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.
Расширительные баки
Одной из самых главных особенностей систем отопления с промежуточным теплоносителем, особенно это касается водяных систем, является та, что теплоноситель при нагревании расширяется, увеличивается в объеме, образуется избыточное давление, ему надо куда-то деваться. Расширительный бак способен выравнивать давление, что предотвращает деформацию системы в целом. Поэтому без него инсталляция системы невозможна.
Расширительные баки производятся двух типов:
- открытые, активно применяются для открытых систем с естественной или реже с принудительной (что не рекомендуется) циркуляцией теплоносителя, плюсы – простота конструкции, невысокая стоимость, минусы – склонность к возникновению коррозии, необходимость постоянного пополнения теплоносителя, монтажа в наивысшей точке;
- закрытые, монтаж производится только в системах, обладающих принудительной циркуляцией теплоносителя, бак – это герметичный сосуд с очень эластичной мембраной, расположенной внутри корпуса из металла, она бывает диафрагментарной или болоной, принцип работы довольно простой – в одной части находится воздух или накачивается газ инертного типа под заданным давлением, в другой место для образовавшегося дополнительного объема теплоносителя, плюсы – отсутствие необходимости долива жидкости, устойчивость к коррозии, минусы – более высокая стоимость.
Расширительные баки закрытого типа выпускаются двух видов – со сменной мембраной (так называемые фланцевые) или мембраной, смена которой невозможна. Давление может контролироваться с использованием манометра, а регулироваться путем установки предохранительного клапана.
Где можно применять самотечную систему отопления?
За чертой больших городов довольно часто отключают электричество. Поэтому люди хотят иметь некую систему, которая будет автономной и независимой от электрической энергии.
Наилучшим и, наверное, единственным способом качественного применение самотека будет одноэтажный дом. Если у вас одноэтажный дом площадью 300 квадратных метров и одно плечо может составлять 20 м в длину, то самотек работать не будет или будет источником серьёзного беспокойства. Значит, самотёк, хорош для одноэтажного строения, который имеет не очень большую площадь.
Обязательное условие наличия чердачного помещения.
Для чего нам нужно чердачное помещение?
Дело в том, что движение теплоносителя обеспечивается только разницей температур. Холодная вода в котле нагревается и становится легче. Вода расширяется, поднимается по главному вертикальному стояку и движется дальше по горизонтальному стояку так называемым лежаком. При движении горячая вода остывает и начинает опускаться вниз. Для того чтобы это движение было нормированным, нужен котёл для самотечной системы отопления. Его можно узнать по входной и выходной трубе большого диаметра. При наличии чердака можно расположить расширительный бак и трубы большого диаметра на чердаке. При этом все трубопроводы, проложенные на чердаке необходимо изолировать.
Соединение радиаторов должно находиться выше средней линии котла. На практике это выглядит как котёл стоящей не на полу кухни, а немного ниже на 20-30 см ниже уровня пола. Те, кто живут, в домах старой постройки, знают, что у них котел стоит на кухне в приямке.
Для чего это делается?
Для того чтобы обратные трубы которые приходят к котлу в тех местах где они пересекают двери, могли прокладываться в конструкции пола. Если все эти условия были выполнены, самотек будет работать замечательно.
Самотечное отопление плюсы гравитационной системы отопления
Прежде чем рассматривать положительные качества самотечных систем отопления с естественной циркуляцией воды стоит отдельно рассмотреть все минусы системы. Для многих первый и главный недостаток гравитационной системы отопления является ее архаичность. Действительно, это одна из самых древних систем отопления использующих жидкий теплоноситель. Именно с этой системы были в дальнейшем выработаны одно и двухтрубные схемы разводки, именно эта система использовалась для массовой установки, когда промышленность освоила отопительные твердотопливные а немного позже и газовые котлы отопления. Но с другой стороны гравитационная система отопления является и одной из самых надежных – срок ее эксплуатации составляет в среднем 45-50 лет. То есть ровно столько, сколько времени необходимо, чтобы под действием теплоносителя металлические трубы потеряли свою герметичность.
Второй момент заключается в невысоком коэффициенте полезного действия гравитационной системы отопления. Действительно, сама схема, основанная на естественной циркуляции воды, подразумевает инертность процесса прогрева помещения, пока отопительный котел наберет необходимую мощность, а разница температур между нагретым и охлажденным теплоносителем достигнет минимума, пройдет довольно много времени. Но с другой стороны, даже после того как котел перестанет поддерживать горение процесс циркуляции продолжается, при этом, большой объем воды в системе будет остывать намного дольше чем в системе с принудительной циркуляцией.
Еще одни минус может записать в свой актив гравитационная система отопления из-за своей громоздкости. На практике, при одинаковой площади отапливаемого помещения система с принудительной циркуляцией по сравнению с самотечной, будет занимать гораздо меньше места. В гравитационной системе отопления кроме батарей будут размещаться и трубы верхней разводки, без которых создание необходимого давления жидкости невозможно.
Ну и конечно, вопрос контроля температуры в отдельных радиаторах, и возможность ее регулировки. Гравитационная система отопления в классическом виде с однотрубной схемой постройки не может обеспечить такую функцию из-за невозможности перекрытия отдельного радиатора.
Но с другой стороны, это идеальная система для установки в домах, где нет электричества или постоянно возникают проблемы с его подачей. Гравитационная система отопления способна работать и без электричества, поскольку основной силой движения теплоносителя по системе выступает не циркуляционный насос, а тепловое расширение объема теплоносителя.
Большой объем теплоносителя в системе позволяет обеспечить плавный прогрев помещения. С другой стороны, такой объем нагретого теплоносителя и остывает гораздо медленнее, чем объем системы с принудительной циркуляцией. Особенно ярко это проявляется при отключении электричества или затухании топлива в топке. Система с принудительной циркуляцией остывает в 3-4 раза быстрее, чем такая архаическая гравитационная система отопления.
Это свойство часто используется при временном пребывании в доме – просто вместо обычной воды в систему вливается антифриз, и даже после полного остывания ни трубам, ни радиаторам угроза разрыва из-за замерзания воды не грозит.
Ну и конечно, просто необходимо отметить, что такая система просто безотказна в работе. При правильной ее эксплуатации она может прослужить около 50 лет, при этом у нее всего два фактора риска. Первый – это угроза перегрева котла, но и здесь это в основном зависит от человеческого фактора, а не от системы. Второй – это замерзание теплоносителя, но и в этом случае, применение антифриза сводит риск этой аварии практически к нулю.
Схема «Ленинградка»
«Ленинградка» – одна из самых простых, но тем не мене достаточно эффективных и экономичных отопительных схем разводки частного дома. Она похожа на однотрубную схему, то есть теплоноситель последовательно проходит по всем радиаторам помещения, постепенно теряя температуру нагрева. Магистральная труба размещается вдоль пола и закольцовывает контур от нагревательного устройства. Применять «Ленинградку» лучше всего в одноэтажных домах, чтобы все батареи находились на одном уровне. В этом случае система может работать при естественной циркуляции, но при её монтаже в двухэтажных домах необходимо применять принудительную подачу теплоносителя.
Достоинствами этой схемы являются:
- экономный расход материалов;
- легкий монтаж;
- длительная надёжная эксплуатация;
- возможность спрятать магистральную трубу под напольным покрытием для улучшения эстетичности интерьера.
Ленинградка» не лишена существенных недостатков:
- невозможность поддерживать одинаковый температурный режим во всех помещениях;
- горизонтальная разводка не позволяет подключать теплый пол или полотенцесушители;
- большая площадь помещения требует применение циркуляционного насоса для обеспечения рабочего давления в системе.
Теоретическая подковка – как работает самотек
Естественная циркуляция воды в системах отопления функционирует благодаря гравитации. Как это происходит:
- Берем открытый сосуд, наполняем водой и начинаем подогревать. Самый примитивный вариант – кастрюля на газовой плите.
- Температура нижнего слоя жидкости растет, плотность уменьшается. Вода становится легче.
- Под воздействием притяжения верхний более тяжелый слой опускается на дно, вытесняя менее плотную горячую воду. Начинается естественная циркуляция жидкости, называемая конвекцией.
Пример: если нагревать 1 м³ воды от 50 до 70 градусов, он станет легче на 10.26 кг (ниже смотрим таблицу плотностей при различных температурах). Если продолжить нагрев до 90 °С, то куб жидкости потеряет уже 12.47 кг, хотя дельта температур осталась прежней – 20 °C. Вывод: чем ближе вода к точке кипения, тем активнее происходит циркуляция.
Аналогичным образом теплоноситель циркулирует самотеком по домашней сети теплоснабжения. Подогреваемая котлом вода теряет вес и выталкивается кверху остывшим теплоносителем, вернувшимся из радиаторов. Скорость течения при перепаде температур 20–25 °C составляет всего 0.1…0.25 м/с против 0.7…1 м/с в современных насосных системах.
Малая скорость движения жидкости по магистралям и приборам отопления вызывает такие последствия:
- Батареи успевают отдать больше тепла, а теплоноситель – остыть на 20–30 °C. В обычной отопительной сети с насосом и мембранным расширительным баком температура падает на 10–15 градусов.
- Соответственно, котел должен производить больше тепловой энергии после запуска горелки. Держать генератор на температуре 40 °C бессмысленно – течение замедлится до предела, батареи станут холодными.
- Чтобы доставить до радиаторов потребное количество тепла, надо увеличить проходное сечение труб.
- Фитинги и арматура с высоким гидравлическим сопротивлением способны ухудшить либо вовсе остановить самотек. Сюда относятся обратные и трехходовые клапаны, резкие повороты на 90° и сужения труб.
- Шероховатость внутренних стенок трубопроводов не играет большой роли (в разумных пределах). Маленькая скорость жидкости – невысокое сопротивление от трения.
- Котел на твердом топливе + самотечная система отопления может спокойно работать без теплоаккумулятора и смесительного узла. Благодаря медленному течению воды конденсат в топливнике не образуется.
Как видите, в конвекционном движении теплоносителя присутствуют положительные и отрицательные моменты. Первые следует использовать, вторые – минимизировать.
Как правильно составить схему отопления?
Котёл отопления на чердаке
Составляя схему разводки отопительной системы, которая имеет естественную циркуляцию, нужно учесть особенности проектирования и правильно выбрать, и купить комплектующие элементы
- Магистральные трубы. Оптимальный диаметр для магистральных труб – 32 – 40мм. Это позволит компенсировать трение теплоносителя об их внутреннюю поверхность. Материал, который более всего отвечает этому требованию – полимеры. Трубы из полимеров идеально гладкие, что обеспечивает минимальное трение.
- Составляя схему разводки нужно максимально избегать поворотных элементов, увеличивающих гидравлическое сопротивление в отопительной системе.
- Длина разгонного стояка должна превышать высоту последнего потолка в строении, а бачок вообще устанавливается на чердаке.
- Необходимо подбирать «правильную» запорную арматуру, которая не будет влиять на работу всей системы отопления с естественной циркуляцией.
ВАЖНО! Что исключить изменение потока теплоносителя, обязательно нужно установить на «обратку» клапан. Особенно это важно при запуске системы с небольшой разницей температуры воды.
Почему так важен уклон?
Система теплообеспечения с принудительной циркуляцией и естественной мало отличаются друг от друга. Разводка, применяемые материалы, радиаторы отопления, все это может быть идентичным, но вот наличие уклона – обязательно!
Уклон – расположение подающего трубопровода в наклонном состоянии от разгонного стояка к радиаторам отопления. Соотношение нижней и верхней точки стояка должно быть 1 к 10, что обозначает отклонение каждого метра трубы должно составлять 1 см. Это по отношению к подающей трубе. Для «обратки» применяется уклон в противоположную сторону. То есть, от отопительных радиаторов выполняется уклон к нагревательному прибору (котлу). Это дает возможность создавать гравитационное воздействие на воду, проходящую по обратной магистрали.
Преимущества отопительной системы на основе естественной циркуляции
Минимальный набор оборудования для данной системы
Чаще всего, владельцы жилья выбирают отопительные системы с естественной циркуляцией по следующим причинам:
- Легкость монтажа, эксплуатации и обслуживания системы.
- Не требуется устанавливать дополнительное оборудование, что экономит финансы домовладельца.
- Экономия электроэнергии. Даже если нет электропитания для котла, система будет продолжать функционировать. Такая энергонезависимость позволяет сохранить тепло в доме при морозах и отсутствии электричества.
- Ремонтопригодность. В случаях протечки или выхода из строя батареи домовладелец может легко устранить неполадки не вызывая специалистов.
- При снижении температурных показателей система саморегулируется: поток теплоносителя увеличивается.
- Возможность самостоятельной установки системы.
Есть ли недостатки в отопительных системах с естественной циркуляцией?
Без уклона такие трубы монтировать нельзя
Недостатки тоже присущи системе теплоснабжения, которая функционирует самотеком:
- ограничение по длине магистральных труб и объему помещения для отопления
- высокие показатели по инертности
- необходимость уклона
- желательно выполнять открытую разводку
- осуществление постоянного контроля уровня воды в баке расширения
- желательно применять магистральные трубы с увеличенного диаметра
- возможность замерзания при слабом потоке
Выбирайте оптимальный вариант для теплоснабжения дома, который будет вам выгоден!
Способы прокладки труб
Разобравшись с котлом, можно переходить к выбору схемы прокладки труб. Здесь сложностей возникнуть не должно.
Существует три основных разновидности:
- Однотрубная. В этом случае по периметру комнаты прокладывается магистральная труба, в которую врезаются батареи. Схема установки последних может быть последовательной (теплоноситель протекает через каждый отопительный элемент, другого пути у него нет) и параллельной (вода течет по трубе и попадает в батареи с помощью отводных каналов, идущих к входному и выпускному патрубкам радиатора).
Способы врезки радиаторов в однотрубной системе отопления
- Двухтрубная. Здесь прокладывается два канала – один для подачи горячей воды, другой – для возврата теплоносителя к отопительному оборудованию. Более гибкая система, которая позволяет точно регулировать температуру в комнатах и дает возможность ремонтировать или менять радиаторы без остановки работы всей системы обогрева.
Двухтрубная попутная схема прокладки труб
Двухтрубная схема имеет две разновидности:
- тупиковая система отопления – в этом случае пара магистралей идет до последней комнаты, где и соединяется перемычкой;
- попутная система отопления – магистрали с теплоносителем обходят все комнаты и возвращаются к котлу.
Вторая разновидность предпочтительнее: на ее производство уйдет меньше материалов.
Двухтрубная тупиковая схема прокладки труб
- Коллекторная. Теплоноситель подается к коллектору, который распределяет его в каждую батарею отдельно. Наиболее гибкая система, но монтаж требует слишком больших денежных вложений.
Коллекторная схема разводки
Разновидности схем подключения радиаторов
Характерно, что для хорошего отопления недостаточно того, чтобы котлы хорошо нагревали воду
Очень важно для поступления теплоносителя в радиаторы правильно их подключить. На практике для однотрубного используется нерегулируемое последовательное подключение
Правда, этой проблемы удастся избежать, если у вас будет использована двухтрубная система. Данная система также не использует регулятор, однако, если радиатор завоздушится, система будет функционировать, поскольку вода будет проходить через перемычку (байпас). Правда для такой системы, как теплый пол, данный вариант не подходит.
Установка за перемычкой двух шаровых кранов позволяет, перекрыв поток, снять или отключить радиаторы, при этом систему останавливать не нужно. Так правильный расчет радиаторов отопления позволит Вам помещение оснастить теплоаккумулятором.
Правила монтажа контура без насоса
Тепловые насосы воздух-воздух для отопления частного дома
Теперь поговорим, как сделать циркуляцию воды без насоса. Любая разновидность гравитационной схемы имеет общий минус, который заключается в отсутствии давления в сети. Именно поэтому работоспособность системы снижается из-за повышенного количества поворотов трубопроводов, неправильного уклона и других погрешностей во время монтажа.
Для правильной организации контуров без насоса придерживайтесь следующих требований:
- Соблюдайте минимально необходимый уклон обратного трубопровода в сторону нагревательного оборудования.
- Для устройства разводки выбирайте трубы подходящего диаметра и типа.
- Учитывайте используемый тип теплоносителя и особенности его подачи.
Подбор трубопроводов и их уклона
Чтобы обустроить водяное отопление в частном доме без насоса, нужно правильно подобрать диаметр трубопровода и рассчитать его уклон.
Для организации самотечной сети можно использовать следующие виды труб:
- Стальные трубопроводы стоят недорого, достаточно прочные, выдерживают высокое давление. Главный недостаток в низкой коррозионной стойкости, особенно в завоздушенных сетях.
- Металлопластиковые конструкции благодаря гладкой внутренней поверхности не так быстро засоряются. Они мало весят, не подвержены коррозии и имеют небольшое линейное расширение.
- Полипропиленовые трубопроводы обладают высокой герметичностью, прочностью. Они просто монтируются, служат долго и устойчивы к замерзанию. Для монтажа трубопровода понадобится специальное паяльное оборудование.
- Медные трубы стоят очень дорого, поэтому применяются редко. Это самые долговечные и красивые трубопроводы с хорошей теплоотдачей.
Выбор диаметра трубопровода производится на основе теплотехнического расчета. При превышении сечения магистрали увеличиваются расходы на отопление, а теплоотдача снижается. Диаметр стального трубопровода не должен быть меньше 50 мм.
Выбор теплоносителя
Естественная циркуляция в системе отопления частного дома может быть организована с использованием жидкого теплоносителя – воды или антифриза. Чаще используют воду, потому что меньшая теплоотдача и большая плотность антифриза повышают расходы топлива и времени на обогрев дома.
Антифриз стоит выбрать в том случае, если дом в холодный сезон будут надолго покидать либо посещать его с определенной периодичностью, а постоянно сливать воду из системы не хочется. В пользу антифриза говорит его лучшая текучесть, облегчающая циркуляцию теплоносителя, а также устойчивость к замерзанию.
Выбор нижнего или верхнего подключения подачи
Отопление самотеком можно организовать с нижним и верхним подключением подачи теплоносителя к отопительным приборам.
Особенности каждой подачи следующие:
- При нижней подаче теплоносителя трубопроводы прокладываются на уровне пола, поэтому не портят интерьер помещения. Однако однотрубные системы с нижней разводкой отличаются низкой тепловой эффективностью, поэтому такое подключение используют при высоком давлении в сети.
- Верхняя подача теплоносителя более всего подходит для устройства в частном доме с естественной циркуляцией. Трубопроводы прокладываются под потолком. Поскольку жидкость в радиаторы подается сверху, через краны Маевского легко стравливается воздух. Однотрубная разводка с верхней подачей более эффективная, чем с нижним подключением.
Ошибки при подборе способа подачи могут привести к низкой эффективности системы. Решить проблему получится только установкой циркуляционного насоса для создания лучшего тока теплового носителя.
Что обозначает расчет гидравлики и зачем он нужен
Сделать гидравлический расчет отопления – это значит правильно подобрать параметры определенных участков сети с учетом давления, чтобы по ним осуществлялся определенный расход теплоносителя.
Этот расчет дает возможность определить:
- Потери давления на различных участках сети;
- Пропускную способность трубопровода;
- Оптимальный расход жидкости;
- Необходимые показатели для выполнения гидравлической увязки.
Совмещая все полученные данные можно подобрать отопительные насосы.
Количество попадающего в радиаторы источника тепла должно быть таким, чтобы получился обогревающий баланс внутри здания с учетом уличной температуры и температуры, заданной пользователем для каждой комнаты в отдельности.
Если отопление автономное, можно использовать такие методы расчета:
- Используя характеристики сопротивления и проводимости;
- По удельным расходам;
- Путем сравнивания динамического давления;
- По различным длинам, приведенным к одному показателю.
Расчет гидравлики – один из важнейших этапов при разработке систем отопления с жидким теплоносителем.
Прежде чем приступить к его осуществлению необходимо:
- Определить баланс тепла в необходимых помещениях;
- Выбрать тип приборов отопления и разместить их на чертежах здания;
- Решить вопросы по конфигурации обогревательной системы, а также по видам применяемых труб и арматуры;
- Начертить схему системы отопления, где будут видны номера, нагрузки и длины необходимых участков;
- Определить основное циркуляционное кольцо, по которому движется теплоноситель.
Обычно для зданий с малым количеством этажей применятся двухтрубная отопительная система, а для построек с большой этажностью – однотрубная.
Закрытая самотечная система
Большой диаметр труб предполагает большое количество теплоносителя. А при нагреве любой жидкости, она расширяется. Для этого создаются расширительные бачки. Такие расширительные баки бывают двух видов: открытые, закрытые.
Открытые собой открытые емкости, куда выдавливаются из системы излишки теплоносителя. Дополнительная безопасность, чтобы не было перелива устанавливают трубу, отходящую к стоку, которая так называется – перелив. Данный расширительный бак можно изготовить самостоятельно, а можно приобрести. Данная система открыта, из расширительного бачка жидкость испаряется, поэтому для такой отопительной системы можно использовать только воду, так как антифриз быстро испариться. Периодически требуется доливать воду для пополнения общего объема, сохранении его наполненности.
Закрытые расширительные баки – емкости, разделенные на две части специальной мембраной. Одна половина такого бака заполняется излишками теплоносителя, вторая половина заполнена газом (воздухом или азотом). Нагретая вода вытесняется в расширительный бачок, растягивает мембрану, сжимая газ во второй полости, когда температура жидкости снижается, давление газа и мембрана возвращают теплоноситель в систему. Итогом будет отсутствие потери жидкости, система отопления всегда заполнена, нет необходимости доливать теплоноситель, можно использовать антифриз.
