Естественная циркуляция воды в системе отопления

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.

В квартирах с индивидуальным отоплением и небольших загородных домах самой распространенной считается система отопления с естественной циркуляцией.

Отопление с естественной циркуляцией включает в себя водонагревательный котел, обратный и подающий трубопроводы, нагревательные радиаторы и расширительный бачок.

Они используют лишь природные законы физики и не требуют дорогостоящего оборудования или дополнительных источников энергии.

Недостатками этих вариантов отопления являются:

1. Достаточно малый радиус действия. По горизонтали эти системы не могут быть длиннее 30м, поскольку в них очень небольшое циркуляционное давление.
2. Большая инертность обеспечивает замедленное ее включение, что еще и обусловлено большой теплоемкостью воды и низким давлением.
3. Повышенная вероятность замерзания воды в бачке расширения или трубах, подводящих воду к нему. Такой бачек обычно устанавливается в неотапливаемых помещениях.
4. Увеличение затрат для приобретения труб большего диаметра.

Отопление с естественной циркуляцией включает в себя водонагревательный котел, обратный и подающий трубопроводы, нагревательные радиаторы и расширительный бачок.

Отопление с естественной циркуляцией воды – принцип работы

Подогреваемый в котле теплоноситель (вода) протекает по подающему трубопроводу, а затем по стояку в радиаторные батареи, которым отдается тепло.

После этого вода по обратным трубопроводам снова возвращается в котел, где опять происходит ее нагрев до необходимой температуры. Цикл многократно повторяется.

Водяное отопление с естественной циркуляцией требует прокладки трубопроводов по горизонтали с небольшим наклоном, обращенным в сторону протекания водного потока.

Подогретая вода, поднимаясь по стоякам из-за температурного расширения, выдавливается более холодным потоком воды, исходящим из обратки. После этого подогретая вода растекается самотеком по горизонтальным отводам, а охлажденная вода (таким же образом) поступает в котел.

Наклон труб способствует отведению воздушных пузырьков к расширительному баку, поскольку газ легче, чем вода — он устремляется вверх, а наклонные трубы помогают ему не задерживаться и поступать в расширитель, а после — в атмосферу.

Расширительный бак оставляет давление во всей системе постоянным, он служит для принятия увеличивающейся при нагревании объема воды, а после охлаждения снова отдает ее в трубопровод.

Схема отопления с естественной циркуляцией вызывает подъем воды за счет расширения при нагреве или же под воздействием гравитации.

Схема отопления с естественной циркуляцией. Нажмите для увеличения.

Циркуляция возникает за счет разности плотности нагреваемой воды, которая поднимается вверх по подающему стояку, и охлажденной воды, спускающейся по обратному стояку.

Гравитационное давление растрачивается на перенос теплоносителя, а также на преодоление сопротивления в трубопроводной сети. Эти сопротивления вызываются особым трением водного потока о стенки труб, а также присутствием в самой системе местных сопротивлений.

К таким местным сопротивлениям относят повороты и ответвления труб, арматуру, а также сами нагревательные приборы. От того, насколько большое внутреннее сопротивление будет возникать в трубопроводах, будет зависеть гравитационное давление. Для уменьшения трения применяют трубы увеличенного диаметра.

Как появляется циркуляционный напор?

Графическая схема возникновения циркуляционного напора. Нажмите для увеличения.

Отопление с естественной циркуляцией характеризуется скачкообразным изменением температуры в радиаторах и котле. Она изменяется вдоль центральной оси этих приборов.

В верхней части котла или радиатора находится горячая вода, а в нижней части — более холодная.

Нагретая вода имеет плотность и вес несколько меньший, чем холодная.

Такая вода, под действием гравитационных сил, вынуждена перемещаться из верхних сосудов в нижние.

Поскольку отопление дома имеет замкнутый контур по все обогревательной системе, то вода в нем не выплескивается, а стремится «успокоиться» и занять определенный уровень, но это ей не удается осуществить, поскольку в котле теплоноситель постоянно подогревается в верхней половине контура, при этом несколько уменьшая его вес относительно охлажденной воды.

Из-за того, что высокий столб утяжеленной воды после прохождения радиаторов все время выталкивает более низкий столб охлажденной воды впереди котла и подталкивает воду, возникает естественное циркулирование.

Другими словами — чем выше размещены центры радиаторов от центра котла отопления, тем большим будет циркуляционный напор.

Высота установки батарей отопления является одним из основных показателей напора воды. Уклон подающего трубопровода в сторону радиаторов, а также обратки в сторону котла будет лишь еще более способствовать этому процессу, одновременно помогая воде преодолевать в трубах местное сопротивление.

Монтаж отопления с естественной циркуляцией для частного дома нужно осуществлять таким образом, чтобы котел находился ниже всех отопительных приборов (к примеру, в подвале).

Для квартирного отопления, если котел будет установлен непосредственно в помещении на одном уровне с радиаторами, для создания большего циркуляционного напора отопительный агрегат следует устанавливать в «яму» — прямо на плиту перекрытия, предварительно выпилив вокруг него пол. Такую «яму» следует оборудовать асбестовыми плитами и железом.

Саморегулирующаяся величина циркуляционного напора

Следующим показателем, от которого зависит величина циркуляционного напора, является разница между плотностью протекающей горячей и холодной воды. Следует отметить, что системы с естественным циркулированием теплоносителя относят к саморегулирующимся.

Для проведения эффективной настройки, при изменениях температуры подогрева воды, в такой системе возникает самопроизвольное изменение — увеличивается расход теплоносителя.

Вследствие изменения плотности, в горячей воде будет увеличиваться естественное циркуляционное давление, что приведет к увеличению количества протекающей в системе воды.

Чем больше нагрета в котле вода и чем быстрее она охлаждается в радиаторах, тем скорее она будет циркулировать. Нажмите для увеличения.

Заходя в батареи радиаторов, она будет отдавать им свою теплоту, а плотность ее при этом будет пропорционально повышаться. Чем существеннее разница между плотностью горячей и охлажденной воды, тем большим будет циркуляционный напор во всей системе.

Таким образом, чем больше нагрета в котле вода и чем быстрее она охлаждается в радиаторах, тем скорее она будет циркулировать, «бегать» по трубам. Этот процесс будет замедляться по мере прогревания помещений.

После теплоноситель начнет остывать в батареях меньше, а плотность его уже не так сильно будет отличаться от плотности только что вышедшего потока из котла, поэтому циркуляционный напор будет уменьшаться.

Вода не так быстро «бегает» в трубах, не носится как «угорелая», чтобы обогреть помещения, а медленно и степенно перетекает в них.

И лишь после того, как в помещении температура начнет снижаться, к примеру, из-за резкого похолодания снаружи или же просто долго открытой двери, напор циркулирования начнет повышаться и вода побежит в трубах быстрее, стремясь поскорее выровнять температуру.

Естественное отопление – преимущества

К достоинствам этих систем отопления можно отнести:

1. простоту монтажа и ввода в эксплуатацию;
2. относительную экономичность;
3. отсутствие насоса для перекачивания воды в системе позволяет избежать шумов и вибраций;
4. высокую долговечность (свыше 40 лет без капитальных ремонтов);
5. способность к саморегуляции. Одновременное изменение температуры воды и ее расхода обеспечивает хорошую теплоотдачу приборов отопления, которая необходима для поддержки заданного параметра температуры в помещении. Такие системы сами себе придают тепловую устойчивость.

Естественное отопление дома имеет большую инертность, что помогает поддерживать заданный комфортный режим микроклимата без дополнительного расходования энергии.

Виды систем отопления домов

Отопление с естественной циркуляцией имеет несколько разновидностей. Оно может быть:

1. двухтрубным с верхней разводкой;
2. двухтрубным с нижней разводкой;
3. однотрубным с верхней разводкой.

В системах с естественным перетеканием теплоносителя в малоэтажных строениях величина циркуляционного давления сравнительно небольшая.

Поэтому в них не стоит допускать очень больших скоростей перетекания воды по трубам. Для таких систем рекомендуется устанавливать трубы большого диаметра.

При значительной длине трубопровода внутреннее сопротивление в нем возрастает, а из-за увеличения диаметра, оно уменьшается. Довольно часто можно наблюдать, что диаметр трубы на дальнем стояке от котла существенно больше, чем самый ближний.

Рассчитывая диаметры и расстояния до труб, можно уравнивать параметры сопротивления, а также количество воды, перемещаемой по системе.

Двухтрубные системы отопления

В двухтрубных системах отопления все нагревательные приборы, которые размещены с отопительным котлом на одном уровне или же ниже его, не будут нагреваться вообще.

Двухтрубная система отопления с естественной циркуляцией. Нажмите для увеличения.

Практика показывает, что для этих систем наименьшее расстояние между центров нагревательных элементов, располагающихся на первых этажах и центром отопительного котла должно быть не меньшим, чем 3 метра.

Для такой двухтрубной системы монтажа котельная должна размещаться в подвальном помещении.

Однотрубное отопление с естественной циркуляцией воды

Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией. Нажмите для увеличения.

Ведь гидростатический напор, который заставляет перетекать воду по системе, может образовываться из-за охлаждения воды в трубах, подводящих подогретую воду в батареи радиаторов или же отводящих охлажденную воду от самих батарей прямо к отопительному котлу.

Такое остывание трубопроводов приносит двойную пользу:

1. Во-первых — оно прекрасно способствует созданию повышенного гидростатического напора.
2. Во-вторых — создает дополнительный обогрев помещений.

Из-за этого эффекта в однотрубных схемах трубопровод прокладывается открыто и его ничем не изолируют. А самый главный трубопровод — стояк для подачи горячей воды — старательно теплоизолируется.

Остывание воды в этом стояке может привести к снижению температуры, увеличению плотности самого теплоносителя, что приведет к падению гидростатического напора во всей системе. Именно так и происходит саморегулирование системы.

Естественное отопление дома, благодаря одновременному изменению количества воды и ее температуры, будет обеспечивать необходимую теплоотдачу во всех приборах отопления, что будет способствовать поддержке ровного микроклимата, обеспечивающего комфортную температуру.

Систему отопления с естественной циркуляцией водяного теплоносителя запантетовал в 1832 г. российский ученый-металлург П.Г. Соболевский. В наш век стремительно изменяющихся технологий эту схему (называемую также гравитационной или самотечной) теплоснабжения частного дома можно было бы считать морально устаревшей, если бы не ее простота, надежность и экономичность. Самотечная система отопления по-прежнему широко используется в строительстве своими руками собственного дома и считается оптимальным технико-экономическим решением. Небольшое давление в сети ограничивает область ее применения, но для одноэтажного жилого здания данная схема весьма эффективна и часто рассматривается в качестве альтернативы отоплению с использованием насосных агрегатов.

Система отопления частного дома с естественной циркуляцией

Схема отопления с естественной циркуляции

Схема движения водяного теплоносителя в системе отопления с естественной циркуляцией

В схеме приняты следующие обозначения:

• поз. 1 – котел отопления;
• поз. 2 – бак расширительный;
• поз. 3 – радиаторы отопления;
• Т1 – нагретый теплоноситель, красными стрелками показано направление его движения;
• Т2 – остывший теплоноситель, синие стрелки указывают на его движение в контуре.

В автономном отоплении одноэтажного или двухэтажного собственного дома допускается применение специальных незамерзающих составов-антифризов, но в системах с естественной циркуляцией теплоносителя использовать антифризы не рекомендуется.

Главные недостатки антифризов для использования в контуре отопления естественной циркуляции:

• В схеме отопления с естественной циркуляцией в конструкциях расширительных баков предусмотрен контакт с окружающим атмосферным воздухом. Антифризы быстро испаряются, загрязняя окружающую экологию;
• Необходимость постоянного контроля за объемом теплоносителя и его периодическом пополнении;
• У антифризов низкая теплоотдача, способствующая малому съему тепла радиаторами от теплоносителя при его циркуляции. Это приводит к перегреву антифриза в контуре и самого котла;
• Использование перегретого антифриза в замкнутом контуре способствует обильному образованию отложений внутри теплообменника, забивающих проходное сечение в трубках.

Наиболее оптимальным носителем тепла в контуре гравитационного типа для отопления одноэтажного или двухэтажного жилого здания является водяной теплоноситель благодаря своей дешевизне и доступности.

Естественная циркуляция в контурах отопления

Основными функциональными элементами системы отопления с естественной циркуляцией жилого здания являются:

• Котел, нагревающий водяной теплоноситель;
• Расширительный бак, представляющий собой емкость для сброса излишков воды, появляющихся при увеличении объема водяного теплоносителя в контуре при его нагреве;
• Трубопроводы подачи из котла горячей воды в отопительные радиаторы и возврата остывшей жидкости из радиаторов обратно в котел (за что возвратная часть теплосети в обиходе получила название обратки). Вместе они составляют замкнутый контур циркуляции теплоносителя;
• Отопительные радиаторы.

Схема теплосети отопления с естественной циркуляцией для обогрева частного дома

При разогреве теплоносителя его объем увеличивается, излишки нагретой воды поднимаются вертикально вверх к расширительному баку, в системе создается гидростатическое давление, зависящее от разности весов водяных столбов горячей (линия подачи) и холодной (линия обратки) воды.

Под этим давлением горячая вода поступает с верхней точки теплотрассы (красная линия на схеме) к радиаторам отопления. Остывшая в радиаторах вода поступает по обратке (синяя линия) на вход котла. Самотечная система отопления в одноэтажном или двухэтажном доме работоспособна лишь в том случае, если при монтаже обеспечены уклоны горизонтальных участков трубопроводной теплотрассы в сторону движения жидкости. Тогда теплоноситель сможет перемещаться вниз под действием собственного веса с наименьшим гидравлическим сопротивлением.

Другим фактором, влияющим на перемещение жидкости, является циркуляционный напор, обозначенный на рисунке буквой Н. Чем выше перепад уровней размещения радиаторов и котла, тем быстрее движение воды в контуре.

В гравитационных системах отопления расширительный бак не закрывается крышкой, поэтому нередко данную систему называют открытой. Все воздушные пробки из теплотрассы вытесняются в верхнюю часть контура, там и устанавливают бак, открытый для контакта с атмосферой. Систему, использующую герметичные баки, называют закрытой. В ее составе используется насос, по принципу действия она уже принудительного характера.

Скорость движения воды

При цикличных изменениях температуры горячая вода находится в верхней части теплосети, холодная влага движется в нижних трубах. Основной побудительной силой для естественного (без принуждения от насоса) движения жидкости в контуре является циркуляционный напор, зависящий от соотношения высот расположения котла и самого нижнего радиатора. На рисунке ниже представлена графическая схема возникновения циркуляционного напора h. Параметр h имеет постоянную величину для данной схемы и не изменяется во время работы системы отопления.

Схема возникновения циркуляционного напора

Для создания оптимального напора отопительный котел устанавливается с максимальной глубиной размещения, например, в подвале. В свою очередь, расширительный бак необходимо установить повыше. Довольно часто его ставят на чердаке дома.

Скорость циркулирования воды в контуре при монтаже своими руками гравитационной отопительной системы частного дома определяется следующими факторами:

1. Величиной циркуляционного напора. Чем он больше, тем выше скорость протекания воды в теплотрассе;
2. Диаметрами труб отопительной разводки. Малые размеры внутреннего сечения трубы будут оказывать большее сопротивление водяному потоку, чем трубы с диаметром побольше. Для однотрубной или двухтрубной самотечных систем под разводку намеренно завышают размеры труб до Д_у 32-40 мм;
3. Материалами изготовления труб контура. У современных полипропиленовых труб сопротивление потоку в несколько раз ниже, чем у поврежденных коррозией и покрытых отложениями стальных трубопроводов;
4. Наличием поворотов в сети теплотрассы. Идеальный вариант – прямой трубопровод;
5. Обилием арматуры, переходников, подпорных шайб. Каждый вентиль снижает величину напора.

Процессы естественной циркуляции весьма инертны и протекают медленно. Время между растопкой котла и полной стабилизацией температуры в помещениях составляет несколько часов.

Монтажные схемы контуров

По способу присоединения радиаторов отопления принято выделять две схемы монтажа контуров отопительных систем: однотрубную и двухтрубную.

Для однотрубной монтажной сборки своими руками характерно последовательное расположение обогревающих приборов на подающем контуре. Пройдя от верхней точки сквозь все радиаторы (линия красного цвета), вода возвращается по обратке (линия синего цвета) к котлу.

Однотрубная схема самотечной системы отопления

В двухтрубной схеме монтируются два отдельных контура циркуляции. По одному протекает горячий теплоноситель, подводящий тепло к радиаторам, по другому контуру – остывшая вода отправляется от радиаторов к котлу.

На рисунке ниже показана двухтрубная система отопления двухэтажного дома. Раздача теплоносителя (линия красного цвета) по радиаторам начинается с максимальной высоты Н, обеспечивающей требуемый циркуляционный напор. Остывший теплоноситель (линия синего цвета) собирается в обратке и направляется на вход котла.

Двухтрубная схема самотечной системы отопления

Схема циркуляции. Видео

О том, что из себя представляет схема отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, можно узнать из видео ниже.

Гравитационные системы обогрева частного дома импонируют своей простотой устройства, легкостью обслуживания и энергонезависимостью. В них отсутствуют насосные агрегаты, своим шумом создающие дискомфорт проживающим, нет вибраций, сопровождающих их работу. Срок безаварийной службы систем с естественной циркуляцией оценивается в полвека, поскольку в них отсутствуют электрические насосы и средства автоматики. В целом самотечные схемы проигрывают принудительным системам отопления по ряду пунктов:

• излишняя инерционность вынуждает ждать несколько часов, пока контур выйдет на требуемый тепловой режим;
• сложность монтажа, вызванная необходимостью точных расчетов уклонов горизонтальных участков теплотрассы;
• отсутствие насоса ограничивает общую протяженность теплотрассы;
• постоянный контроль уровня теплоносителя в расширительном баке.

Наиболее подходящей областью применения системы с естественной циркуляцией являются частные дома невысокой этажности (1-2 этажа), площадью до 100 кв. м и горизонтальным радиусом самотечной цепи не более 30 м.

Размещение оборудования системы отопления с естественной циркуляцией в доме