В условиях холодного климата отопление играет важную роль в создании жизненного комфорта. А в зданиях с большой площадью печное отопление становится неэффективным. В таком случае лучше использовать системы с теплоносителем, нагреваемым в котле. Самый простой вариант – самотечное отопление частного дома, будет работать, только если будут соблюдены обязательные условия при проектировании и монтаже.
Принцип работы самотечной системы отопления частного дома
Любая система отопления, предполагающая использование теплоносителя, работает за счет его нагревания и последующего остывания. Так тепло, получаемое от сжигания топлива в котле, раздается по всему зданию. Теплоноситель, имеющий высокую температуру, поступает по трубам в радиаторы. Остывая в них, он возвращается в котел, чтобы снова нагреваться. А тепло, исходящее от поверхности радиаторов, обогревает помещения.
Существует две основных разновидности таких систем – с естественной циркуляцией теплоносителя, и с принудительной.
Как следует из названия, самотечная система отопления (ее иногда называют гравитационной) отличается от принудительной отсутствием насоса, который необходим для побуждения к циркуляции.
Движение в системе с естественной циркуляцией осуществляется лишь за счет разницы в весе холодной и горячей воды. Основные преимущества очевидны:
- самотечное отопление частного дома может быть совершенно автономным и независимым от наличия инженерных коммуникаций;
- устройство естественной циркуляции отопления несложно выполнить своими руками;
- правильное отопление с естественной циркуляцией эффективно, экономично и безопасно.
Как же работает самотечное отопление частного дома без насоса? Секрет в том, что вес воды (как и любой жидкости) понижается с повышением температуры. Жидкость увеличивается в объеме, а плотность уменьшается. При температуре, близкой к кипению, вода насыщается воздухом и становится легче.
Зависимость веса кубометра воды от температуры
Стоит обратить внимание, что если вес одного кубометра воды при температурой 90°С и 80°С различается на 6,5 килограмм, то при температуре 40°С и 30°С – всего на 3,5 кг. Это очень важное явление, которое нельзя не учитывать при выборе диаметра труб.
И как же это сделать? Один кубометр воды при температуре 90°С весит 965 килограмм, а при 80°С – 971 килограмм. Если же снизить температуру с 90°С до 70°С, то куб станет на 12 килограмм тяжелее. На этом явлении и основан принцип работы самотечной системы отопления. Из котла нагретый теплоноситель поступает в разгонный коллектор под давлением поступающей в котел холодной воды, имеющей больший вес (это происходит, так как система практически замкнутая).
Уже на выходе из коллектора, вода теряет несколько градусов, а после прохода через радиаторы она остывает еще сильнее. В результате в дальних от котла стояках вода давят вниз сильнее, так как она в них холоднее. Соответственно скорость движения ее может быть больше.
Поступая под действием гравитации в котел, холодная вода вытесняет горячую , имеющую меньший вес, обратно в систему отопления. Такое движение происходит циклично. В замкнутой системе отопления естественная циркуляция будет продолжаться до тех пор, пока котел нагревает воду до нужной температуры.
Диаметр трубы для самотечного отопления
Первое и основное условие надежной работы гравитационного отопления – большой диаметр стояков (вертикальных магистральных труб) и лежаков (верхних и нижних горизонтальных подводящих труб). И по этому поводу часто можно услышать одно из главных заблуждений:
Миф 1-й: В самотечной системе отопления с тонкими трубами циркуляции не будет никогда.
Это не совсем так. Циркуляции можно добиться и при тонких трубах. Однако для комфортного отопления такая система будет непригодна.
Дело в том, что в тонкой трубе окажется воды меньше, чем в толстой. И это понятно – площадь сечения увеличивается в зависимости от диаметра в квадратичной пропорции. В трубе диаметром, например, 20 мм при высоте стояка 6 метров будет всего два литра воды. При разнице температур между «подачей» с 60°С и «обраткой» с 40°С вес в них будет различаться на 11 грамм. Этого уже достаточно, чтобы привести в движение воду – тяжелая холодная начнет давить вниз. Но при большой длине труб трение воды об их стенки уравновесит силу тяжести и циркуляции не будет. Запустить ее можно двумя способами:
- увеличить разницу температур между «подачей» и «обраткой»;
- увеличить начальную температуру «подачи» – разница в весе при высоких температурах ощутимее (см. таблицу).
Первый способ обычно и применяют – включают в циркуляционную систему радиаторы отопления. Они быстрее остужают теплоноситель, забирая из него тепло и отдавая в помещение. Но это не может происходить бесконечно. Сравнявшись с комнатной температурой, вода перестанет остывать, а разница в весе еще не будет достаточной для естественной циркуляции. К тому же сами радиаторы тоже увеличивают сопротивление системы.
В результате приходится нагревать воду в котле до более высокой температуры. Циркуляция запустится, но тогда в доме станет жарко, ведь температура теплоносителя поднимется выше расчетной. Да и КПД такой системы резко упадет. Дело в том, что холодная вода «принимает» большее количество теплоты от сжигания топлива, нежели горячая. Поэтому при попытке нагреть горячий теплоноситель еще сильнее, большая часть тепла от сгорания топлива будет буквально вылетать в трубу котла, оставшись неиспользованной.
А теперь – расчет для трубы диаметром 50 мм. В шестиметровом стояке из такой трубы вместится почти 12 литров воды. А при разнице температур между «подачей» с 60°С и «обраткой» с 40°С вес будет различаться уже на 72 грамма. Такая система будет циркулировать и при более низкой температуре. Это позволит осуществлять топку котла равномернее и эффективнее, поднимая температуру, только если это необходимо для обогрева помещения.
Диаметр труб для гравитационной системы отопления частного дома должен быть как можно больше, и уж точно не меньше выходного и входного патрубков котла. При этом нельзя забывать, что диаметр нижней разводки не может быть меньше, чем у верхней. В противном случае движение воды будет затруднено.
Угол наклона трубы отопления при естественной циркуляции
Миф 2-й: Если монтаж гравитационной системы отопления выполнен без уклона в сторону движения воды, то и циркуляции не будет.
И это утверждение тоже в корне неверно. Как уже объяснялось выше, циркуляция возникает не от того, что вода движется сверху вниз «самотеком», хоть иногда систему так и называют. Движение происходит из-за разницы веса воды в закольцованной схеме. Если ее разомкнуть, вода, конечно, двигаться по горизонтальным участкам не станет. А вот при соблюдении прочих условий, циркуляция будет, даже если горячей воде придется подниматься вверх по контруклону. И это совершенно естественно. Ведь поднимается же она от котла по совершенно вертикальному коллектору. Просто снизу ее подпирает холодная вода с большим весом. Таким образом, самотечная система отопления частного дома без уклона тоже будет работать.
Однако смысл в том, чтобы делать лежаки с уклоном в сторону движения теплоносителя, все же присутствует. Дело в том, что в водяной системе с естественной циркуляцией, как и с принудительной, всегда будет собираться воздух. Он будет выделяться из воды при нагревании или будет попадать в систему при пополнении теплоносителя.
В принудительной системе насос разгонит этот воздух и теплоноситель будет двигаться вместе с ним. А в гравитационной системе скорость движения низкая. Поэтому воздух, собравшись в какой-либо точке, образует пробку, которая будет препятствовать движению воды.
Такую воздушную пробку можно удалить, установив в самом высоком месте системы кран для спуска воздуха. Однако если таких мест сбора воздуха будет несколько, обслуживание системы будет затруднено.
Если уклоны (не обязательно их делать большими) будут равномерными и не будет контруклонов, при заполнении системы весь воздух будет выдавливаться к спускному крану.
Заполнять трубы отопительной системы нужно, подключившись к ее нижней точке, и очень медленно. При большой скорости подачи воды в трубах обязательно останется воздух.
Расширительный бак для самотечной системы отопления частного дома
Миф 3-й: Расширительный бак для самотечной системы отопления должен быть обязательно открытого типа.
Расширительный бак в системе отопления необходим для выравнивания давления в ней. При нагревании объем жидкости увеличивается, а для правильной работы и надежной циркуляции потребуется удалять из труб ее излишки. Если этого не сделать, давление может разорвать трубы и радиаторы.
Для выравнивания давления и устанавливают расширительный бак. Вода выдавливается в него, а вместе с ней обычно выходит воздух. Поэтому расширительный бак рекомендуется устанавливать в самой высокой точке системы. Однако ничто не мешает установить такой бачок в любом месте системы.
Давление жидкости одинаково во всех точках и зависит только от высоты гидравлического столба. Поэтому в нижней точке системы оно будет наибольшим. Это потребует установки бака более надежной конструкции. К тому же, он должен быть герметичным, иначе теплоноситель выльется. В таких конструкциях применяют мембранный бак закрытого типа.
Самым простым в обслуживании является вариант, когда самотечное отопление частного дома оборудовано закрытым расширительным бачком установленным в верхней точке водяной системы, а в нижнюю трубу подключена система подпитки. Она представляет собой трубу, которая выходит вверх и заканчивается небольшим открытым бачком. Если снабдить трубу краном, то после заполнения системы и выхода на рабочую температуру, его можно закрыть. В результате получится закрытая система отопления с естественной циркуляцией. Если перед расширительным бачком установить кран для стравливания воздуха, такую систему легко будет обслуживать самостоятельно.
Расположение радиаторов в системе естественной циркуляции и их подключение
Миф 4-й: Если нижние радиаторы расположены ниже средней линии котла, то циркуляции не будет и система без насоса работать не будет.
На самом деле для циркуляции неважно, на какой высоте будут установлены радиаторы. Иногда на нижнем этаже их просто невозможно расположить выше котла. Побуждением к циркуляции станет увеличивающийся вес остывающей воды в дальнем стояке. Он будет перевешивать вес разогретой воды в подающем коллекторе. Точно так же, остывая в каждом стояке и в радиаторах верхних этажей, теплоноситель под своим весом будет двигаться и через нижние приборы отопления. Поэтому утверждение о том, что циркуляции не будет, несостоятельно.
Однако подводные камни есть и здесь. Дело в том, что температура нижних радиаторов при расположении на уровне котла, будет невелика. Ведь скорость движения теплоносителя зависит от скорости его остывания. На одной высоте в системе он будет иметь примерно одинаковую температуру.
То есть температура радиаторов, расположенных ниже котла, будет не выше, чем у «обратки». Потребуется увеличивать полезную площадь поверхности отопительных приборов, увеличивая число секций или самих радиаторов.
Читайте, как рассчитать количество секций радиаторов на комнату в доме или в квартире.
Разрабатывая схему отопления с естественной циркуляцией воды, рекомендуется располагать котел как можно ниже. Если есть подвальное или полуподвальное помещение, то это идеальное место для котельной. Ну а если все же не удается разместить котел в нижней точке дома, то рекомендуется расположить радиаторы как можно выше.
Утепление главного коллектора
Особую роль играет то, как функционирует разгонный коллектор в системе отопления естественной циркуляции. Это, как правило, труба большого диаметра, по которой и поднимается рабочий теплоноситель. Диаметр коллектора не должен быть менее выходного отверстия котла.
Очень часто плохая работа системы отопления с естественной циркуляцией связана с тем, что в главном коллекторе теплоноситель остывает. Так как он здесь имеет самую высокую температуру, то и потери значительны. Ведь чем горячее жидкость, тем быстрее температура стремится выровняться с окружающей средой.
Чтобы улучшить работу системы, иногда достаточно лишь утеплить коллектор. Возможно, в этом случае некоторые дальние радиаторы, которые не прогревались до необходимой температуры, станут отдавать тепло в помещения.
Котел для самотечного отопления и его подключение
Особое внимание следует уделить выбору котла для самотечного водяного отопления. По сути, любой отопительный агрегат, предназначенный для работы с принудительной циркуляцией, будет работать и в самотечной системе. Однако для надежной работы необходимо выполнение нескольких условий:
- входной и выходной патрубки котла должны быть достаточно большого размера;
- внутренние элементы котла должны быть достаточно объемными, так чтобы сопротивление движению жидкости было минимальным;
- выходной патрубок должен быть направлен вверх, а не в сторону.
Читайте, как выбрать мощность котла для отопления частного дома.
Подключение котла к системе должно производиться трубами не меньшего диаметра, чем входной и выходной патрубки. Допускается незначительное уменьшение сечения на небольшом участке магистрали, однако протяженность такого участка должна быть невелика.
Правильная схема естественной циркуляции водяного отопления
Итак, самотечное отопление частного дома с естественной циркуляцией необходимо проектировать, соблюдая ряд условий:
- секции котла и трубы магистрали (стояки и лежаки) должны быть как можно большего диаметра;
- для того, чтобы система не завоздушивалась, лежаки не должны быть идеально горизонтальными, а небольшой уклон должен быть направлен от самой высокой точки в направлении движения теплоносителя;
- схема самотечного отопления в частном доме должна быть оборудована расширительным баком, подключенным в самой верхней точке;
- котел для самотечной системы отопления необходимо располагать как можно ниже по отношению к остальным элементам системы, что обеспечит лучший нагрев радиаторов, а соответственно и комнаты, в которой они расположены;
- главный коллектор и все трубы самотечной системы, проходящие в неотапливаемых помещениях, должны быть хорошо утеплены.
А вот устанавливать теплоаккумулятор для отопления с гравитационной системой не рекомендуется — эффект он не даст, а дополнительное сопротивление для движения теплоносителя обеспечит.
Несоблюдение одного из вышеприведенных условий может значительно ухудшить работу системы. Если же пренебречь двумя или более, отопление может не работать вовсе. И наоборот, правильная самотечная система отопления, выполненная своими руками, обеспечит тепло при любых погодных условиях.
Основная цель применения самотечной системы отопления — частые перебои с электричеством. Жители сельской местности, особенно вдалеке от города, предпочитают в своих домах самотечную систему отопления.
Во-первых, это дешевле, чем система отопления с принудительной циркуляцией.
Во-вторых, требует меньше затрат на обслуживание.
В-третьих, в условиях перебоев с электропитанием более надежно и долговечно.
Несмотря на кажущуюся простоту, рассчитать и предварить в жизнь самотечную систему сложно. Ошибки в проектировании и монтаже ведут к некорректной работе или даже к неработоспособности.
Самотечная система отопления частного дома представляет собой прогрев элементов путем естественной циркуляции жидкости внутри трубопровода, где нет насоса.
Рассмотрим более подробно условия расчета естественного отопления.
Как рассчитывается самотечная система
Наилучший и, наверное, единственный качественный пример использования самотека будет одноэтажный дом небольшой площади.
Обязательное условие хорошей работы самотека — наличие чердачного помещения. Чердак необходим для размещения расширительного бака. Циркуляция осуществляется за счет гравитационного принципа. Таким образом, принцип работы самотека и движения жидкости заключается в разнице нагрева воды.
Нагретая вода имеет меньший вес по сравнению с холодной. Вода расширяется и поднимается по стояку, далее двигается по горизонтальным трубопроводам «лежакам», остывая, опускается вниз.
- Один куб нагретой до температуры 90 о С воды весит 965,3 кг.
- Вода с температурой 80 о С – 971 кг.
- Вода с температурой 40 о С – 992 кг.
- Нагретая вода 30 о С – 995 кг.
Эти цифры нужны, чтобы иметь представление о движении теплоносителя. Разница в массе обуславливает движение теплоносителя.
Потери энергии и обеспечение движения жидкости
Какие нужны условия для обеспечения циркуляции теплоносителя:
- Для самотека обязательно нужен специальный котел, его отличают отверстия большого диаметра для входной и выходной трубы.
- Наличие чердака, где необходимо разместить расширитель.
- Трубы диаметром от 1,5 дюймов (примерно 40 мм).
- Средняя линия радиаторов должна быть выше средней линии котла.
- Котел должен размещаться в приямке, ниже уровня пола примерно на 20-30 см. Это условие необходимо, чтобы «обратка» там, где она пересекает дверные проемы, лежала ниже и на уровне порога.
Соблюдение условий – это отсутствие потерь энергии и обеспечение беспроблемной циркуляции жидкого теплоносителя.
Напор воды в самотёчной системе рассчитывается по обычной кольцевой схеме. По одной вертикали проходит восходящая тяга от котла, суммарный вес столба теплоносителя с соответствующими температурами. На второй вертикали отложен падающий участок с остывающей водой и указанным весом столба с соответствующей температурой. То есть разница весов двух половин и есть искомый циркуляционный напор системы.
При этом не нужно знать ни геометрию сети, ни диаметры труб, а лишь перепад между верхними и нижними точками и перепады температур по вертикальным участкам. Зная гравитационный напор, можно проектировать сеть под него с подбором диаметров и подсчетом сопротивлений.
Считается, что для самотечной системы требуется уклон. Однако это не всегда важно. Эксплуатация отопительной системы возможна и с уклоном, и без. Работа будет происходить за счет нагрева теплоносителя. Хотя, конечно, с уклоном система функционирует лучше.
Уклон важен потому, что на сверхнизких скоростях потока по трубопроводу больших диаметров тепловое расслоение возникает не только по длине трубы, но и по вертикальным участкам труб. Разница температур оказывается заметной уже по сечению лежачей трубы.
При малой мощности отопления в период между сезонами возможна ситуация, когда в верхнем лежаке с контруклоном холодная вода будет по обратному уклону стекать обратно в котел по верхней подающей трубе, даже не доходя до радиаторов. Получается некий противоток внутри одной трубы.
Такое явление широко известно по работе радиаторов на 30% мощности при закрытии только верхнего крана в боковой подводке. В этом случае через нижнюю подводку поток теплоносителя идёт внутрь по верхней половине трубы, и наружу идёт холодная вода по нижней части трубы.
Особенности системы обогрева с естественной циркуляцией
Есть нюанс: автоматической регуляции в такой системе нет. Регулировать движение возможно вручную: подачей топлива в газовый котел. Гасим горелку изменением положения ручки управления газового клапана. Если жарко, подачу топлива уменьшают, если холодно, поступление газа усиливают. Самотек «съедает» топлива на порядок сильнее, чем с насосом, где можно отрегулировать температуру.
Особенности, которые влияют на стоимость
Самотек требует монтажа труб с большим диаметром. Они дороже и не всегда подходят к интерьеру. Несмотря на кажущуюся простоту, самотек обойдется дороже отопления с насосом. На стоимость влияют:
- большие диаметры труб;
- сварочные работы: из-за наличия большого количества скруток — это источник протечек, а нанять грамотного сварщика стоит дорого;
- большое количество материала и сложность работы.
Какие применить трубы
Диаметр труб не меньше 32 мм, но практики говорят, что лучше всего, если диаметр составит 40 мм. Трубы 50 мм не будут хуже, они сделают систему значительно эффективнее.
Трубопроводы в помещениях размещают открыто. Это делают с целью улучшения циркуляции за счет охлаждения воды в трубах и для поддержания гидростатического напора. Лучший выбор — металлические трубы. Они сами по себе являются дополнительным нагревательным элементом и отдают тепло в помещение.
Котел, радиаторный расширитель
Для самотека необходим специальный котел, который обладает собственным гидравлическим сопротивлением. Лучший вариант:
- Твердотопливный котел на дровах.
- Напольный газовый котел из чугуна Proterm Гризли KLO мощностью от 65 до 150 кВт.
Особенности работы котла
Котел с незаполненной теплоносителем системой отопления нельзя запускать в работу. Теплоноситель должен расширяться, увеличивая свой объем. Это так называемое «дыхание» воды при нагреве.
Обеспечить «дыхание» теплоносителя можно двумя способами:
- установить открытый расширитель в верхней точке — «открытая» система;
- применить расширительный бак мембранного типа — «закрытая» система.
Фактор, который уравновешивает расширение при нагреве с открытым типом, — столб воды до расширителя. Его монтаж в верхней точке отопления.
Расширительный бак
Существуют варианты установки открытого расширительного бака. В расширителе требуется постоянно открытое заливное отверстие сверху и переливной патрубок с боку. Отслеживать наличие достаточного количества воды в баке желательно с закрепленным указателем уровня. Бачок нужно располагать в отапливаемой комнате или на чердаке.
Уровень в расширителе не должен снижаться более чем на ? его высоты. Для этого нужно следить за уровнем, периодически дополнять систему теплоносителем.
Радиаторы
Для самотека нужны чугунные, алюминиевые или биметаллические радиаторы с низким гидравлическим сопротивлением и большим внутренним диаметром.
Прокладка труб по чердаку
Главное условие такой системы — поднятый вверх трубопровод обратного движения теплоносителя в котел. Этот способ возможен лишь тогда, когда прокладывать трубопровод обратной циркуляции по низу нет возможности из-за наличия дверных проемов, отсутствует подвал и т.д.
Трубопровод на два крыла
Что собой представляет система отопления в два крыла? От одной печи угольного или газового котла один общий подающий трубопровод идет влево и вправо. Точка возврата для обратки общая. Подобная система эффективна только для угольных печей, и вот почему.
Все дело в температуре теплоносителя на выходе. Он нагревается до температуры выше 120 о С, в газовых котлах — температура нагрева теплоносителя 80 о С. Таким образом, угольный котел дает естественный толчок теплоносителю. При 80 о С такого толчка не будет. В этом случае одно крыло будет работать на 80%, второе будет отапливаться примерно на 30%.
Для эффективного использования газового котла необходимо предусмотреть параллельное распределение теплоносителя посредством специальных элеваторов с вентильной регулировкой.
Для двух этажей
Для двухэтажного здания относительно хорошо действующий самотек возможен только в случае с оборудованным чердаком. Проблема заключается в том, что второй этаж основной массы домов неполноценный и представляет собой мансарду. Сложность в этом случае:
- нет возможности поставить расширительный бак, он должен находиться в помещении;
- по двухэтажному зданию с ломаной крышей сложно проложить прямолинейные участки труб;
- лишние повороты, изгибы, каждый со своим гидравлическим сопротивлением, увеличивают гидравлику общей системы;
- в двухэтажном здании с мансардой труба может пересекать дверные или оконные проемы;
- дизайнерские желания заказчика по требованию к применяемым радиаторам идут вразрез с техническим обоснованием проекта.
Для двух этажей — сложно, дорого и неэффективно.
Принципы и выводы
Минус самотечного отопления: полноценно она работает только на высоких температурах. Заставить эксплуатировать ее при низких температурах можно только при соблюдении всех условий монтажа и эксплуатации.
Первое условие. Сечение труб большое, диаметр не менее 50 мм. Это идеальный диаметр, при котором система будет работать безупречно.
Второе условие. Открытый расширительный бак, подключенный к главному стояку или к «обратке». Если мембранный расширитель подключен к «обратке», то можно закрыть систему и она продолжит работать.
Уклон на «горизонталях» важен для отвода воздуха и оттока охлажденной воды по дну трубы в правильную сторону, то есть от котла к радиатору на верхнем лежаке и от радиатора к котлу в нижнем лежаке.
Загрузка...