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.
Схема для расчета высоты уровня воды
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.
Если вы решили обустроить систему отопления для коттеджа или загородного дома, то необходимо подумать об экономичности, максимальной надежности и простоте проведения работ.
Особенности обустройства
Если речь идет о принудительной циркуляции теплоносителя в системе трубопровода, то в процессе проведения работ нужно будет установить насос, который должен располагаться на участке теплотрассы. Благодаря подобному взаимодействию появится возможность обеспечить более быстрое и постоянное перемещение воды. В качестве недостатка в данном случае можно выделить затраты на установку дополнительного оборудования. Если вас интересует схема частного дома, то в установке насоса не будет необходимости. Это обусловлено тем, что плотность горячей воды гораздо ниже, чем у холодной. За счет этого и осуществляется выталкивание одной жидкости другой. Теплоноситель, передвигаясь по магистрали, отдает определенную часть тепла батареям, постепенно остывая. Возвращаясь обратно, холодная жидкость вытесняет горячую и легкую в трубы. Этот цикл повторяется постоянно. Процесс никак нельзя будет приостановить до тех пор, пока котел будет греться. Если есть необходимость, то схема отопления с естественной циркуляцией (частного дома это касается в первую очередь) может быть в любой момент дополнена насосом, который хозяева смогут задействовать при необходимости для быстрого и равномерного нагрева жилища.
Главные положительные характеристики
Присутствие насоса влечет дополнительные затраты на электроэнергию. Тогда как его отсутствие, напротив, позволяет хорошо экономить. Подобные системы являются совершенно бесшумными и не вызывают лишних вибраций. Система (с естественной циркуляцией) «Ленинградка» обладает массой преимуществ, среди них можно выделить уникальную способность к возможности саморегулирования, весьма длительный срок безотказного функционирования, который составляет 30 лет, тепловую устойчивость и высокую ремонтопригодность.
Подготовка к проведению работ
Если вы решили самостоятельно произвести то вами должна быть рассмотрена схема отопления (с естественной циркуляцией) частного дома. Контур будет содержать определенный набор элементов. Помимо прочего, в ней имеются: расширительный бачок, располагаемый в наивысшей точке; трубопровод, который может быть одинарным или двойным; отопительные радиаторы, а также котельное оборудование. Последнее будет нагревать теплоноситель. Перед началом работы важно помнить о том, что скорость и сила, с которыми вода будет передвигаться по отопительной системе, зависят от объема, веса, а также плотности горячей жидкости. Не менее важную роль играет и внутренний диаметр труб, от этого параметра зависит коэффициент сопротивления, а также высота монтажа отопительных радиаторов по отношению к котлу. Мастер должен знать, что особые требования предъявляются к горизонтально ориентированным трубопроводам. Их нужно устанавливать с обязательным уклоном, который составляет 5 миллиметров на метр, обратив трубы по направлению движения. Только так остывшая вода будет стремиться к котлу. Схема отопления (с естественной циркуляцией) частного дома предполагает установка меньшего количества элементов на пути теплоносителя, которые были бы способны увеличить сопротивление.
Расчет мощности перед началом монтажа
Если вами была выбрана схема отопления частного дома с естественной циркуляцией, то перед началом обустройства системы нужно определить мощность котельного оборудования. Осуществить такие расчеты можно любым из приведенных ниже способов. Первый предполагает использование объема, второй - площади. Мастер должен помнить о том, что каждый из этих вариантов позволяет получить лишь приблизительные результаты при самых идеальных условиях. Если постройка не утеплена, следует приобретать оборудование с незначительным запасом. Тогда как для энергосберегающих строений достаточно будет принять в качестве значения мощности на квадратный метр цифру в пределах 60 Вт.
Определение мощности по объему
Если вами будет реализовываться частного дома с естественной циркуляцией, то наиболее точным будет расчет по объему отапливаемой комнаты. Первоначально предстоит определить данную величину, умножив ее на 40 Вт. На следующем этапе предстоит добавить поправочные коэффициенты. Если речь идет о частном доме, а помещение граничит с улицей сверху и снизу, то нужно умножить полученный результат на 1, 5. При наличии помещения, которое располагается возле утепленной стены, значение следует умножить на 1,1. При наличии неутепленной стены умножение производится на 1,3. Что касается каждой двери, которая выходит на улицу, то для них нужно прибавить 200 Вт. Для окна необходимо прибавить 100 Вт, в качестве минимального значения выступает показатель, равный 70, коэффициент в каждом конкретном случае будет зависеть от габаритов проема.
Определение мощности по площади
Если будет обустраиваться закрытая система отопления частного дома с естественной циркуляцией, то можно осуществить и по площади. Наиболее простой методикой считается определение мощности котла по рекомендациям СНиП. Предполагается, что на 10 квадратных метров необходим 1 кВт мощности. Общая площадь дома должна быть умножена на 0,1. Важно принять во внимание разные коэффициенты, каждый из которых используется для определенных территориальных областей. Например, для Крайнего Севера этот показатель может варьироваться в диапазоне от 1,5 до 2. Для средней полосы эти цифры меняются, начиная от 1,2 и заканчивая 1,4. Если речь идет о южных районах страны, то коэффициент может быть равен 0,8-0,9.
Проведение монтажных работ: двухтрубная система
Водяная система отопления частного дома с естественной циркуляцией может быть обустроена по двухтрубной схеме. Несмотря на то что монтажные работы в данном случае являются более сложными, распространение получила именно данная схема. При ее реализации жидкость будет передвигаться по двум трубам, одну из которых предстоит проложить сверху, где будет протекать разогретая вода; тогда как вторую нужно расположить снизу, там будет течь остывшая жидкость.
Технология проведения работ
Если вами рассматриваются схема и особенности монтажа отопления (с естественной циркуляцией) частного дома, то можно использовать двухтрубную систему. Проведение данных работ предполагает соблюдение определенной инструкции. На первом этапе мастер должен выбрать место, где будет располагаться накопительный агрегат.
Над котлом монтируется расширительный бачок, а соединить эти элементы между собой можно вертикальной трубой, которую после монтажа нужно обернуть утеплителем. Примерно на уровне трети расширительного бачка нужно врезать верхнюю трубу, предназначенную для транспортировки разогретой жидкости. Замеряем расстояние от верхней точки до пола, после чего подсоединяемся к разводке. Производятся данные работы на высоте 2/3. Ближе к верхней части расширительного бачка врезается еще одна труба, которая будет являться переливной. С помощью нее в канализацию будут удаляться излишки. На следующем этапе трубы подводятся к радиаторам отопления. Батареи нужно соединить с нижним трубопроводом, монтаж которого осуществляется параллельно по отношению к верхнему.
Когда устраивается система отопления частного дома (с естественной циркуляцией) своими руками, важно постараться расположить трубы максимально точно. При этом должна быть обеспечена оптимальная разница высот между котлом и радиаторами. Первый необходимо монтировать ниже нагревательных приборов, поэтому лучше всего приобрести напольное устройство, которое будет удобно расположить в подвале или специальном углублении.
Нюансы проведения работ
Чердачное помещение обязательно должно быть теплоизолированным. Если температура в нем будет излишне низкой, то есть вероятность того, что жидкость в трубах замерзнет. Важно придерживаться нескольких правил, одно из которых предполагает расположение верхней трубы с некоторым уклоном, который должен составить примерно 7 градусов. Если есть возможность, то котельное оборудование нужно расположить значительно ниже, чем отопительные приборы. Посетив магазин перед началом работ, вы должны выбрать трубы, выполненные из металлопласта или полимеров. Внутренний диаметр изделий должен составить 32 миллиметра. Балансировку двухтрубного отопления, если трубы были подобраны правильно, производить не придется. Однако установить дросселя на подводках к каждому радиатору нужно будет обязательно.
Нельзя не отметить, что на прокладку двух контуров будет затрачено достаточно большое количество денег. У мастера это займет много времени, однако такая система является более эффективной и предпочтительной.
Монтаж однотрубной системы
Если вами будет прокладываться система отопления частного дома (с естественной циркуляцией), фото подобных схем желательно рассмотреть еще до момента начала работ. Если вы решили использовать однотрубную систему, то сможете сократить монтажные затраты. При этом нужно будет проложить всего лишь одну трубу. Система будет иметь циклический замкнутый контур, который предполагает расположение радиаторов параллельно основному кольцу. Разрывать его в определенных точках не потребуется. Можно будет оснастить воздушником каждый радиатор. Подобное решение предоставит возможность избавляться от воздуха на каждом из отдельных участков. Для выравнивания температуры нужно будет монтировать дроссели и термоголовки. Сегодня достаточно популярна однотрубная закрытая система отопления. В некоторых случаях вы можете пренебречь наличием расширительного бачка, изолировав, таким образом, теплоноситель. Как известно, в принудительной системе скорость передвижения теплоносителя по системе трубопроводов зависит от производительности насосного оборудования. С естественной циркуляцией дела обстоят иначе. Для увеличения скорости передвижения воды необходимо придерживаться определенных правил. Запорная арматура должна быть подобрана максимально правильно, важно следить за переходами диаметров. Не стоит снабжать систему многочисленными поворотами, которые могут стать непреодолимым препятствием для теплоносителя. Мастер должен свести к минимуму любые препятствия, стараясь сделать участки максимально прямолинейными.
Подобная система отопления (с естественной циркуляцией) частного дома, схема которой предполагает наличие всего лишь одной трубы, обустраивается с использованием изделий, внутренний диаметр которых может изменяться в пределах от 32 до 40 миллиметров. Внутренняя поверхность труб должна быть максимально ровной, идеальной, только так удастся исключить скапливание отложений, а вот металлические аналоги рассматривать и вовсе не стоит.
Заключение
Система отопления частного дома с естественной циркуляцией, без радиаторов, позволит вам сэкономить немало денежных средств. Однако перед проведением данных работ стоит рассмотреть целесообразность их осуществления.
При отсутствии ли нестабильной подаче электроэнергии системы отопления частных домов часто организуют на базе схемы с естественной циркуляцией теплоносителя. Такая схема является полностью энергонезависимой, способна обеспечить нужды отопления небольших домов площадью до 60 – 70 м 2 . Материал статьи описывает принцип работы, устройство и виды системы с гравитационной циркуляцией, дает рекомендации по выбору материалов и монтажу.
Принцип работы схемы с естественной циркуляцией
Принцип работы самотечной системы отопления базируется на теплофизических свойствах воды. При нагреве жидкость приобретает меньшую плотность и соответственно – массу. Горячий теплоноситель, нагретый в котле, поднимается по вертикальному трубопроводу, часто называемому разгонным коллектором.
Освободившееся пространство естественным образом занимает более холодный теплоноситель, имеющий более высокую плотность и массу, сосредоточенный в нижней части системы. За счет образования разницы плотностей холодного и горячего теплоносителя возникает постоянный цикл движения воды в системе отопления.
Гравитационная составляющая циркуляции улучшается сооружением трубопроводов системы с нормативным уклоном, который составляет не менее 2 мм на 1 погонный метр длины. Уклон ориентирован в сторону движения теплоносителя.
Вода в процессе работы системы имеет малую скорость движения, на качество циркуляции отрицательно влияют любые гидравлические сопротивления. Схема работает без наличия насосного оборудования и потребления электрической энергии.
Устройство системы с естественной циркуляцией
Базовый элемент системы отопления – котел – располагается в нижней точке системы. От теплогенератора поднимается вертикальный разгонный коллектор. Рекомендуемая высота коллектора – от 2,5 метров, диаметр трубопровода – не менее 50 мм.
На верхней точке разгонного коллектора, в месте поворота трубопровода к радиаторам, располагают расширительный бак открытого типа. Расширительный бак по желанию оборудуют линией перелива, соединенной с канализацией. Через нее излишки воды, образовавшиеся при нагреве и расширении, переливаются в канализацию.
Расширительный бак может оборудоваться линией подпитки, соединенной с системой водопровода. В отсутствии линии подпитки пополнение системы водой производится вручную. Расширительные баки при размещении в неотапливаемом помещении должны качественно утепляться.
Экспанзомат, кроме функций компенсации теплового расширения и подпитки, выполняет функцию естественного воздухоотводчика. Трубопроводы монтируются с уклоном таким образом, что пузырьки воздуха не уносятся в систему, так как вода имеет малую скорость, а поднимаются в верхнюю точку, на которой установлен РБ.
Из верхней точки разгонный коллектор меняет направление на горизонтальное и с нормативным уклоном прокладывается к радиаторам отопления. Система отопления в части обвязки радиаторов имеет 2 разновидности:
- Однотрубная;
- Двухтрубная.
Однотрубная система с естественной циркуляцией обладает свойством снижения температуры на каждом последующем радиаторе в ряду.
Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией
Сооружение байпасов для улучшения качества регулирования создает излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому система чаще всего сооружается по простейшему принципу – радиаторы подключают к трубопроводу подачи последовательно, с последнего радиатора выходит обратный трубопровод и подсоединяется к котлу.
Наиболее эффективным по теплоотдаче считается диагональное подключение радиатора, менее качественными – боковое (при вертикальной разводке) и нижнее. Несовершенство однотрубной системы – снижение температуры на радиаторах – можно частично компенсировать увеличением числа секций на последних радиаторах.
Двухтрубная схема системы отопления более удобна в регулировании. Здесь радиаторы подключены к подающему и обратному трубопроводу параллельно.
Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией
Для монтажа системы этого типа требуется большее количество трубы, соответственно схема имеет большее гидравлическое сопротивление. Регулирование температуры на радиаторах производится 2 методами:
- Принудительное, с помощью запорной арматуры;
- Естественное, за счет поэтапного изменения диаметра трубопроводов.
Принудительное регулирование можно производить шаровыми кранами, имеющими полнопроходное сечение. Регулирующие вентили малопригодны для этой задачи, так как обладают высоким гидравлическим сопротивлением и имеют сниженное проходное сечение.
Поэтапное изменение диаметра производится по принципу постепенного уменьшения диаметра подачи к последнему радиатору и постепенному расширению обратки от него к котлу. Выполнение такой схемы требует тщательного расчета, выполнить самостоятельно который довольно трудно.
Оба метода регулирования в любом случае значительно повышают гидравлическое сопротивление системы в целом, что отрицательно влияет на качество циркуляции и может привести к ее остановке. Поэтому большей популярностью пользуется все же однотрубная система, даже со своим недостатком – разницей температур в начале и в конце контура отопления.
Для систем отопления с естественной циркуляцией, предназначенных для отопления домов площадью не более 70 м 2 , падение температуры на последнем радиаторе может составлять 5 – 10 0 С. Обычно этот недостаток частично нивелируется увеличением числа секций последних в ряду приборов отопления. Кроме того, однотрубные схемы часто модернизируют установкой циркуляционного насоса.
В систему отопления с естественной циркуляцией иногда интегрируется бойлер косвенного нагрева. Его рекомендуется устанавливать в верхней точке разгонного коллектора, трубопровод выхода теплоносителя с бойлера направляют в горизонтальном направлении с уклоном к радиаторам. Работа бойлера в самотечной схеме не отличается высоким качеством – температура воды в нем не регулируется, температура воды напрямую зависит от температуры теплоносителя.
Подключение контуров теплых полов к системам гравитационного типа не производится. Это обусловлено тем, что отдельные контуры водяных теплых полов имеют большое сопротивление, циркуляция возможна только с помощью циркуляционного насоса. Установка насоса в точках подключения полов к системе с гравитационной циркуляцией внесет резкий гидродинамический дисбаланс и может нарушить принципы естественного циркулирования.
Материалы и оборудование системы отопления
- Котел следует размещать в нижней точке системы;
- Уклон трубопроводов должен быть не менее 2 мм на 1 погонный метр длины;
- Система монтируется с минимумом гидравлических сопротивлений – поворотов, сужений, минимальным числом запорной арматуры.
В качестве теплогенераторов для систем гравитационного типа применяются в основном напольные котлы, имеющие увеличенные диаметры подключения и размеры теплообменника по сравнению с настенными моделями.
Основным видом приборов отопления для самотечной схемы являются чугунные радиаторы. Они обладают увеличенным проходным сечением секций устройства.
Чугунный радиатор в системе с естественной циркуляцией
Другие виды радиаторов (а также конвекторы) имеют малое внутреннее сечение и создают излишнее сопротивление.
Зачастую системы с естественной циркуляцией выполняются вообще без приборов отопления – по периметру помещений прокладываются стальные трубы. В этом случае циркуляция имеет лучшие параметры, но для достижения требуемой величины поверхности теплообмена может требоваться увеличение диаметра трубопроводов. К тому же такая конфигурация отопления малопривлекательна внешне, занимает много места.
Для монтажа отопления применяются в основном стальные трубы.
Трубопроводы для отопления из стали
Разгонный стояк в любом случае сооружается из стали, так как температура в зоне котла достигает высоких значений. Несколько реже применяются трубы из стабилизированного полипропилена. Рекомендуемый диаметр трубопроводов – 32 мм и больше.
Другие полимерные трубопроводы – металлопластик, трубы из сшитого полипропилена – применять не рекомендуется. Фитинги этих систем значительно снижают проходное сечение и создают излишнее гидравлическое сопротивление, препятствующее естественной циркуляции.
Прокладку трубопроводов отопления следует производить открыто. Скрытая прокладка подразумевает значительное увеличение числа соединений и поворотов.
Достоинства и недостатки системы с естественной циркуляцией
Достоинствами схемы с гравитационным движением теплоносителя являются следующие показатели:
- Полная энергонезависимость;
- Простота устройства и эксплуатации.
Система с естественной циркуляцией обладает и массой недостатков:
- Сложность регулирования;
- Неравномерное распределение тепла;
- Непривлекательный внешний вид;
- Ограничения по тепловой мощности;
- Сложность самостоятельного монтажа – требуется привлечение сварщика.
Система отопления с естественной циркуляцией используется сейчас больше как вынужденная мера. Главная причина строительства гравитационного водяного отопления – серьезные перебои в электроснабжении. Тем не менее, в некоторых ситуациях сооружение гравитационного отопления является единственно возможным техническим решением для обогрева частных домов и дач.
Сооружение автономной сети отопления гравитационного типа выбирают, если нецелесообразно, а иногда и невозможно установить циркуляционный насос или подключиться к централизованному электроснабжению.
Такая система обходится дешевле в обустройстве и полностью независима от электричества. Однако ее работоспособность во многом зависит от точности проектирования.
Чтобы система отопления с естественной циркуляцией функционировала бесперебойно, необходимо рассчитать ее параметры, правильно установить компоненты и обоснованно выбрать схему водяного контура. Мы поможем в решении этих вопросов.
Мы описали главные принципы работы гравитационной системы, привели советы по выбору трубопровода, обозначили правила сборки контура и размещения рабочих узлов. Отдельное внимание мы уделили особенностям проектирования и функционирования одно- и двухтрубной схемам отопления.
Процесс движения воды в контуре отопления без применения циркуляционного насоса происходит в силу естественных физических законов.
Понимание природы этих процессов позволит грамотно для типовых и нестандартных случаев.
Галерея изображений
Максимальная разность гидростатического давления
Основное физическое свойство любого теплоносителя (воды или антифриза), которое способствует его движению по контуру при естественной циркуляции – уменьшение плотности при увеличении температуры.
Плотность горячей воды меньше, чем холодной и поэтому возникает разница в гидростатическом давлении теплого и холодного столба жидкости. Холодная вода, стекая к теплообменнику, вытесняет горячую вверх по трубе.
Движущей силой воды в контуре при естественной циркуляции является перепад гидростатического давления между холодным и горячим столбами жидкости
Отопительный контур дома можно условно разделить на несколько фрагментов. По “горячим” фрагментам вода направляется вверх, а по “холодным” – вниз. Границами фрагментов являются верхняя и нижняя точка системы отопления.
Главной задачей при моделировании воды является достижение максимально возможной разницы между давлением столба жидкости в “горячем” и “холодном” фрагментах.
Классическим для естественной циркуляции элементом водяного контура является коллектор разгона (главный стояк) – вертикальная труба, направленная вверх от теплообменника.
Коллектор разгона должен иметь максимальную температуру, поэтому его утепляют на всей протяженности. Хотя, если высота коллектора не велика (как для одноэтажных домов), то можно не проводить утепление, так как вода в нем не успеет остыть.
Обычно систему проектируют таким образом, чтобы верхняя точка коллектора разгона совпадала с верхней точкой всего контура. Там устанавливают выход на или клапан для отвода воздуха, если используют мембранный бак.
Тогда длина “горячего” фрагмента контура является минимально возможной, что приводит к уменьшению теплопотерь на этом участке.
Также желательно, чтобы “горячий” фрагмент контура не сочетался с длительным участком, транспортирующим остывший теплоноситель. В идеале нижняя точка водяного контура совпадает с нижней точкой теплообменника, помещенного в устройство нагрева.
Чем ниже в системе отопления расположен котел, тем меньше гидростатическое давление столба жидкости в горячем фрагменте контура
Для “холодного” сегмента водяного контура тоже есть свои правила, увеличивающие давление жидкости:
- чем больше теплопотери на “холодном” участке отопительной сети , тем ниже температура воды и больше ее плотность, поэтому функционирование систем с естественной циркуляцией возможно только при значительной теплоотдаче;
- чем больше расстояние от нижней точки контура к подключению радиаторов , тем больше участок столба воды с минимальной температурой и максимальной плотностью.
Чтобы обеспечить выполнение последнего правила, часто печь или котел устанавливают в самой нижней точке дома, например, в подвале. Таким размещением котла обеспечивают максимально возможное расстояние между нижним уровнем радиаторов и точкой входа воды в теплообменник.
Однако высота между нижней и верхней точками водяного контура при естественной циркуляции не должна быть слишком большой (на практике не более 10 метров). Печь или котел, нагревают только теплообменник и нижнюю часть коллектора разгона.
Если этот фрагмент незначителен относительно всей высоты водяного контура, то падение давления в “горячем” фрагменте контура будет несущественным и процесс циркуляции не будет запущен.
Использование систем с естественной циркуляции для двухэтажных строений вполне оправдано, а для большей этажности будет необходим циркуляционный насос
Минимизация сопротивления движению воды
При проектировании системы с естественной циркуляцией необходимо учитывать скорость движения теплоносителя по контуру.
Во-первых , чем быстрее скорость, тем быстрее будет происходить передача тепла по системе “котел – теплообменник – водяной контур – радиаторы отопления – помещение”.
Во-вторых , чем быстрее скорость жидкости через теплообменник, тем меньше вероятность ее закипания, что особенно важно при печном отоплении.
Закипание воды в системе может обойтись очень дорого – стоимость демонтажа, ремонта и обратной установки теплообменника требует много времени и средств
При водяном отоплении с естественной циркуляцией скорость зависит от следующих факторов:
- разницы давления между фрагментами контура в нижней его точке;
- гидродинамического сопротивления отопительной системы.
Способы обеспечения максимальной разницы давления были рассмотрены выше. Гидродинамическое сопротивление реальной системы не поддается точному расчету по причине сложной математической модели и большого числа входящих данных, точность которых трудно гарантировать.
Тем не менее, существуют общие правила, соблюдение которых позволит уменьшить сопротивление отопительного контура.
Основным причинами снижения скорости движения воды являются сопротивление стенок труб и присутствие сужений из-за наличия фитингов или запорной арматуры. При небольшой скорости потока сопротивление стенок практически отсутствует.
Исключение составляют длинные и тонкие трубы, характерные для отопления с помощью . Как правило, для него выделяют отдельные контуры с принудительной циркуляцией.
При выборе типов труб для контура с естественной циркуляцией придется учитывать наличие технических сужений при монтаже системы. Поэтому использовать при естественной циркуляции воды нежелательно по причине соединения их фитингами, со значительно меньшим внутренним диаметром.
Фитинги металлопластиковых труб несколько сужают внутренний диаметр и являются серьезной преградой на пути воды при слабом напоре (+)
Правила выбора и монтажа труб
Уклон магистрали обратки делают, как правило, по ходу движения охлажденной воды. Тогда нижняя точка контура будет совпадать с входом обратной трубы в теплогенератор.
Самая распространенная комбинация направления уклона подающей и обратной труб для удаления воздушных пробок из водяного контура с естественной циркуляцией
При небольшой площади в контуре с естественной циркуляцией необходимо не допустить попадания воздуха в узкие и горизонтально расположенные трубы этой обогревательной системы. Необходимо поставить устройство удаления воздуха перед теплым полом.
Однотрубные и двухтрубные схемы отопления
При разработке схемы отопления дома с естественной циркуляцией воды возможно проектирование как одного, так и нескольких отдельных контуров. Они могут существенно отличаться друг от друга. Вне зависимости от длины, количества радиаторов и других параметров, их выполняют по однотрубной или двухтрубной схеме.
Контур с использованием одной магистрали
Систему отопления с использованием одной и той же трубы для последовательного подвода воды к радиаторам называют однотрубной. Самым простым однотрубным вариантом является отопление металлическими трубами без использования радиаторов.
Это наиболее дешевый и наименее проблемный способ решения обогрева дома при выборе в пользу естественной циркуляции теплоносителя. Единственный значимый минус – внешний вид громоздких труб.
При самом экономном с радиаторами отопления, горячая вода последовательно протекает через каждое устройство. Здесь необходимо минимальное количество труб и запорной арматуры.
По мере прохождения остывает, поэтому последующие радиаторы получают воду более холодную, что необходимо учитывать при расчете количества секций.
Простая однотрубная схема (вверху) требует минимального количества монтажных работ и вложенных средств. Более сложный и затратный вариант внизу позволяет отключать радиаторы без остановки всей системы
Самым эффективным способом подключения приборов отопления к однотрубной сети считается диагональный вариант.
Согласно этой схеме контуров отопления с естественным типом циркуляции горячая вода поступает в радиатор сверху, после охлаждения отводится через расположенный внизу патрубок. При прохождении подобным образом нагретая вода отдает максимальное количество тепла.
При нижнем подключении к батарее как входного патрубка, так и выходного, теплоотдача существенно уменьшается, потому что нагретому теплоносителю надо пройти максимально длинный путь. Из-за значительного остывания в подобных схемах не используются батареи с большим количеством секций.
«Ленинградка» характеризуется внушительными теплопотерями, которые необходимо учитывать при расчете системы. Плюс ее в том, что при использовании запорных вентилей на входном и выходном патрубке приборы выборочно можно отключать для ремонта без остановки отопительного цикла (+)
Отопительные контуры с подобным подключением радиаторов получили название “ “. Несмотря на отмеченные потери тепла, им отдают предпочтение в обустройстве систем квартирного отопления, что обусловлено более эстетичным видом прокладки трубопровода.
Существенным недостатком однотрубных сетей является невозможность отключить одну из секций отопления без прекращения циркуляции воды по всему контуру.
Поэтому обычно применяют модернизацию классической схемы с установкой “ ” для обхода радиатора с помощью ответвления с двумя шаровыми кранами или трехходовым краном. Это позволяет регулировать подачу воды к радиатору, вплоть до полного его отключения.
Для двух и более этажных строений применяют варианты однотрубной схемы с вертикальными стояками. В этом случае распределение горячей воды более равномерное, чем при горизонтальных стояках. К тому же вертикальные стояки менее протяженные и лучше вписываются в интерьер дома.
Однотрубную схему с вертикальной разводкой успешно применяют при обогреве двухэтажных помещений с использованием естественной циркуляции. Представлен вариант с возможностью отключения верхних радиаторов
Вариант с применением обратной трубы
Когда одну трубу используют для подачи горячей воды к радиаторам, а вторую – для отвода охлажденной к котлу или печи, такую схему отопления называют двухтрубной. Подобную систему при наличии радиаторов отопления используют чаще, чем однотрубную.
Она более дорогая, так как требует монтажа дополнительной трубы, но имеет ряд значимых преимуществ:
- более равномерное распределение температуры подаваемого к радиаторам теплоносителя;
- проще выполнить расчет зависимости параметров радиаторов от площади отапливаемого помещения и необходимых значениях температуры;
- эффективней регулировка подачи тепла к каждому радиатору.
В зависимости от направления движения охлажденной воды относительно горячей, подразделяют на попутные и тупиковые. В попутных схемах движение охлажденной воды происходит в том же направлении, что и горячей, поэтому длина цикла для всего контура совпадает.
В тупиковых схемах, охлажденная вода движется навстречу горячей, поэтому для разных радиаторов длины циклов оборота теплоносителя отличаются. Так как скорость в системе небольшая, то и время нагрева может существенно отличаться. Те радиаторы, у которых длина цикла круговорота воды меньше, будут нагреты быстрее.
При выборе тупиковой и попутной схем отопления исходят в первую очередь из удобства проведения обратной трубы
Существует два типа расположения подводки относительно радиаторов отопления: верхняя и нижняя. При верхней подводке труба, подающая горячую воду, располагается выше радиаторов отопления, а при нижней подводке – ниже.
Использование естественной циркуляции при движении воды в отопительном контуре требует точных расчетов и технически грамотного выполнения монтажных работ. При выполнении этих условий система отопления будет качественно нагревать помещения частного дома и избавит хозяев от шума насоса и зависимости от электроэнергии.
Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя устраивается в частных домах чаще всего. Такие конструкции имеют множество преимуществ, а их монтаж предельно прост. Однако некоторые правила при сборке такого оборудования соблюдать все же необходимо.
Особенности конструкции
Схема отопления с естественной циркуляцией теплоносителя очень проста. Конструкция включает в себя котел отопления, который может быть как газовым, так и электрическим или твердотопливным, магистрали для воды, радиаторы и расширительный бак. В системах отопления с принудительной циркуляцией ток теплоносителя обеспечивает специальный насос. Это увеличивает стоимость оборудования и усложняет его монтаж.
В системах с естественной циркуляцией теплоноситель движется по трубам самотоком. Дело в том, что плотность у нагретой воды выше, чем у холодной. Проходя по магистралям и радиаторам, нагретый котлом теплоноситель постепенно остывает. Холодную воду в отводящей трубе при этом вытесняет новая порция горячей - в подающей. В результате остывший теплоноситель снова проходит через котел, после чего цикл повторяется.
Расширительный бак в такой системе необходим для регулировки давления воды в магистралях. При его повышении излишки теплоносителя поступают в бак, частично заполняя его. При снижении давления вода стекает обратно в трубопровод.
Достоинства и недостатки
К плюсам таких конструкций, как система отопления с естественной циркуляцией, можно отнести в первую очередь дешевизну. Оборудования закупать приходится не так уж и много. Кроме того, к преимуществам подобных систем относят высокую степень ремонтопригодности. Благодаря простоте конструкции заменить пришедшие в негодность элементы при желании можно в том числе и своими силами.
Надежность - еще одно неоспоримое достоинство подобных систем. К плюсам можно отнести и долгий срок их службы - около 30 лет.
Недостатками конструкций этого типа считаются:
- Низкий КПД. Топлива для функционирования системы с естественной циркуляцией нужно сравнительно много.
- Большая инертность. Работать система начинает лишь тогда, когда теплоноситель достаточно хорошо прогреется.
- Невозможность скрытой проводки труб. С помощью такой системы может быть устроено достаточно эффективное отопление частного дома. Естественная циркуляция, однако, предполагает довольно-таки высокую степень охлаждения теплоносителя при движении по магистралям. Поэтому проходить трубы должны на открытом воздухе.
Использовать системы отопления этого типа можно лишь в домах небольшой площади. Дело в том, что при увеличении количества поворотов и колен значительно возрастает сопротивление теплоносителю. В результате система начинает работать крайне неэффективно.
Однотрубная и двухтрубная конструкции
Различают всего две разновидности систем отопления с естественной циркуляций. Двухтрубная состоит из двух контуров: подводящего и отводящего. По первому теплоноситель подается к радиаторам, по второму - отводится обратно к котлу. В частных домах, однако, чаще используется однотрубное отопление с естественной циркуляцией. Такая система проще в монтаже и достаточно эффективна. В этом случае теплоноситель движется по одной трубе, к которой подсоединены радиаторы, по кругу.
Проектирование
Выполняя расчет системы отопления такого типа, нужно определиться с:
- количеством необходимых радиаторов;
- мощностью котла;
- диаметром и материалом труб;
- объемом расширительного бака.
Как рассчитать мощность котла
Данная процедура на самом деле очень ответственна. Ведь от того, насколько правильно будет подобрана мощность котла, зависит эффективность обогрева помещений. Расчеты производятся прежде всего исходя из того, что на 10 м 2 площади дома необходим 1 кВт мощности. При этом во внимание берутся также поправочные коэффициенты для регионов:
- для севера - 1,5-2,
- для средней полосы - 1,4,
- для южных районов - 0,8.
Также рассчитать мощность можно, исходя из объема помещения. Этот показатель просто умножают на 40 Вт. Для частного дома на свайном фундаменте принимается поправочный коэффициент в 1,4. На каждую дверь к полученной мощности прибавляется 300 Вт, на каждое окно - 70-100 Вт.
Сколько должно быть радиаторов
Продолжают расчет системы отопления определением количества необходимых батарей. Радиаторы в этом случае можно выбирать любые. Чаще всего владельцы загородных домов монтируют недорогие и достаточно надежные биметаллические модели. Их количество рассчитывается, исходя из площади помещения. На каждые 10 м 2 необходимо 1 кВт мощности радиатора. Полученную в результате расчетов цифру умножают еще 1,5. Этот запас нужен для восполнения утечек тепла через окна и двери. Мощность одной секции батареи той или иной марки указывается производителем в техническом паспорте.
Магистрали
Внутренняя поверхность труб, выбранных для системы отопления с естественным током воды, должна быть максимально гладкой. Это позволит свести сопротивление к минимуму. Помимо этого, в магистралях не должны скапливаться отложения и ил. Наиболее полно всем этим требованиям отвечают металлопластиковые трубы. Также часто в системах с естественной циркуляцией используются полипропиленовые магистрали. Стальные в таких конструкциях устанавливать не рекомендуется.
Что касается диаметра, то он должен быть достаточно большим. Конкретная цифра зависит прежде всего от количества в магистрали колен и разного рода запорной арматуры. Обычно в частных домах устанавливаются трубы диаметром в 32-40 мм (внутренний). Для подводки к радиаторам используют отрезки диаметром в 20-24 мм. Можно применять для этой цели и трубы того же номера, что и магистральные.
Выбор расширительного бака
Обычно система отопления с естественной циркуляцией оборудуется расширительным баком открытого типа. Такие модели могут выполнять сразу три основные функции:
- клапана безопасности при избыточном давлении,
- пункта снабжения системы дополнительными порциями теплоносителя,
- отвода избыточных газов, образующихся при нагревании воды.
При подборе расширительного бака нужно учитывать следующие факторы:
- Общий объем теплоносителя (С). От этого показателя зависит емкость бака. Определяется он путем сложения объемов котла, подводящих труб, радиаторов и других элементов конструкции, если они имеются.
- Коэффициент расширения теплоносителя (Е).
- Начальное давление в баке (Рмин.).
- Максимально допустимое давление (Pmax).
- Коэффициент заполнения при заданных условиях работы (Кзап). Определить его можно по специальным таблицам.
Расчет объема бака производится по формуле V = (E x C / 1 - Рмин. / Pmax) / Кзап.
Основные правила монтажа
Для того чтобы отопление дома с естественной циркуляцией теплоносителя в системе было эффективным, при сборке в обязательном порядке необходимо соблюдать следующие рекомендации:
- Трубы должны быть установлены с уклоном по направлению тока воды не менее 6-7 гр. Это обеспечит лучшую циркуляцию.
- Котел устанавливается ниже уровня расположения магистралей. Обычно его размещают в подвале. Если такового нет, устраивается подсобное помещение с приямком.
- Расширительный бак монтируют на чердаке. Трубу, соединяющую его с котлом, теплоизолируют.
- Радиаторы монтируются параллельно трубам (на байпасе). Врезать их в сами магистрали нельзя.
- Размещать батареи следует по возможности выше.
Порядок сборки
Монтаж систем отопления этого типа выполняется следующим образом:
- Устанавливается котел. На настоящий момент в загородных домах чаще всего используются газовые модели. Монтаж дымохода можно произвести самостоятельно. Для подключения котла к магистрали придется вызывать специалистов. Своими силами это делать запрещено нормативами.
- Подвешиваются радиаторы отопления. Лучше всего размещать их под окнами. Это обеспечит естественную циркуляцию воздуха в помещении. Расстояние от радиатора до стены должно быть не менее 2,5 см, до пола - 8 см.
- Монтируется магистраль (с соблюдением уклона).
- Подсоединяются радиаторы. В однотрубной системе используется нижнее подключение.
- Монтируется расширительный бак. Чаще всего его подсоединяют к отводящей магистрали. На трубе бачка устанавливается дополнительный отвод в канализацию.
- Магистраль с двух сторон присоединяется к патрубкам котла.
- Устанавливаются краны Маевского. Они необходимы для отвода воздуха из теплоносителя, к примеру, при опрессовке.
- Монтируется другая необходимая запорная арматура: дроссели, термоклапаны и т. д.
- В самой нижней точке магистрали врезается сливной кран.
Как видите, монтаж систем отопления с естественным током - дело не особенно сложное. Собрать подобную конструкцию, в особенности однотрубную, можно буквально за день.
Водяное отопление с естественной циркуляцией достаточно эффективно. Однако стоит все же дополнить конструкцию специальным насосом. Им можно пользоваться время от времени, повышая эффективность работы системы. Монтируется он на отводную трубу. Дело в том, что в подводящей температура теплоносителя очень высока, а это может привести к выходу из строя его конструктивных элементов.
Устанавливается циркуляционный насос на байпасе, оборудованном кранами. Непосредственно перед ним монтируется специальный фильтр. Последний предотвращает попадание в насос грязи, ила и т.д.
При монтаже радиаторов следует проследить за тем, чтобы располагались они на одном уровне. Это обеспечит оптимальную циркуляцию теплоносителя. Перед каждой батареей стоит установить запорный кран. Он пригодится в случае необходимости аварийного отключения.
Пробный запуск системы
Итак, мы с вами выяснили, как сделать естественную циркуляцию отопления (системы). После того как все элементы конструкции будут смонтированы, следует произвести пробный запуск. Заполнение может производиться или при помощи насоса, или посредством крана подпитки, подключенного к водопроводу. Напор поступающей в систему воды не должен быть слишком сильным. Иначе внутрь магистралей попадет очень много воздуха.
После заполнения следует выждать с полчаса. За это время из системы выйдет лишний воздух. Далее можно запускать котел. Если система через некоторое время заработает - значит, все в порядке. Но иногда случается так, что теплоноситель по магистралям циркулировать не начинает. В этом случае нужно:
- проверить все трубы на предмет герметичности;
- замерить угол наклона магистралей.
При необходимости недочеты устраняются.
Иногда причиной неполадок являются обычные воздушные пробки. Поэтому дополнительно стоит попробовать их удалить. Порядок действий в этом случае будет таким:
- открываются воздушники на всех радиаторах;
- включается подпитка системы слабым напором;
- открывается слив и выполняется длительный прогон теплоносителя.
Нередко причиной бездействия системы являются забитые радиаторы. В этом случае батареи придется снять и промыть.
Если ничего из вышеперечисленного не помогает, то причина, скорее всего, в слабости котла или его неисправности.
Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя - оборудование надежное и при этом недорогое. При правильном подборе комплектующих и соблюдении всех рекомендаций по монтажу можно получить долговечную и очень эффективную конструкцию, а следовательно, значительно и надолго повысить комфортность проживания в доме.
