Как работает отопительная система. Самотечная система отопления для частного дома: простая и недорогая схема с естественной циркуляцией

М. Иванов

В паровых котлах для превращения питательной воды в пар применяются различные схемы циркуляции теплоносителя: естественная, многократная принудительная и прямоточная. Наибольшее распространение получили котлы с естественной циркуляцией.

Технология получения пара предполагает последовательность нескольких физических процессов. Все начинается с подогрева питательной воды, которая поступает в котел при определенном давлении, создаваемом питательным насосом. Этот процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева, называемой экономайзером (рис.1).
После экономайзера вода поступает в испарительные поверхности нагрева, которые располагают, как правило, в топочных камерах паровых котлов. Из названия этого элемента котла понятно, что здесь происходит образование пара, который затем в некоторых котлах поступает в пароперегреватель. Через обогреваемые дымовыми газами трубы пароперегревателя пар проходит однократно, а вот парообразующие поверхности нагрева могут быть разными. Чаще всего в котлах пароводяная смесь многократно проходит через обогреваемые трубки топочных экранов за счет естественной циркуляции или в результате многократно-принудительной циркуляции (с использованием особого насоса). В котлах, которые называют прямоточными, пароводяная смесь проходит через испарительные поверхности нагрева однократно, за счет давления, создаваемого питательным насосом.
Остановимся подробнее на особенностях процесса получения пара в котлах с естественной циркуляцией.
На рис. 1 приведена схема барабанного котла с естественной циркуляцией, выполненного по традиционной П-образной схеме. Питательная вода поступает в экономайзер, расположенный в конвективной шахте. Экономайзер является первой частью водопарового тракта котла: нагретая в нем вода поступает в барабан, который, в своей нижней части, соединен как с необогреваемыми опускными, так и с обогреваемыми подъемными трубами. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам, размещенным у нижней кромки топочной камеры. Из этих коллекторов вода поступает в вертикальные трубки топочных экранов. Именно здесь, благодаря мощному тепловому потоку от сгорания органического топлива, начинается собственно процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны испаряется не вся вода: в барабан возвращается пароводяная смесь. В объеме барабана происходит сепарация воды и пара. Пар поступает к потребителю или во входной коллектор пароперегревателя, а котловая вода вновь попадает в опускные трубы циркуляционного контура.

Рис. 1. Схема барабанного котла с естественной циркуляцией, работающего на пылевидном топливе:
1 - горелки; 2 - топочная камера; 3 - топочный экран; 4 - барабан; 5 - опускные трубы; 6 - фестон; 7 - пароперегреватель; 8 - конвективный газоход; 9 - экономайзер;10 - трубчатый воздухоподогреватель; 11 - нижние коллектора топочных экранов

Подъемно-опускное движение по контуру естественной циркуляции (т.е. по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам) происходит вследствие разности плотностей котловой воды и пароводяной смеси.
Для повышения надежности циркуляции на барабанных котлах повышенного давления (17-18 МПа) применяют принудительное движение пароводяной смеси в топочных экранах (рис. 2, б). Как видно из приведенных схем, котел с принудительной циркуляцией отличается от котла с естественной циркуляцией (рис.2, а) наличием насоса для котловой воды. На этом же рисунке (2, в) показана схема прямоточного котла.

Рис. 2. Схема движения воды и водяного пара:
а) барабанный котел с естественной циркуляцией; б) барабанный котел с принудительной циркуляцией; в) прямоточный котел
1 - питательный насос; 2 - экономайзер; 3 - верхний барабан котла; 4 - опускные трубы; 5 - испарительные подъемные трубы; 6 - пароперегреватель; 7 - циркуляционный насос; 8 - нижний коллектор

В прямоточных котлах, которые не имеют барабана, а контур разомкнут, превращение воды в пар происходит за один проход нагревателя, и кратность циркуляции равняется единице. В барабанных котлах этот показатель выше. В котлах с принудительной циркуляцией, у которых имеются нагреватели в виде змеевиков, кратность циркуляции составляет обычно от 3 до 10. В котлах с естественной конвекцией этот параметр обычно составляет 10-50, а при малой тепловой нагрузке труб - 200-300.

Особенности и преимущества

Основным параметром, которым руководствуются при выборе марки парового котла с естественной циркуляцией (ПКЕЦ), является его паропроизводительность, измеряемая в т/ч или кг/ч. Широкий модельный ряд ПКЕЦ позволяет выбрать котлы с требуемой производительностью, начиная от нескольких килограммов до нескольких тонн пара в час. Важными показателями состояния водяного пара являются его давление и температура.
Широкий круг моделей ПКЕЦ позволяет генерировать водяной пар с избыточным давлением от десятых долей до нескольких десятков атмосфер. ПКЕЦ могут работать на различных видах органического топлива: природном газе, угле, дровах и древесных отходах, а также на жидком топливе - сырой (стабилизированной) нефти, мазуте, дизельном топливе. В ряде случаев используются особые топочные устройства, позволяющие ПКЕЦ работать на нескольких видах топлива. Кроме традиционного применения для генерации технологического пара, они широко используются в различных областях: на железнодорожном и водном транспорте, в пищевой, легкой и добывающей промышленности.
Основные достоинства ПКЕЦ - высокая надежность, простота эксплуатации, повышенная степень автоматизации и экономичности.
Создание условий надежности циркуляции в топочных экранах достигается ограничением рабочего давления котлоагрегата - обычно не выше 155 атм. Вызвано это тем, что при более высоком давлении сильно снижается разность плотностей пара и воды, в результате чего не обеспечивается эффективная циркуляция.
Современные ПКЕЦ производители комплектуют микропроцессорной системой управления и защиты. Например, система «Альфа-М» производства фирмы «Энергетик» (Москва) позволяет достичь простоты и удобства в обслуживании. Применение таких систем оптимизирует соотношение «топливо-воздух» при разных расходах топлива, что благоприятно сказывается и на эффективности производства тепловой энергии.
Котлы этого типа могут эксплуатироваться в различных климатических зонах, не требуют сложных пусконаладочных работ. Существенным преимуществом не слишком крупных современных моделей ПКЕЦ является их моноблочное исполнение. В такой конструкции предусматривается компактная установка на одной раме с агрегатом вентилятора, дымососа и питательного насоса. Сочетание высокой степени конструкторской проработки с точными системами управления и контроля позволяет достичь в ПКЕЦ высоких значений КПД, которые могут превышать 90 %.
В моноблочном исполнении котлы поставляются единым транспортабельным блоком - в собранном виде, в обмуровке и обшивке. Их монтаж относительно несложен. Компактность размещения оборудования не препятствует проведению текущего и аварийного ремонтов, а также осуществлению профилактических процедур - все узлы и детали доступны для обследования.

ПКЕЦ на российском рынке

На российском рынке паровых котлов, а также на всей территории СНГ чаще других можно встретить промышленные котлы с естественной циркуляцией, причем присутствует продукция как отечественных, так и зарубежных производителей. Котлы, произведенные в России, имеют в маркировке индекс «Е», отражающий принцип естественной циркуляции теплоносителя в этих моделях. По цене они более выигрышны в сравнении с зарубежными аналогами.
Паровые котлы серии «Е», выпускаемые ООО «ПТО» (Москва), - вертикально-водотрубные, с двумя барабанами, расположенными на одной вертикальной оси и соединенными между собой трубами диаметром 51 мм.
Котлы серии «Е» выпускаются в следующих модификациях, в зависимости от используемого топлива: Е 1,0-0,9 Г-З (Э) - для работы на природном газе, Е 1,0-0,9 М-З (Э) - для работы на мазуте, Е 1,0-0,9 Р-З (Э) - для работы на твердом топливе, Е 1,6-0,9 ГМН (Э) - для работы на газе или мазуте. Первая из групп цифр, следующая за индексом «Е», обозначает паропроизводительность (т/ч), вторая - давление пара в котле (МПа). Обозначение «Н» указывает на наличие в котле системы наддува.
Котлы серии «Е» предназначены для производства насыщенного водяного пара с рабочим давлением 8 атм. Этот пар потребляется различными предприятиями промышленности, транспорта, а также предприятиями сельского хозяйства для отопительных, технологических, хозяйственных и бытовых нужд.

Рис. 3. Паровой котел с естественной циркуляцией E-1,0 - 0,9 ГМ.

ГК «Комплексные системы» (Петербург) предлагает паровые котлы серии «КЕ» - со слоевыми механическими топками производительностью от 2,5 до 10 т/ч. Эти котлы предназначены для выработки насыщенного или перегретого водяного пара, который находит применение для технологических нужд промышленных предприятий, а также в системах отопления, вентиляции и ГВС.
Серия «КЕ» подразделяется на модификации «КЕ-С», снабженные слоевыми топочными устройствами, и модификации «КЕ-МТ», в которых имеется топка предварительного скоростного горения.
Котлы серий «ДЕ» предлагает промышленная группа «Генерация» (г. Березовский, Свердловская обл.). Они могут работать на различных видах топлива (газ, мазут) и имеют производительность от 4 до 25 т/ч. Предназначены для выработки насыщенного или слабоперегретого пара, используемого для технологических нужд предприятий, а также для отопления, вентиляции и ГВС. Серия «МЕ» отличается от предыдущей серии тем, что котлы этой серии имеют большую на 20 % поверхность нагрева и, соответственно, более высокий КПД. Котлы этой же серии предлагает и компания «Теплоуниверсал» (Петербург).
Из зарубежных производителей можно назвать итальянскую фирму Garioni Naval, поставляющую на Российский рынок промышленные модели марки GMT/HP 200-2000, паропроизводительностью от 0,3 до 3,5 т/ч. Отличительная особенность котлов этой серии - величина рабочего давления получаемого пара, которая может меняться от 5 до 110 атм. Давление водяного пара в указанном диапазоне соответствует температуре теплоносителя от 152 до 318 °С, что позволяет применять котлы этой серии в различных отраслях промышленности.
Паровые котлы высокого давления с естественной циркуляцией типа НРВ (немецкая фирма BBS GmbH) имеют паропроизводительность от 0,3 до 8 т/ч. Водотрубные котлы этой серии способны производить насыщенный пар с рабочим давлением до 120 атм. Теплоноситель с такими параметрами обычно используется в химической, нефтехимической, пищевой, а также косметической промышленностях.
Представлены также паровые котлы низкого давления зарубежного производства. Так, фирма Viessmann (Германия) производит котлы марки Vitoplex 100-LS производительностью 0,26-2,2 т/ч на жидком или газообразном топливе, с рабочим давлением в котле 7 атм.

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.

Системы отопления (СО) частных домов выполняются по двум основным схемам работы: отопление одноэтажного дома с естественной циркуляцией (ЕЦ) и принудительной (ПЦ) циркуляцией теплоносителя.
Несмотря на то, что вторая является более эффективной, система ЕЦ до сих пор достаточно часто используется в частном домостроении, особенно в небольших по площади одноэтажных домах.

Если говорить о том, как работает данная система, без использования технических терминов, то выглядит это так.

В отопительном котле нагревается определённый объём воды, вследствие чего она увеличивается в объёме, плотность её уменьшается. За счёт этого поступающая снизу холодная вода выдавливает её в верхнюю часть отопительной системы. Отсюда вода самотёком начинает перемещаться по СО, постепенно остывая и отдавая тепло радиаторам и трубам отопления. Завершив полный круг, она возвращается в нижнюю часть котла. Затем этот цикл повторяется.

Система отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома имеет особенности функционирования, которые достаточно часто используются для резервирования работы системы с ПЦ. Установленный в ней насос в штатном режиме работает, а при пропадании электропитания система переходит на работу по варианту с ЕЦ.

Общая информация.

Тот факт, что схема отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией практически не имеет движущихся элементов, позволяет эксплуатировать её без капитального ремонта длительное время. Если разводка СО проведена с использованием труб оцинкованных или полимерных, то сроки могут достигать пятидесяти лет.

ЕЦ автоматически подразумевает низкий перепад давлений на входе и выходе. Естественно, теплоноситель испытывает определённое сопротивление своему движению, проходя через отопительные приборы и трубы. С учётом этого определён оптимальный радиус для нормальной работы СО с ЕЦ, тридцать метров. Но надо понимать, что цифра достаточно условна и может колебаться.

В силу особенностей конструкции система отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома обладает высокой инерционностью. С момента розжига котла до стабилизации температуры в помещениях здания проходит не менее нескольких часов. Причина проста. Сначала прогревается теплообменник котла и только потом начинается медленное перемещение теплоносителя.

Важно, чтобы в тех местах, где трубы СО проложены горизонтально, они имели обязательный уклон по направлению течения теплоносителя. Этим достигается перемещение воды в системе без застоя и автоматическое удаление воздуха из системы в её верхнюю точку, которая находится в расширительном бачке. Он выполняется по одному из трёх вариантов: открытый, со встроенным воздушником или герметичный.

Схемы разводки

Водяное отопление одноэтажного дома с естественной циркуляцией может быть выполнено по нескольким различным схемам.

Работы, вне зависимости от выбранной схемы, начинаются с того, что создаётся план отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией.

Упомянутая схема предусматривает прокладку по периметру строения двух трубопроводов. Используется тогда, когда требуется обогревать достаточно большие площади. Верхний используется для подачи горячей воды в СО, нижний – для возврата охлаждённого теплоносителя в котёл. Между ними монтируются радиаторы. По возможности, котёл монтируется ниже последних. Трубы прокладываются с соблюдением уклона по току воды не менее 5 градусов.

Розливы, особенно в местах запитки сразу нескольких радиаторов, требуется выполнять с использованием трубы, диаметр которой ≥ 32 мм. Лучше всего подходит металлопластиковая, либо полимерная труба. Подводку непосредственно к каждому радиатору следует выполнять трубой диаметром 20 мм.

Если диаметры труб подобраны правильно, такая СО в балансировке не нуждается. Несмотря на это следует установить дроссели на подводках, идущих к радиаторам.

Отопление одноэтажного дома с естественной циркуляцией, выполненное по двухтрубной схеме, является наиболее дорогим вариантом с точки зрения его исполнения (материалы, работа), поэтому используется достаточно редко.

Простейшей системой, позволяющей обеспечить отопление одноэтажного частного дома своими руками, выполненной по указанной схеме, является «Ленинградка».
Условия монтажа (угол наклона и диаметры труб), аналогичны предыдущему варианту.

Специфика заключается в том, что радиаторы, в указанном случае, врезаются в основное кольцо отопления (параллельно основной трубе).

Кроме расширительного бака краны для стравливания воздуха, в обязательном порядке, ставятся на каждом из радиаторов. На ближних к котлу, и на самых дальних от него радиаторах ставятся термоголовки или дроссели, что помогает выравнивать температуру в них.

При выборе указанного варианта схема, по которой выполняется отопление одноэтажного дома с естественной циркуляцией, выглядит следующим образом.

На участках трубы, подающих в СО горячую воду, и возвращающих холодную в котёл, устанавливаются специальные коллекторы, представляющие собой гребёнки, на каждом отводе которых установлен дроссель. На каждый из радиаторов идёт две трубы, по одному с подачи и обратки.

Эта версия, с точки зрения возможностей для выполнения регулировки, наиболее удобная. Но её монтаж достаточно сложен, слишком много труб, которые, для сохранения приемлемого дизайна помещений, придётся убирать в полы или в за фальшстены, что автоматически приводит к значительному росту стоимости работ и приобретаемых материалов. Убедиться в этом просто, достаточно посмотреть на предварительно составляемый план отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией.

Преимущества и недостатки

Главными достоинствами СО, использующих для работы естественную циркуляцию, являются простота монтажа и длительный срок эксплуатации.

Однако плюсов без минусов не бывает. К числу основных недостатков указанных СО относятся:

Малое рабочее расстояние (радиус действия). Приемлемые характеристики достигаются только в том случае, когда длина трубопроводов ≤ 30 погонных метров.
Регулировать температуру в каждом из помещений дома по отдельности не представляется возможным технически.
Вода циркулирует в СО под небольшим давлением, что приводит к различным температурам в разных помещениях (тем ниже, чем дальше от котла).
Длительный промежуток времени, который требуется для выхода системы на рабочий режим и полного прогрева всех помещений дома.

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.

Вам также будет интересно:

Открытый тип

Система отопления открытого типа включает в себя открытый, негерметичный расширительный бачок. Такую конструкцию чаще используют в старых помещениях. Несмотря на то что она теряет популярность, открытая схема остаётся надёжной и работоспособной.

Схема работы

Схема отопления с естественной циркуляцией открытого типа отличается от закрытого только устройством бачка и отсутствием необходимости установки электрозависимого агрегата.

Фото 2. Открытый тип циркуляционной отопительной системы, оснащен негерметичным расширительным бачком, без электрического насоса.

Отличие конструкции

Бак для открытого устройства можно сделать из подручных материалов и небольшого размера. Располагать ёмкость не обязательно в самой верхней точке.

Положительные и отрицательные стороны

К плюсам конструкции можно отнести простоту её монтажа, безопасность и независимость от внешних источников питания. Отрицательные стороны систем открытого типа связаны с попаданием в контур воздуха , что является причиной образования пробок, испарение воды и необходимость контроля её количества, а также невозможность использования антифриза из-за его вредного влияния.

Однотрубная

Однотрубная конструкция использует только одну линию трубопровода. Обладает низкой эффективностью, поэтому используется для обогрева маленьких помещений.

Контур

Трубы от нагревающего котла проходят по всему периметру комнаты, последовательно соединяясь с регистрами.

Вход горячей воды в батарею осуществляется через верхнее соединение, а слив - через нижнее. От последнего регистра остывшая жидкость самотёком направляется обратно к котлу.

Описание конструкции

Чтобы система хорошо функционировала, контур устанавливают под потолком , а трубы, несущие остывшую жидкость к котлу - под поверхностью пола. При выборе однотрубной схемы котёл с батареями допустимо располагать на одном уровне. Расширительный бак устанавливают в высшей точке контура.

Достоинства и недостатки

Несомненным достоинством конструкции является простота её установки и экономичность из-за минимального количества труб. К недостаткам однотрубного контура относят потерю тепла от регистра к регистру. Для обогрева двухэтажных строений использование подобной системы не рекомендуется.

Двухтрубная

Для создания двухтрубной системы прокладывают трубопровод прямой подачи и обратного тока жидкости.

Планирование и монтаж конструкции довольно сложны , но обеспечивают эффективный обогрев.

Принцип работы

Контур должен быть тщательно продуман и сконструирован следующим образом:

Основной стояк, выходящий от котла, соединяют с расширительным бачком на расстоянии примерно 1/3 от общей высоты контура.
После бака основная труба соединяется с разводкой труб, по которым подаётся горячий теплоноситель.
Для удаления лишней жидкости бак оснащают трубой перелива , соединяя её с канализационной системой.
Трубы, по которым остывшая вода будет двигаться к котлу, устанавливают в нижней части регистров параллельно трубам, содержащим горячий теплоноситель.

Особенности строения

Основной стояк, а также помещение, в котором располагается бак, утепляют, что предотвратит потерю тепла и замерзание системы. Нагревающий котёл располагают ниже всего в углублении или в подвале.

Преимущества и слабые стороны

Главные преимущества двухтрубной самотечной системы отопления являются равномерное распределение тепла между узлами контура, простота регулировки, возможность использования труб меньшего диаметра.

Конструкция позволяет исправлять погрешности расчётов и монтажа без снижения теплоэффективности.

Недостатков у системы практически нет, за исключением длительных подготовительных мероприятий. Но ради создания отлично функционирующего отопительного контура стоит потратить время и силы.

Создание подходящего уклона для самотёка

Основные требования, нормы, применяемые к созданию отопительных систем, представлены в СНиП 41-01-2003.

Чтобы снизить факторы, противодействующие нормальному току теплоносителя в трубах (изгибы контура, воздушные пробки), соблюдают рекомендации по уклону труб системы. Уклоны делают по ходу тока жидкости из расчёта от 1 до 5% в зависимости от длины трубопровода. Благодаря правильному уклону, воздух, накопившийся в трубах, пройдёт к расширительному баку, где получит выход.