Контур отопления с естественной циркуляцией

Расчет параметров системы отопления с естественной циркуляцией: как добиться бесперебойной работы?

Система отопления с естественной циркуляцией жидкости представляет собой замкнутое устройство гравитационного (самотечного) типа, позволяющее обогреть помещения в частном доме независимо от электропитания.

Такое преимущество конструкции даёт возможность использовать её в регионах с проблемами или полным отсутствием центральной электрической сети. Система экономична, но для её правильного функционирования потребуется сделать точные расчёты.

Описание системы отопления циркуляционного типа без насоса

Устройство водяного отопления, работающее самотеком, включает нагревательный элемент (котёл), трубы, прокладываемые разными способами, расширительный бак и радиаторы.

Принцип действия

Роль теплоносителя в контуре играет вода, которая движется по трубам под влиянием термодинамических сил. Принцип действия системы основывается на разнице физических свойств горячей и холодной воды.

Пока работает котёл, в трубах всегда есть горячая вода, которая постепенно остывает, проходя по контуру и отдавая тепло в окружающую среду.

Плотность и масса воды при нагреве уменьшается, поэтому она легко вытесняется вверх остывшей жидкостью.

После достижения верхней точки контура, горячая вода распределяется по трубам, соединённым с радиаторами, отдаёт тепло через материал батарей, а затем по нижней части контура стекает к котлу, где снова нагревается.

Достоинства установки

Основными достоинствами отопительного контура гравитационного типа являются:

простота установки и использования;
высокая отдача тепла и стабильность микроклимата помещений;
экономичность ресурсов при условии качественного утепления строения;
отсутствие шума;
полная независимость от электричества;
редкие поломки и долгий срок службы при условии проведения периодических профилактических мероприятий.

Справка! Сконструировать систему отопления с естественной циркуляцией можно самостоятельно. Правильный расчёт параметров, выбор схемы контура и грамотная установка всех компонентов гарантирует срок работы конструкции до 35 лет.

Главный недостаток — конструкция может отопить частные дома площадью не более 100 м 2 , имеющих радиус около 30 м.

Существует ещё несколько недостатков, ограничивающих применение самотечной конструкции:

обязательное наличие чердака для установки расширительного бачка;
медленный обогрев помещений;
необходимость утепления контура в неотапливаемых местах для предотвращения замерзания воды в трубах.

Разновидности отопительных систем с естественной циркуляцией

Конструкции могут быть реализованы в однотрубном или двухтрубном вариантах. По типу систем выделяют закрытые и открытые схемы установок. Правильно выбранный вид схемы обеспечит её максимальную эффективность.

Закрытый тип

Циркуляционная конструкция закрытого типа получила широкое распространение в странах Европы, а в России только начинает приобретать популярность.

Принципиальная схема

После нагрева, вода под давлением поднимается к расширительному баку, поделённому на 2 части мембраной. Нижняя часть бака заполняется водой, которая сжимает газ (чаще азот или воздух), находящийся в верхней части над мембраной. Создаётся дополнительное рабочее давление, способствующее движению жидкости.

Фото 1. Закрытый тип системы отопления с естественной циркуляцией. Должен быть оснащен герметичным расширительным баком.

Особенности

Основная особенность конструкции закрытого типа — герметичность бака и создание дополнительного давления в трубопроводе. Иногда для закрытых схем используют циркулярные насосы, которые работают от электросети. Благодаря низкой потребляемой мощности насоса, временное отключение электричества не скажется на работе системы.

Плюсы и минусы

Главные преимущества закрытых отопительных схем связаны с их герметичностью. Благодаря этому система почти не страдает от воздушных пробок, меньше подвергается коррозии, расходует меньшее количество теплоносителя, в качестве которого можно использовать не только воду, но и антифриз. Схема не требует больших уклонов трубопроводов, особенно если используется насос.

Внимание! Основной минус конструкции — необходимость установки большого бака, для которого нужно место. Длительные перебои с электричеством приведут к снижению эффективности схемы с насосом.

Система отопления с естественной циркуляцией

Применение такого типа отопления, как система отопления с естественной циркуляцией, является наиболее распространенным для загородных домов и дач. Ее преимущества – доступность, экономичность, простота монтажа и эксплуатации. Создание системы отопления с естественной циркуляцией не требует использования насосов или дополнительного оборудования, источников питания, поскольку гидростатический напор возникает самопроизвольно во время движения теплоносителя.

Многие считают недостатком то, что использование данной системы допустимо лишь в довольно небольших строениях. В частности, радиус системы (горизонтальное расположение) не должен превышать 30 метров. Кроме того, не все предпочитают использовать отопление без насоса, поскольку скорость включения сети также является достаточно низкой.

Преимущества системы с естественной циркуляцией

Первым и одним из основных достоинств системы можно назвать ее экономичность. На самом деле, ее монтаж, а также и дальнейшее обслуживание, требуют относительно небольших финансовых затрат. Схема отопления с естественной циркуляцией не требует дополнительного оборудования в виде циркуляционных насосов. А это означает, вы не будете ощущать вибрацию и шум их работы. Кроме того, отсутствие необходимости установки такого насоса означает, что вам не придется тратить дополнительные средства на оплату электроэнергии, необходимой для его работы.

Еще одним весомым преимуществом данной системы является то, что теплоноситель циркулирует непрерывно.

Это обусловлено тем, что постоянно происходит изменение температуры и плотности теплоносителя. При этом благодаря такой цикличности происходит равномерное распределение тепла всеми отопительными элементами, входящими в отопление дома с естественной циркуляцией.

Популярность системы связана еще и с тем, что ее проектировка, монтаж и дальнейшее обслуживание не требуют специальных навыков.

То есть, для того чтобы создать качественную отопительную систему, не требуется привлекать дополнительных специалистов – все можно сделать самостоятельно. Точно так же самостоятельно в дальнейшем владелец здания сможет справиться и с незначительными поломками. Однако при правильном планировании и качественном выполнении отопление частного дома без насоса сможет работать, не требуя капитального ремонта не менее 30-35 лет.

Как работает данная система?

Движение теплоносителя (воды) по трубам обусловлено тем, что при повышении и понижении температуры изменяется масса и плотность жидкости. Снижение массы и плотности воды происходит, когда она нагревается в котле. В это время в трубах находится уже отдавшая свое тепло более холодная вода, имеющая большую массу и плотность. При этом под действием гравитационных сил холодная вода в радиаторе замещается водой горячей.

Для того чтобы понять, как именно функционирует гравитационная система отопления, достаточно просто вспомнить курс физики. Нагретая в котле вода, являясь более легкой, свободно поднимается по трубам центрального стояка. В этот момент тяжелая холодная вода опускается в отопительный котел. Горячая вода, достигнув верхней точки, равномерно распределяется по радиаторам. В них холодная вода опускается к нижней части батареи, а после и вовсе покидает ее, потому что ее попросту «вытеснила» горячая.

Читать еще: Как подключить к проводам провод с интернетом

В момент поступления в радиатор горячего теплоносителя происходит процесс отдачи тепла. То есть, постепенно нагреваются материалы радиатора, передавая тепло непосредственно в помещение. Далее – остывший теплоноситель вновь замещается горячим. Этот процесс непрерывен. Жидкость циркулирует до тех пор, пока идет ее нагрев – то есть, пока работает котел.

Принцип построения отопительной системы с естественной циркуляцией

Самотечная система отопления частного дома состоит из таких элементов:

котел. Именно он осуществляет нагрев теплоносителя. Существует большое количество видов котлов, которые работают на различного типа топливе.
трубопровод. Он может быть как одинарным, так и двойным (для обратного тока).
отопительные элементы – радиаторы.
расширительный бак.

При проектировании и монтаже такой схемы, как самотечная система отопления, крайне важно придерживаться обязательного требования – труба, по которой движется теплоноситель, непременно должна иметь уклон.

Он должен составлять минимум 0,005 м на метр погонный трубы и быть направленным в сторону нагревающего бака. То есть, если радиатор и котел расположены на одном этаже, то уровень входа трубы в радиатор должен быть несколько выше. Необходимость наличия уклона объясняется несколькими факторами:

по трубе, которая имеет уклон, холодная вода значительно быстрее движется к нагревательному баку.
наличие уклона крайне важно для того чтобы пузырьки воздуха, появившиеся в процессе нагревания теплоносителя, эффективнее поднимались в специальный расширительный бак, а оттуда – удалялись в атмосферу.

Наличие расширительного бака в такой системе, как гравитационная система отопления из полипропилена, благотворно влияет на создание дополнительного давления в системе, что делает скорость передвижения теплоносителя несколько выше.

Следует отметить, что скорость перемещения теплоносителя в трубе напрямую зависит сразу от нескольких факторов. Прежде всего, это разница таких величин, как плотность, масса, объем теплоносителя в горячем и холодном состоянии.

Помимо этого, на скорость перемещения теплоносителя влияет также и уровень расположения отопительных элементов (радиаторов) относительно нагревательного котла. Однако гравитационное давление, возникающее во время перемещения теплоносителя, в некоторой степени расходуется в момент, когда жидкость преодолевает сопротивление трубопровода.

Дополнительными препятствиями, на которые также расходуется значительное количество гравитационного давления, являются дополнительные радиаторы, разветвления, повороты, присутствующие в системе. Для более эффективного обогрева (и достижения максимальной скорости перемещения теплоносителя) следует проектировать отопление с естественной циркуляцией так, чтобы подобных препятствий было меньше. В случае если подобная «сложность» системы вызвана необходимостью, решением возникшей сложности является использование труб большего диаметра.

Двухтрубная отопительная система с естественной циркуляцией теплоносителя

Более сложная гравитационная схема отопления, предусматривающая наличие сразу двух контуров отопительной системы. По одному происходит передвижение горячей воды, которая движется от котла к радиаторам. А второй контур предназначен для оттока остывшего теплоносителя от радиаторов к нагревательному котлу. Данная самотечная система отопления предусматривает более тщательное планирование и использования увеличенного количества материалов (труб).

Принцип монтирования двухтрубной системы, предполагающей отопление самотеком, являет собой довольно трудоемкий процесс, который можно разделить на несколько этапов:

монтаж основного стояка. Отопительная труба (по которой движется горячая вода) поднимается от котла к расширительному баку. Следует отметить, что наилучшее место присоединения стояка к баку – нижняя треть от общей его высоты.
на уровне примерно трети высоты помещения (отмерять следует от уровня пола) отопительная труба соединяется с разводкой. Именно от нее и будут прокладываться трубы к приборам отопления – радиаторам.
для своевременного удаления излишков жидкости в системе в бак должна быть врезана также труба перелива. Посредством ее использования лишняя жидкость будет направлена в канализацию.
трубы для отведения уже отработанной (то есть – остывшей) воды следует врезать в нижнюю часть радиатора. По этим трубам вода возвращается к нагревательному котлу. Прокладываются они параллельно трубам подачи горячего теплоносителя.

Планируя естественное отопление дома, следует учитывать некоторые особенности. Прежде всего, труба основного стояка непременно должна быть утеплена – иначе существует вероятность существенной потери тепла.

Кроме того, обязательно следует утеплить помещение, в котором стоит расширительный бак. Чаще всего таким помещением является специальная комната на верхнем этаже или чердак. Если данная комната не будет утеплена, это может привести к тому, что часть теплоносителя попросту замерзнет – а это спровоцирует поломку системы.

Еще одна важная особенность – при планировании системы, перед тем, как сделать отопление без насоса, необходимо тщательно просчитать уровень расположения котла, расширительного бака и радиаторов. При правильном планировании достигается необходимое давление, которое способствует более эффективной работе системы. Следует учитывать, что ниже всего должен располагаться нагревательный котел.

Для него лучше всего оборудовать отдельную комнату на цокольном этаже или в подвале. Если возможности оборудования отдельного помещения нет (или просто нет цоколя, подвала), котел следует располагать в углублении. При правильном расчете, подобной системы достаточно для обогрева строения состоящего из 4-5 комнат с прилегающими бытовыми помещениями.

Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией

Однотрубная схема – наиболее простая модель отопительной системы. Такая естественная система отопления предполагает расположение отопительного контура максимально высоко (под потолком). При этом трубы для возвращения отработанного теплоносителя расположены под уровнем пола.

Популярность системы обусловлена тем, что для ее создания используется минимальное количество труб. При этом монтаж не отнимает много времени и сил, поскольку нет необходимости вмуровывать их в стены.

Преимущество данной системы состоит еще и в том, что для ее нормального функционирования допускается расположение радиаторов и нагревательного котла на одном уровне. При этом следует отметить, что двухтрубная гравитационная система отопления двухэтажного дома при подобном расположении радиаторов и котла работать не будет, поскольку в ней недостаточно будет давления для нормальной циркуляции теплоносителя.

Для правильного функционирования системы необходимо наличие в ней расширительного бака. Во многом его объем зависит от количества и размера используемых радиаторов. При этом следует произвести точный расчет гравитационной системы отопления, что максимально бак можно заполнять лишь на ¾ объема.

Следует быть максимально внимательными – уровень теплоносителя не должен опускаться ниже уровня трубы, по которой горячая вода распространяется по трубам к радиаторам.

Если вода не будет достигать уровня разветвителя – подача ее к радиаторам будет прекращена. Для того чтобы была возможность пополнять количество воды в системе, следует подключить к баку трубу с краном, соединенную с системой подачи воды. В таком случае, вы всегда сможете восполнить количество теплоносителя. Кроме того, в баке необходимо установить еще один кран – посредством его можно будет спускать всю воду из системы в случае, если потребовался ремонт.

Читать еще: Как работает тестер в праздники

Можно с уверенностью сказать, что гравитационное отопление – идеальный выбор практичного владельца небольшого загородного домика. А для больших строений целесообразнее использовать не самотечные системы отопления, а двухтрубную систему, дополнив ее циркуляционным насосом.

Расчет параметров системы отопления с естественной циркуляцией: как добиться бесперебойной работы?

Описание системы отопления циркуляционного типа без насоса

Принцип действия

Плотность и масса воды при нагреве уменьшается, поэтому она легко вытесняется вверх остывшей жидкостью.

Достоинства установки

Основными достоинствами отопительного контура гравитационного типа являются:

простота установки и использования;
высокая отдача тепла и стабильность микроклимата помещений;
экономичность ресурсов при условии качественного утепления строения;
отсутствие шума;
полная независимость от электричества;
редкие поломки и долгий срок службы при условии проведения периодических профилактических мероприятий.

Существует ещё несколько недостатков, ограничивающих применение самотечной конструкции:

обязательное наличие чердака для установки расширительного бачка;
медленный обогрев помещений;
необходимость утепления контура в неотапливаемых местах для предотвращения замерзания воды в трубах.

Разновидности отопительных систем с естественной циркуляцией

Закрытый тип

Принципиальная схема

Особенности

Плюсы и минусы

Естественная циркуляция в системе отопления

В небольших частных домах и квартирах ценится обогрев, независимый от электричества. Для маленьких городов и сел типична ситуация, когда по разным причинам подстанция выходит из строя, повреждена проводка и прочее. Система отопления с естественной циркуляцией не включает ни одного модуля, который работал бы от электросети.

Особенности системы отопления с естественной циркуляцией

Любая отопительная схема включает несколько обязательных элементов:

Котел, нагревающий воду – газовый, дровяной, торфяной. Обязательное условие – пьезорозжиг, иначе запустить аппарат без электричества будет невозможно.
Подающий трубопровод поставляет нагретую воду радиаторам. Размещают трубы с некоторым уклоном – 0,5–1 см на 1 м, чтобы вода могла двигаться самотеком. «Горячие» водоводы размещают с уклоном по направлению к радиаторам.
Обогревательные приборы – батареи любого типа. Через них происходит основная передача тепла.
Обратный трубопровод – по нем остывший теплоноситель возвращается в котел. «Холодные» трубы монтируют с уклоном в 0,5–1 см на 1 м по направлению к котлу.
Расширительный бачок – размещается в самой верхней точке системы. Когда вода нагревается, она увеличивается в объеме. Бачок компенсирует этот избыток.

Функционирует система так: вода нагревается в котле, расширяется, плотность ее уменьшается, и жидкость поднимается по центральному стояку. Расширительный бачок заполняется, чтобы выровнять давление между холодной и горячей водой. Затем сверху вода спускается по подающему трубопроводу к каждой батарее, где охлаждается, отдавая тепло воздуху и поверхностям. Остывшая жидкость по обратным трубам перемещается к котлу. Поскольку плотность остывшей воды ниже, вернувшись в котел, она выдавливает менее плотную нагретую жидкость, заставляя ее подниматься.

Помимо функции компенсации давления, расширительный бачок выполняет и другую роль. Вместе с водой в трубы попадает воздух. При его накоплении возникает воздушная пробка, которая не позволяет теплоносителю перемещаться по трубам. Однако в конвективных системах пузырьки воздуха из-за расположения трубопровода под уклоном поднимаются в расширительный бачок. Так как это устройство открытое и контактирует с воздухом, пузырьки покидают систему.

Конструкция проста, но требует очень точных расчетов. Вода, двигаясь по трубе, создает трение, замедляется и отдает тепло быстрее. При изменении направления – повороты, ответвления, каналы в батареях – трение усиливается. Если не учесть водяное сопротивление в расчетах, система работать не будет.

Конвективное отопление отлично действует на небольших площадях. Таким образом можно обгореть одно- или двухэтажный частный дом или квартиру. Для 9-этажного здания такой вариант не годится.

Читать еще: Принцип работы регулятора давления воды в квартире

Преимущества и недостатки системы

Естественная циркуляция обеспечивает систему отопления следующими преимуществами:

Главное достоинство – независимость от электричества. Конвективное отопление работает в любых условиях.
При грамотном монтаже и уходе самотечный вариант функционирует дольше 30 лет.
Монтаж очень прост, профилактический осмотр и ремонт тоже не вызывают затруднений.
Высокая тепловая инерция – здесь циркулирует большой объем воды. Она медленнее остывает и дольше отдает тепло.

Встроить в циркуляционную схему насос не составляет труда. Сделать это можно во время монтажа или позднее. Когда есть электричество, отопление работает в режиме принудительной циркуляции, а при его отсутствии автоматически переходит в режим естественного перемещения воды.

У самотечного варианта есть существенные недостатки, что заметно ограничивает применение:

Обслуживает система лишь небольшие одноэтажные или двухэтажные коттеджи.
Чтобы снизить гидравлическое сопротивление, используют трубы с максимально большим допустимым диаметром. Это затрудняет монтаж, также стоимость водоводов с большим диаметром больше.
Рекомендуется использовать только стальные трубы. Допускается применять полипропиленовые. Остальные неметаллические модели запрещены.
Регулировать температуру в каждом помещении вручную или автоматически невозможно.
В схему нельзя включать бойлеры косвенного нагрева, что увеличивает расходы на получение горячей воды.
Невозможно обустроить теплый пол.

На работу конвективного отопления значительно влияют сужения. Нельзя использовать металлопластиковые трубы, поскольку они соединяются фитингами, диаметр которых меньше.

Виды систем отопления

Обогревательная схема может включать 1 или несколько контуров разной длины, с разными радиаторами. Однако любой вариант, является модификацией только двух моделей – однотрубной или двухтрубной.

Однотрубные

Устройство максимально простое. Одна и та же труба по очереди подводит теплоноситель к каждому радиатору и возвращается в котел. Самый дешевый вариант и самый беспроблемный – обогрев только трубами, без радиаторов. Если же батареи включены в схему, труб и запорной арматуры должно быть минимум.

Вода, последовательно двигаясь к последнему радиатору, все больше остывает. Эту особенность учитывают при расчете числа секций.

Различают 2 схемы однотрубного варианта:

С верхним подключением – вода попадает в батарею сверху через верхний патрубок, выходит через нижний. КПД системы максимально для водяного отопления.
С нижним подключением – теплоноситель поступает в радиатор снизу и выходит тоже через нижний патрубок. Путь прохождения воды увеличивается, поэтому теплоотдача системы заметно ниже. Здесь нельзя ставить радиаторы с большим числом секций. Однако несмотря на меньшую эффективность, такую схему предпочитает монтировать в квартирах, так как она более эстетична.

Классический вариант можно модернизировать, установив байпас – ответвления с трехходовым краном и ответвлениями с кранами. С их помощью можно регулировать подачу воды к разному радиатору и отключать при надобности.

Двухтрубные системы

Вариант с обратной трубой носит название двухтрубный. Горячая вода подается к радиатору под одной трубе, а остывшая, от каждого обогревательного прибора отводится по обратной трубе. Система куда эффективнее: каждый радиатор получает практически одинаковое количество тепла. Степень нагрева можно регулировать на каждой батарее, при необходимости исключить ее из обогревательного контура. Большой плюс – более простой расчет параметров трубопровода и батарей.

Выполняют как верхнее, так и нижнее подключение:

В первом случае трубы расположены выше радиаторов.
Во втором подающая труба размещается ниже батареи. Такой вариант эстетичнее, однако перепад давления получается слишком низкий, поэтому используется схема очень редко.

При расчетах учитывают направление отвода воды. Если оно совпадает с направлением горячей жидкости, попутная схема, длина циклов равная. При этом радиаторы нагреваются одинаково. Если используется тупиковая, холодная и горячая вода двигаются в разных направлениях, быстрее нагреваются те батареи, у которых цикл круговорота оказывается меньше.

Как появляется циркуляционный напор

Перемещение воды в конвективном отоплении обеспечивает только разница в плотности горячей и холодной воды. При нагреве плотность теплоносителя снижается и он поднимается; при охлаждении – увеличивается, и он вытесняет более теплую жидкость. Чем больше разница в гидростатическом давлении столба холодной и горячей воды, тем выше циркуляционный напор, тем лучше работает отопление.

Основная задача при организации системы – добиться максимального перепада давления.

Обязательный элемент схемы – коллектор разгона или главный стояк. Это вертикальная труба, которая поднимается от теплообменника до верхней точки системы. Здесь монтируют расширительный бак – открытый или закрытый мембранный с воздушным клапаном для отвода воздуха.
Главный стояк должен иметь максимальную температуру, поэтому коллектор утепляют. Высота его не более 10 м. В идеале стояк не соприкасается с обратными трубами.
Чтобы создать достаточный перепад давления, нужно создать большой столб холодной жидкости. Добиваются этого, устанавливая котел в самой нижней точке системы. В частном доме аппарат размещают в подвале, в квартире – в углублении. Чем выше уровень батарей над уровнем котла, тем большее давление образует холодная вода и тем активнее вытесняет горячую.

Чтобы улучшить циркуляционный напор, подбирают батареи с максимально большой рабочей поверхностью. Чем лучше теплоноситель отдает тепло и чем более холодная вода поступает в котел, тем лучше работает отопление.

Принцип построения отопительной системы с естественной циркуляцией

Главные параметры обогрева с естественной циркуляцией – циркуляционный напор и гидростатическое сопротивление. Первый показатель рассчитывают так:

P – давление в системе;
h – разница высот между центром самой нижней батареи и центром котла;
p0 – плотность нагретой жидкости;
p1– плотность холодной воды.

Чем больше разница в высоте, тем выше перепад давления. Однако показатель имеет ограничение – не более 3 м.

Рассчитать значение второго фактора – гидравлического сопротивления – практически невозможно. Описывающая его модель крайне сложна и включает множество переменных. Здесь ограничиваются приблизительными вычислениями.

Чтобы улучшить КПД системы, соблюдают рекомендации:

Подбирают трубы с максимально большим диаметром. При этом несколько уменьшается скорость потока, но сопротивление падает сильнее.
Устанавливают как можно меньше запорной арматуры. Следят за тем, чтобы схема включала минимум поворотов и сужений.
При нижнем подключении радиаторы обязательно снабжают кранами Маевского, чтобы стравливать лишний воздух.
Для коллектора используют металлическую трубу, так как важно добиться максимального нагрева для создания перепада давления. Трубы, обслуживающие батареи, могут быть из полипропилена.

Грамотная теплоизоляция улучшает работу отопления. Изолируют коллектор разгона, подводящие и обратные трубы, если они проходят через неотапливаемые помещения.