Основные принципы работы систем отопления частного дома с естественной циркуляцией

Вариант с использованием системы отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома (гравитационной или самотечной системы) по-прежнему популярен, несмотря на достигнутый уровень технического прогресса. Объясняется это просто: системы естественной циркуляции жидкости (ЕЦ) работают автономно и не нуждаются в подключении к источникам тока.

Поэтому сложно переоценить значение подобной системы отопления с естественной циркуляцией для одноэтажного дачного дома, расположенного на участке, где нет возможности подключения электричества установки циркуляционных насосов. Либо в местах, где наблюдаются частые перебои с электроснабжением.

О принципе работы систем с самотечной циркуляцией

В основе работы гравитационной системы заложен знакомый со школьных времен принцип расширения жидкости при нагревании. То есть в результате нагрева вес и плотность воды уменьшаются, а при остывании – возвращаются к прежним значениям.

Процесс естественной циркуляции в системе отопления выглядит следующим образом: при нагреве котлом некоего объема жидкости, жидкость расширяется и, за счет уменьшения плотности, поднимается к верхней точке отопительной самотечной системы, вытесняемая более плотными холодными слоями. Делая круг по отопительной системе, жидкость постепенно остывает и сама вновь возвращается к источнику нагрева. Далее данный цикл повторяется.

То есть основной принцип обогрева циркулированием теплой воды основан на использовании разницы уровней гидростатического давления холодного и горячего столбов жидкости. Когда горячая вода вытесняется холодной, стекающей в направлении теплообменника, нагретая поднимается по трубе. Величина циркуляционного напора находится в непосредственной зависимости и от размещения середины котла и самого нижнего из имеющихся в доме радиаторов. С увеличением перепада высот, увеличивается скорость перемещения жидкости по трубам. Так и работает схема с естественной циркуляцией жидкости.

Условно отопительный контур здания может быть разделен на отдельные фрагменты: «горячие» с жидкостью, направляющейся вверх и «холодные» – с водой, направляющееся вниз. Роль границ между фрагментами будут выполнять нижняя и верхняя точки отопительного контура.

В ходе моделирования самотечных систем важно обеспечить максимум разницы между уровнями давления столбов жидкости в «холодном» и «горячем» контурах.

Как правило, система проектируется таким образом, чтобы обеспечить предельное совпадение верхних крайних точек коллектора разгона (основного стояка, отходящего от теплообменника) и остального контура. На уровне верхней точки устанавливается и выход к баку-расширителю или воздухоотводящему клапану (при использовании мембранного бака). Это помогает сделать «горячий» фрагмент общего контура минимально коротким. Благодаря этой мере циркуляция воды в системе отопления на данном отрезке будет осуществляться с минимальными теплопотерями.

Приемлемая скорость продвижения жидкости по контуру возможна при наличии температурной разницы выходящего (от котла) и входящего контура – не меньшей чем 25 ⁰С градусов. При этом с увеличением длины трубопровода, разница в температурах должна возрастать.

О видах и схемах данных систем

Различают два способа установки контуров гравитационной системы отопления. Речь идет об однотрубном и двухтрубном контурах. В первом случае вода от радиатора отводится и подается по одной и той же трубе, во втором – за отвод и вхождение жидкости «отвечают» две разных трубы. Также используются открытая и закрытая системы циркуляции.

Однотрубная

Выгодно отличается простотой монтажа низким (практически по уровню пола) размещением трубопровода. Однотрубная система отопления представлена стояком с отходящей от его верхней точки и направленной максимально вниз разгонной трубой, которая заканчивается подающим контуром. Подсоединение системы (входа и выхода воды) к батареям осуществляется снизу с использованием пары патрубков, имеющих меньший диаметр (если имеется в виду двухдюймовый трубопровод, целесообразно применение ¾-дюймовых отводов). Далее теплоноситель от батарей движется в направлении котла.

Минусом подобной схемы с естественной циркуляцией теплоносителя остается ее низкий КПД: остывая, жидкость попадает в тот же трубопровод, по которому теплая вода движется к следующей батарее. Таким образом, потеря тепла каждого последующего радиатора заметно отличается, что становится причиной неравномерности обогрева дома. Чтобы решить эту проблему, приходится увеличивать число секций каждой последующей батареи.

Закрытая

Одна из наиболее популярных в Европе. От обычных самотечных схем отопления она выгодно отличается присутствием расширительного бака. Этот процесс можно разделить на этапы:

• За счет увеличения температуры, нагретый теплоноситель вытесняется холодными слоями и покидает контур нагрева;
• Разогретая жидкость оказывается в закрытом расширительном мембранном баке (в емкости, разделенной пополам при помощи разделительной мембраны, при этом одна половина заполняется водой, а во второй содержится газ – чаще всего азот);
• Нагрев воды ведет к увеличению давления, в результате чего газ во второй половине емкости сжимается, охлаждение теплоносителя ведет к обратному процессу – газ, расширяясь, выталкивает жидкость из бака.

Ее недостатком, при необходимости в обогреве значительных площадей, может стать потребность в установке достаточно объемного бака.

Открытая система

Отличается от предыдущей схемы устройством расширительного бачка. В этом случае его изготавливают самостоятельно и устанавливают на чердаке или под самым потолком. Обычно открытая система используется для обогрева небольших помещений.

Минусом остается частое «заглатывание» воздуха и попадание его в батареи, что негативным образом сказывается на работе всей системы, а также приводит к досрочному износу батарей и металлических труб за счет усиления коррозионных процессов. Для борьбы с завоздушиваним батареи рекомендуется кранами Маевского.

Двухтрубная

Обеспечивает более рациональное использование тепла за счет строгого разделения холодного и теплого контуров и обеспечивает возможность подключения значительного числа батарей.

От размещенной у самого потолка и отходящей от коллектора подающей трубы опускаются (по одному к каждому радиатору) несколько патрубков (с верхним подключением). По полу проходит труба-обратка, в которой собирается остывший теплоноситель, поступающий из батарей (нижнее диагональное подключение). В результате остывшая и горячая жидкости не смешиваются, что обеспечивает равномерный обогрев всех помещений в доме.

Недостатком можно считать изобилие в помещении труб, что нередко не сочетается со стилем оформления интерьеров.

Лучевая

Является гибридом, объединившим принципы работы двухтрубной схемы отопления и теплого водяного пола. От распределительного коллектора отходят подающий и обратный контуры. При этом обратка прокладывается под полом. Используется прямое соединение с радиаторами с минимумом поворотов.

О преимуществах и недостатках гравитационной системы теплоснабжения

При перечислении достоинств систем отопления с естественной циркуляцией теплоносителя стоит упомянуть о:

• простоте монтажа, запуска и обслуживания;
• независимости от наличия доступа к источникам тока;
• неплохой тепловой отдаче;
• экономичности (при условии хорошей теплоизоляции стен и оконных проемов здания);
• бесшумном функционировании, поскольку нет необходимости в использовании насоса, часто создающего неблагоприятный для отдыха и работы звуковой фон;
• долговечностьи (минимальный срок службы – от 30-35 лет, при условии монтажа из новых качественных труб).

Говоря о минусах подобного вида теплообеспечения частных домов, нельзя ничего не сказать об:

• ограниченном радиусе действия системы (не более 30 метров);
• низкой продуктивности при установке в зданиях площадью более 100 м²;
• необходимости наличия чердаков для установки систем с расширительным баком;
• значительном количестве времени, требующемся для прогрева всех помещений в здании;
• необходимости в утеплении труб, проложенных в не отапливаемых помещениях;
• увеличении затрат на приобретение труб значительного диаметра, используемых для снижения сопротивления при прохождении воды.

О расчете параметров системы отопления с естественной циркуляцией для одноэтажного дома

Ввиду отсутствия в гравитационных системах отопления одноэтажного здания дополнительных механизмов, обеспечивающих стабильно высокое давление, любое из возможных нарушений при установке трубопровода может обернуться проблемами с подачей тепла. К таким нарушениям можно отнести:

• пренебрежение необходимостью в соблюдении углов наклона;
• неверный выбор труб;
• избыток поворотов при монтаже системы.

Уровень уклона при установке трубопровода для отопления частном доме регламентируется положениями СНиПов. В соответствии с ними, для каждого погонного метра необходим наклон, величиной в 1 см. Это обеспечивает нормальное продвижение теплоносителя по трубопроводу. При нарушении указанного норматива возможно завоздушивание системы и снижение общего уровня ее КПД.

О расчете давления и мощности отопления

Исходя из положений СНиП, каждый кВт тепловой мощности предназначен для обогрева площади в 10 кв.м дома. При расчете уровня мощности для регионов с жарким или холодным климатом, следует воспользоваться специальными коэффициентами. В первом случае он составит от 0,7 до 0,9, во втором – от 1,5 до 2.

Однако способ расчета, пренебрегающий высотой потолочных перекрытий, не всегда идеален. Поэтому существует еще один вариант – на основе объема помещения. В этом случае в основу расчетов ложатся показатели тепловой мощности (40 ватт) для каждого кубического метра. При этом наличие окон увеличивает полученное в итоге число на 100 ватт (для каждого окна), а двери – на 200 ватт (для каждой). При этом для одноэтажных частных домов применяется коэффициент 1,5.

Собственно, стандартный объем мощности, закладываемый в проекте частных одноэтажек, предполагает необходимость в мощности обогрева не менее чем в 50 ватт на 1 кв.м

Расчет диаметра трубы в системе с естественным оборотом

Диаметр труб в гравитационных системах рассчитывают исходя из:

• потребности здания в объеме тепловой энергии (+20%);
• определение требуемого типа материала изготовления трубы (например, диаметр трубы из стали должен составлять не менее 0,5 см);
• данных СНиП относительно отношения мощности и внутреннему диаметру трубы.

Стоит учитывать, что при выборе труб с неоправданно большим сечением могут увеличиться расходы на отопление при снижении теплоотдачи. Расчет диаметра труб для систем с самоциркуляцией предполагает выполнение еще одного простого правила, предполагающего сужение диаметра трубы на размер после каждого разветвления.

Как сделать своими руками отопление частного дома с естественной циркуляцией

Качественная система отопления частного дома с естественной циркуляцией может быть смонтирована самостоятельно, без привлечения специалистов. Для этого следует выполнить необходимые расчеты и неукоснительно следовать подробным указаниям специальных пособий, пошагово описывающих весь процесс монтажа систем водяного отопления с естественной циркуляцией в частном доме.