Система отопления с естественной циркуляцией на сегодняшний день считается самой простой и популярной среди владельцев квартир и одноэтажных частных домов. Очевидным преимуществом является длительный срок службы: при правильной эксплуатации долговечность достигает 40 лет без необходимости ремонта. Кроме того, есть возможность установить ее своими руками, прибегнув к уже существующим схемам.
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.
Недостатки
Во-первых, сокращенный радиус: он составляет не больше 30 м относительно горизонтали. Недостаток вызван такими факторами, как низкое давление циркуляционного типа и медленный старт. Последний обусловлен высокой тепловой ёмкостью жидкости и приведенными силами давления. Второй недостаток - вероятность замерзания воды в расширительном бачке.
Системы отопления с естественной циркуляцией не подходят для площадей более 100 м2: не все пространство будет прогреваться должным образом. Поэтому чаще всего она используется для небольшого одноэтажного дома, дачи.
Схема действия
В состав системы водяного отопления входит котёл (водонагреватель), трубопроводы обратного и подающего типа, а также нагревательное оборудование, расширительный бачок и защитный клапан. Жидкость прогревается до нужной температуры в котле и поднимается в подающий трубопровод и стояки, благодаря расширению.
Оттуда она переходит в нагревательное оборудование – батареи и радиаторы, которым отдаёт часть тепла. Затем обратный трубопровод направляет воду в котёл, где она опять прогревается до заданной температуры. Цикл повторяется, пока система находится в рабочем состоянии.
Важно помнить, что горизонтальные трубы монтируют с уклоном по отношению к движению рабочей среды.
Защитные механизмы
Уклон труб позволяет отводить из системы воздух в сторону расширительного бачка: попадает в атмосферу, не задерживаясь в трубах и не мешая движению воды.
Важна работа защитных механизмов. Так, обратный гравитационный клапан позволяет избежать циркуляции потока воды в неправильном направлении, что очень необходимо двухтрубным и однотрубным системам с верхней разводкой при нескольких контурах.
Использование бака
Расширительный бак выполняет ряд важных функций. Во-первых, создаёт постоянное давление, необходимое для нормальной работы всей системы. Во-вторых, принимает на себя объём воды, увеличивающийся после нагрева. В-третьих, возвращает охлаждённую жидкость в трубопровод.
Процессы в трубопроводах
Процессы в трубах в естественной циркуляции связаны с движением воды. Так, подъём жидкости происходит посредством расширения из-за нагрева и гравитационного давления. Гравитационное давление нужно для преодоления водой трения о трубопровод, которое мешает ее движению. Циркулировать вода начинает благодаря разной плотности холодной и горячей воды: она движется вверх по подающему и вниз по обратному стояку.
Величина гравитационного давления напрямую зависит от возникающих сопротивлений. Чем больше их появляется на пути теплоносителя, тем выше должен быть показатель. Также необходимо предпринять меры, чтобы свести сопротивления к минимуму. Так, трение можно снизить путём применения труб с большим диаметром.
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.
Показатели напора
Для создания циркуляционного напора центры радиаторов ставятся выше центральной части котла. Именно эта высота считается основным фактором напора циркуляции. Уклон труб и «обратки» тоже влияют на данный процесс: благодаря им вода лучше преодолевает сопротивления местного типа.
Увеличение температур
Другой фактор заключается в разнице между плотностью холодной и горячей воды. Отметим следующий факт – отопление с естественной циркуляцией относится к саморегулирующемуся типу. Таким образом, если увеличить температуру нагрева воды, то меняется ее расход и становится выше циркуляционный напор.
Сильный прогрев жидкости в немалой степени способствует более быстрой циркуляции. Но так происходит только в холодном помещении: когда температура воздуха в них достигнет определённой отметки, батареи будут остывать гораздо медленнее.
Плотность, как прогретой в котле, так и уже попавшей в радиаторы воды практически сравняется. Напор снизится, быстрое обращение воды сменится размеренной циркуляцией внутри системы.
Как только температура помещений частного дома вновь опустится до определённого уровня, это послужит сигналом для увеличения напора. Система попытается выровнять температурные условия. Для этого придётся заново запустить процесс быстрой циркуляции. Отсюда и происходит способность к самостоятельной регуляции.
Вкратце правило следующее – одномоментная смена температуры и объёма воды позволяет получить нужную тепловую отдачу от батарей для отопления помещений.
Как результат, поддерживаются комфортные температурные условия.
Куда ставить котёл?
В частном доме, в помещении одноэтажного дома отопительные котлы лучше всего монтировать ниже уровня приборов для прогрева помещений. В квартирах ситуация обстоит несколько иначе. Здесь котлы часто ставятся на одном уровне с радиаторами, что не совсем эффективно. Поэтому монтаж лучше произвести как бы в яму, то есть поставить оборудование на перекрывающие плиты.
Для этого вокруг котла обычно выпиливается пол. «Яму» следует делать, соблюдая правила противопожарной безопасности. Они предполагают разравнивание основания тонкой стяжкой и укладку листов, изготовленных из железа и асбеста. Котёл в «яме» нагоняет лучший циркуляционный напор.
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.
Как работает система водяного отопления с естественной циркуляцией? Каковы основные принципы ее монтажа?
Какие основные схемы можно реализовать, не прибегая к помощи циркуляционного насоса? Давайте постараемся выяснить.
Что это такое
Если для системы с принудительной циркуляций нужен перепад давлений, создаваемый циркуляционным насосом или обеспеченный подключением к теплотрассе, то здесь картина иная. Отопление естественной циркуляцией использует простой физический эффект — расширение жидкости при нагреве.
Если отбросить технические тонкости, принципиальная схема работы такова:
- Котел нагревает некий объем воды. Так, понятное дело, расширяется и, благодаря меньшей плотности, вытесняется более холодной массой теплоносителя вверх.
- Поднявшись в верхнюю точку отопительной системы, вода, постепенно остывая, самотеком описывает круг по системе отопления и возвращается к котлу. При этом она отдает тепло отопительным приборам и к тому моменту, когда снова оказывается у теплообменника, имеет большую плотность, чем вначале. Далее цикл повторяется.
Полезно: понятное дело, ничто не мешает включить в схему циркуляционный насос. В штатном режиме он будет обеспечивать более быструю циркуляцию воды и равномерный прогрев, а при отсутствии электричества отопительная система будет работать с естественной циркуляцией.
На фото видно, как решена проблема взаимодействия насоса и системы естественной циркуляции. При работе насоса срабатывает обратный клапан, и вся вода идет через насос. Стоит его выключить — клапан открывается, и по более толстой трубе вода циркулирует за счет теплового расширения.
Общая информация
Основные моменты
- Отсутствие циркуляционного насоса и вообще подвижных элементов и замкнутый контур, в котором количество взвесей и минеральных солей конечно, делает срок службы системы отопления этого типа весьма продолжительным. При использовании оцинкованных или полимерных труб и биметаллических радиаторов — не менее полувека.
- Естественная циркуляция отопления означает довольно небольшой перепад давлений. Трубы и отопительные приборы неизбежно оказывают движению теплоносителя определенное сопротивление. Именно поэтому рекомендованный радиус интересующей нас системы отопления оценивается примерно в 30 метров. Понятно, это не означает, что при радиусе в 32 метра вода застынет — граница довольно условна.
- Инерционность системы будет довольно большой. Между растопкой или запуском котла и стабилизацией температуры во всех отапливаемых помещениях может пройти несколько часов. Причины понятны: котлу предстоит прогреть теплообменник, и лишь тогда вода начнет циркулировать, причем довольно медленно.
- Все горизонтальные участки трубопроводов делаются с обязательным уклоном по ходу движения воды. Он обеспечит свободное движение остывающей воды самотеком с минимальным сопротивлением. Что не менее важно — в этом случае все воздушные пробки будут вытеснены в верхнюю точку отопительной системы, где монтируется расширительный бачок — герметичный, с воздушником, или открытый.
Саморегуляция
Отопление дома с естественной циркуляцией — саморегулирующаяся система. Чем холоднее в доме, тем быстрее циркулирует теплоноситель. Как это работает?
Дело в том, что циркуляционный напор зависит от:
- Разницы в высоте между котлом и нижним отопительным прибором. Чем ниже котел относительно нижнего радиатора — тем быстрее вода будет переливаться в него самотеком. Принцип сообщающихся сосудов, помните? Этот параметр стабилен и неизменен в процессе работы отопительной системы.
Любопытно: именно поэтому отопительный котел рекомендуется устанавливать в подвале или просто как можно ниже внутри помещения. Однако автору доводилось видеть прекрасно функционирующую систему отопления, в которой теплообменник в топке печи был заметно выше радиаторов. Система была полностью рабочей.
- Разницы в плотности воды на выходе из котла и в обратном трубопроводе. Которая, понятно, определяется температурой воды. И вот именно благодаря этой особенности естественное отопление делается саморегулирующимся: как только температура в помещении падает, отопительные приборы остывают.
С падением температуры теплоносителя его плотность увеличивается, и он начинает быстрее вытеснять нагретую воду из нижней части контура.
Скорость циркуляции
Помимо напора, скорость циркуляции теплоносителя будет определяться рядом других факторов.
- Диаметром труб разводки. Чем меньше внутреннее сечение трубы, тем большее сопротивление она будет оказывать движению жидкости в ней. Именно поэтому для разводки в случае естественной циркуляции берутся трубы с намерено завышенным диаметром — ДУ32 — ДУ40.
- Материалом трубы. Сталь (особенно поврежденная коррозией и покрытая отложениями) оказывает потоку в несколько раз большее сопротивление, чем, к примеру, полипропиленовая труба с тем же сечением.
- Количеством и радиусом поворотов. Поэтому основную разводку по возможности лучше делать максимально прямой.
- Наличием, количеством и типом запорной арматуры , разнообразных подпорных шайб и переходов диаметра трубы.
Именно из-за обилия переменных точный расчет системы отопления с естественной циркуляцией выполняется крайне редко и дает весьма приблизительные результаты. На практике же достаточно воспользоваться уже приведенными рекомендациями.
Расчет мощности
Эффективная тепловая мощность котла рассчитывается теми же способами, что и во всех других случаях.
По площади
Простейший способ — рекомендованный СНиП расчет по площади помещения. 1 КВт тепловой мощности должен приходиться на 10 м2 площади помещения. Для южных районов берется коэффициент 0,7 — 0,9, для средней полосы страны — 1,2 — 1,3, для районов Крайнего Севера — 1,5-2,0.
Как и любой грубый подсчет, этот способ пренебрегает многими факторами:
- Высотой потолков. Она далеко не везде составляет стандартные 2,5 метра.
- Утечками тепла через проемы.
- Расположением помещения внутри дома или у внешних стен.
По объему с учетом дополнительных факторов
Более точную картину даст другой способ расчета.
- За основу берется тепловая мощность в 40 ватт на кубический метр объема воздуха в помещении.
- Районные коэффициенты действуют и в этом случае.
- Каждое окно стандартного размера прибавляет к нашим подсчетам 100 ватт. Каждая дверь — 200.
- Расположение комнаты у внешней стены даст в зависимости от ее толщины и материала коэффициент 1,1 — 1,3.
- Частный дом, у которого внизу и вверху — не теплые соседние квартиры, а улица, рассчитывается с коэффициентом 1,5.
Однако: и этот расчет будет ОЧЕНЬ приблизительным. Достаточно сказать, что в частных домах, построенных по энергосберегающим технологиям, в проект закладывается мощность обогрева в 50-60 ватт на КВАДРАТНЫЙ метр. Слишком многое определяется утечками тепла через стены и перекрытия.
Схемы разводки
Конкретных примеров и схем того, как может быть реализовано отопление с естественной циркуляцией своими руками, ОЧЕНЬ много. Мы приведем по одному примеру простейших решений для двухтрубной и однотрубной разводки.
Двухтрубная
Обозначения на схеме:
- Отопительный котел.
- Расширительный бак, который служит для компенсации изменения объема теплоносителя при колебаниях температуры и собирает вытесненный воздух.
- Отопительные приборы — конвектора или радиаторы.
Т1 — нагретая котлом вода, Т2 — остывшая. Красными и синими стрелками показано направление движения теплоносителя.
Здесь при разводке актуальны те же основные принципы, которые были перечислены выше:
- Котел устанавливается по возможности ниже радиаторов.
- По току воды делается уклон в 5-7 градусов.
- Розливы там, где от них запитаны несколько радиаторов, выполняются трубой не ниже ДУ32 мм. Желательно — полимерной или металлопластиковой. Подводки к радиаторам традиционно выполняются трубой ДУ20.
Важно: не путайте ДУ, примерно равной внутреннему сечению трубы, с ее внешним диаметром. В случае полипропилена внешний диаметр 32 миллиметра соответствует всего-то ДУ20.
Двухтрубное отопление частного дома с естественной циркуляцией при правильно подобранных диаметрах труб не требует балансировки, однако дроссели на подводках к радиаторам не помешают.
Наличие двух контуров по всему периметру дома будет довольно накладным: цена полипропиленовых армированных труб не так уж мала, да и сам монтаж займет значительное время. Поэтому для большинства одноэтажных домов применяется однотрубная разводка.
Однотрубная
Простейшая однотрубная схема барачного типа — Ленинградка.
Уклон и диаметр труб здесь такие же. Есть несколько нюансов, важных именно для этой схемы.
- Радиаторы не разрывают основное кольцо, а врезаются параллельно ему. Не переживайте, что в отопительных приборах не будет циркуляции — опыт доказывает обратное.
- Помимо расширительного бачка, воздушником снабжается каждый радиатор. Собственно, если не стравливать воздух полностью из одного отопительного прибора — без расширительного бачка и вовсе прекрасно можно обойтись. Если, конечно, система отопления закрытого типа (изолированная от атмосферного воздуха).
- Дроссели или термоголовки помогут выровнять температуру ближних к котлу и дальних радиаторов.
Заключение
Дополнительная информация о системах отопления с естественной циркуляцией, как всегда, в видео в конце статьи. Теплых зим!
Система водяного отопления позволяет подавать разогретый теплоноситель к радиаторам, которые могут быть расположены как угодно внутри здания. Это дает возможность очень гибко распределять тепловую энергию по всему дому в зависимости от необходимости. А котел может располагаться в любом подсобном помещении.
Нужно заметить, что водяное отопления весьма сложное, и в его создании должны участвовать специалисты – теплотехники, проектировщики, монтажники… Создание такой системы своими руками возможно, скорее, для небольших частных домов с использованием, так называемых, «народных» рекомендаций.
Принцип работы водяного отопления с самотечным движением теплоносителя
Водяное отопление можно классифицировать по степени сложности.
Простейшая схема основывается на саморецеркуляции теплоносителя. Трубопроводы и радиаторы размещаются таким образом, что бы в них создавался естественных ток воды. Это движение возникает за счет разности масс теплой и холодной жидкости. Как известно теплая жидкость (или газ) легче холодной и поднимается вверх, а холодная – опускается вниз.
Направление циркуляции воды следующее.
Нагретая в котле вода поднимается в самую высокую точку системы, откуда, по подающему трубопроводу опускается в радиаторы. Остывая в радиаторах, она движется по ним вниз к обратному трубопроводу, по которому возвращается снова в котел.
Что бы самотечная система водяного отопления функционировала нормально, необходимо, что бы в ней поддерживалась достаточно большая скорость движения жидкости. Для этого система должна соответствовать нескольким требованиям.
Требование к самотечному водяному отоплению
- Известно, что для поддержания нормальной скорости теплоносителя, разница температур между подачей (горячей трубой выходящей из котла) и обраткой (холодной трубой подводящей к котлу остывший теплоноситель) должна быть минимум 25 градусов. Система водяного отопления с самотечной подачей воды является саморегулирующейся. Чем холоднее в доме, и чем быстрее остывает вода, — тем выше ее скорость и больше скорость теплообмена между котлом и радиаторами. Теплоноситель отдает больше энергии в комнаты. Если остывание воды не значительное, — ее скорость движения уменьшиться, а температура поднимется. Это должно в свою очередь приводить к уменьшению энергоотдачи от котла за счет его регулирования автоматикой.
- Должно соблюдаться правило соотношения уровней котла и отопительных приборов. Греющая зона котла должна быть ниже центральной оси радиаторов, что бы холодная вода естественным образом стремилась в саму низкую точку, — к входу котла. Что бы выполнить это условие котлы в самотечной системе размещают как можно ниже, — или в приямке, или в подвальном помещении.
- Горячий и обратный трубопровод должны иметь разность высот начальной и конечной точек движения воды. Это значение должно быть таким, что бы средний уклон трубопроводов по ходу движения воды был не меньше чем 1:100. Конечно, по длине трубопроводы могут иметь какие угодно уклоны и изгибы, здесь речь идет только о среднем уклоне.
- Расстояние от котла до самого удаленного радиатора не должно превышать 30 метров (для уверенной работы системы, — рекомендуется не более 15 метров). Это требование вытекает из наличия сопротивлений движению воды. Только при указанных расстояниях (длинах трубопроводов) гидравлическое сопротивление трубопроводов не будет существенным препятствием для самоциркуляции воды.
- Также, с целью уменьшения гидравлического сопротивления, применяются трубопроводы повышенного диаметра и радиаторы с большой пропускной способностью. Рекомендуемые минимумы диаметров трубопроводов:
— на выходе из котла до расширительного бака – 50 мм;
— на разводку группы радиаторов 4 – 8 шт. (подача и обратка) – 40 – 32 мм;
— на подключение одного радиатора – минимум 20 мм. - Вся система должна быть полностью заполненная водой. В ней не должно находиться воздуха. Только в этом случае возможно нормальное движение воды. Для обеспечения работоспособности, в систему вводится расширительный бачок, который устанавливается в самой верхней точке. В этом баке сохраняется резерв воды системы, а также к нему подводится технический трубопровод, через который, в случае превышения уровня воды при нагревании, осуществляется ее сброс в канализацию.
}