2 дюйма.

Это связано с меньшей скоростью потока при естественной циркуляции, что вызывает определенные сложности:

• Снижение объема теплоносителя, который переносится от источника к отопляемому помещению за единицу времени;
• проблемы с образованием пробок или загрязнений, которые не исчезнут при слабом давлении.

При использовании системы отопления с естественной циркуляцией, особенно с нижней подводкой, крайне важно обратить внимание на удаление воздуха из системы. Это необходимо, поскольку воздух не может полностью выходить из теплоносителя через расширительный бак, так как горячая вода поступает в приборы по магистрали, находящейся ниже их уровня.

В случае принудительной циркуляции давление воды помогает выводить воздух в установку, расположенную в верхней части системы — так называемый воздухосборник. Как правило, для регулирования теплоотдачи применяются вентили Маевского.

В гравитационных системах отопления, где подача располагается ниже радиаторов, эти краны используются непосредственно для удаления воздуха.

Все современные радиаторы отопления оснащены устройствами, которые позволяют выпускать воздух, поэтому для минимизации образования пробок можно организовать уклон, направляя воздух к радиатору.

Воздух также можно удалять через воздухоотводчики, установленные на каждом стояке или на воздуховоде, который проходит параллельно основной магистрали. Из-за большого количества устройств для слива воздуха, гравитационные схемы с нижней разводкой нечасто находят применение.

При низком давлении даже небольшая воздушная пробка может полностью остановить работу системы отопления. Согласно СНиП 41-01-2003, недопустимо устанавливать трубопроводы систем отопления без уклона, если скорость движения воды менее 0,25 м/с.

Достичь такой скорости в системах с естественной циркуляцией невозможно. Поэтому помимо увеличения диаметра труб, крайне важно соблюдать уклоны для вывода воздуха из системы отопления. Проектирование уклона предполагает величину 2-3 мм на 1 метр, в системах для квартир наклон может достигать 5 мм на метр горизонтальной линии.

Уклон подачи следует делать в сторону движения воды, чтобы воздух двигался к расширительному баку или к системе, избавляющей от него, расположенной в верхней части контура. Хотя возможно и создание контр-уклона, для этого потребуется дополнительно установить клапан для слива воздуха.

Для магистрали обратки уклон, как правило, делается по направлению движения охлажденной воды. Таким образом, нижняя точка контура совпадает с местом ввода обратной трубы в теплоисточник.

Наиболее распространёнными являются схемы удаления воздушных пробок из водяного контура с естественной циркуляцией, которые организованы с учетом направления уклона подающей и обратной труб.

При установке теплого пола небольшой площади необходимо предотвратить попадание воздуха в узкие горизонтальные трубы данной системы обогрева. Рекомендуется установить устройство для удаления воздуха перед теплым полом.

Однотрубные и двухтрубные схемы отопления

При проектировании системы отопления дома с естественной циркуляцией можно планировать как один, так и несколько контуров. Они могут значительно различаться друг от друга. Независимо от длины, численности радиаторов и прочих характеристик, их конструкции могут быть однотрубными или двухтрубными.

Контур с одной трубой

Систему отопления, использующую одну и ту же трубу для последовательной подачи воды к радиаторам, называют однотрубной. Самый простой вариант однотрубной системы — это отопление с использованием металлических труб без радиаторов.

Этот способ является самым экономичным и менее проблемным для обеспечения отопления дома с естественной циркуляцией теплоносителя. Основной недостаток — неприглядный вид громоздких труб.

В наиболее экономичном варианте однотрубной схемы с радиаторами горячая вода последовательно проходит через каждое устройство, требуя минимальное количество труб и запорной арматуры.

Поскольку теплоноситель по мере движения охлаждается, последующие радиаторы получают менее горячую воду, что следует учитывать при расчете секций.

Простая однотрубная схема (наверху) требует минимальных затрат на монтаж, в то время как более сложный вариант внизу позволяет отключать радиаторы без остановки всей системы.

Наиболее эффективным способом подключения радиаторов к однотрубной системе считается диагональный вариант.

Согласно данной схеме контура отопления с естественным типом циркуляции горячая вода поступает в радиатор сверху, а охлажденная выводится через нижний патрубок. Таким образом, нагретая вода отдает максимальное количество тепла.

При нижнем подключении к радиатору как входного, так и выходного патрубка теплоотдача значительно снижается, так как нагретому теплоносителю необходимо пройти длинный путь. Из-за сильного охлаждения в подобных схемах не применяются радиаторы, имеющие большое количество секций.

«Ленинградка» отличается значительными потерями тепла, что нужно учитывать при проектировании системы. Однако у нее есть преимущество: с помощью запорных вентилей на входном и выходном патрубках приборы можно отключать для ремонта без приостановки отопительного цикла (+).

Отопительные контуры с таким подсоединением радиаторов называются «Ленинградка». Несмотря на указанные теплопотери, этот вариант часто выбирают для квартирного отопления из-за более эстетичного выполнения трубопровода.

Важным недостатком однотрубных систем является необходимость прекращать циркуляцию воды по всему контуру при отключении одной из секций отопления.

Поэтому зачастую модернизируют классическую схему, добавляя «байпас» для обхода радиатора с помощью ответвления с двумя шаровыми кранами или трехходовым вентилем. Это позволяет регулировать потока воды к радиатору, вплоть до полного его отключения.

Для строений с двумя и более этажами применяют варианты однотрубной схемы с вертикальными стояками. В этом случае распределение горячей воды будет более равномерным по сравнению с горизонтальными стояками. Кроме того, вертикальные стояки менее протяженные и лучше вписываются в интерьер жилья.

Однотрубная схема с вертикальной разводкой успешно используется для обогрева двухэтажных помещений с применением естественной циркуляции. Предлагается вариант с возможностью отключения верхних радиаторов.

Система с применением обратной трубы

Когда одна труба используется для подачи горячей воды к радиаторам, а другая — для отвода остывшей воды назад к котлу или печи, такую систему отопления называют двухтрубной. Подобные схемы с радиаторами отопления применяются чаще, чем однотрубные.

Хотя она обходится дороже из-за необходимости монтажа дополнительной трубы, у нее есть ряд весомых плюсов:

• более равномерное распределение температуры теплоносителя, поступающего к радиаторам;
• упрощение расчетов для определения параметров радиаторов в зависимости от площади отапливаемого помещения и необходимых температур;
• более эффективная регулировка теплоотдачи к каждому радиатору.

В зависимости от направления движения охлажденной воды относительно горячей, двухтрубные схемы делятся на попутные и тупиковые. В попутных системах охлажденная вода движется в том же направлении, что и горячая, поэтому длина цикла во всем контуре совпадает.

В тупиковых системах охлажденная вода движется навстречу горячей, тогда как длины оборотных циклов теплоносителя отличаются для разных радиаторов. Поскольку в системе низкая скорость, время нагрева может различаться. Радиаторы с меньшей длиной цикла нагреваются быстрее.

При выборе тупиковой или попутной схемы отопления важно учитывать удобство прокладки обратной трубы.

Существует два варианта подводки по отношению к радиаторам: верхняя и нижняя. При верхней подводке труба, подающая горячую воду, располагается выше радиаторов, в то время как при нижней — ниже.

Нижняя подводка позволяет удалять воздух через радиаторы и исключает необходимость прокладки труб сверху, что является преимуществом с точки зрения дизайна помещения.

Тем не менее, без прокладки коллектора разница давления будет значительно меньше, чем при верхней подводке. Поэтому нижнюю подводку в системах отопления на основе естественной циркуляции практически не применяют.

Заключение и полезное видео по теме

Организация однотрубной схемы на основе электрокотла для небольшого дома:

Работа двухтрубной системы для одноэтажного деревянного дома с помощью твердотопливного котла длительного горения:

Использование естественной циркуляции для перемещения воды в отопительном контуре требует точных расчетов и грамотного выполнения монтажных работ. При соблюдении этих условий система отопления обеспечит качественное обогревание помещений частного дома и избавит владельцев от шума насосов и зависимости от электроэнергии.

Если у вас есть вопросы по данной теме или желание поделиться личным опытом организации и эксплуатации системы отопления с гравитационным типом, оставляйте комментарии к этой статье. Блок для обратной связи находится ниже.