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

Что следует учесть при проектировании и монтаже?

Чтобы вода внутри батарей и труб не застаивалась, а свободно циркулировала, устанавливать трубы требуется с заметным уклоном. В проекте необходимо учесть, что их каждый погонный метр должен отклоняться от плоскости от 1 до 2 градусов. Такая конструкционная хитрость не будет очень заметна, но обеспечивает необходимый самотек теплоносителя.

Другая важная деталь – мощность котла. Его сильный нагрев заставит воду двигаться быстро, что увеличит температуру в радиаторах и трубах. Перед выбором и покупкой оборудования следует произвести расчеты и оценить будущую тепловую эффективность его работы.

Ухудшить производительность самотечной системы отопления в доме могут особенности расположения труб. Их частые изгибы, повороты под прямыми углами значительно снижают естественное давление воды, замедляют её ток, температура в доме значительно снижается.

Однотрубная и двухтрубная самотечные системы

Схема однотрубной системы.

Отопительная сеть самотечного типа может быть смонтирована в однотрубном или двухтрубном исполнении.

Однотрубное отопление предполагает последовательную схему монтажа труб и батарей. При его эксплуатации вода будет проходить по ним последовательно. Имеется два способа установки оборудования:

• поток теплоносителя проходит сразу через батареи;
• движение воды по системе осуществляется по основной трубе, к которой при помощи дополнительных ответвлений крепятся радиаторы.

Более равномерный прогрев воздуха достигается при втором способе.

Двухтрубная схема отопления с естественной циркуляцией предполагает обустройство отдельных магистралей для потока воды – основной и обратной подачи. Теплоноситель из котла (горячий) последовательно поступает в отопительные радиаторы, а после остывания возвращается уже холодным к котлу по обратным трубам.

Если монтировать самотечную систему отопления в двухэтажном доме в двухтрубном исполнении, для равномерного прогрева комнат, сохранения необходимой температуры в них потребуется установка дополнительного агрегата – циркуляционного насоса. Такое оборудование позволит увеличить давление воды внутри труб, сохранить оптимальную теплоотдачу отопительной системы.

Схемы таких систем отопления

Схема системы отопления независимо от способа циркуляции теплоносителя зависит от нескольких факторов:

• способа соединения радиаторов с подающими стояками. Здесь выделяют однотрубную и двухтрубную системы;
• места прокладки магистрали, подающей горячую воду. Выбирать нужно между нижней и верхней разводкой;
• схемы прокладки магистрали: тупиковая система или попутное движение теплоносителя в магистралях;
• расположения стояков, которое может быть либо горизонтальным, либо вертикальным.

Однотрубная система: как регулировать температуру?

Однотрубная система отопления имеет только один вариант исполнения разводки – верхнюю. В ней нет обратного стояка, поэтому охлаждённый в батареях теплоноситель возвращается в подающую магистраль. Движение жидкости обеспечивается разностью температур жидкости в нижних и верхних радиаторах.

Чтобы обеспечить одинаковый температурный режим в помещениях на разных этажах, поверхность нагревательных приборов на первом этаже должна быть несколько больше, чем на втором и последующих. В нижние радиаторы поступает смесь горячей и охлаждённой в верхних теплообменниках воды.

В однотрубной системе может быть два варианта движения теплоносителя. в первом одна часть идёт в радиатор, другая – дальше по стояку к нижним приборам.

При параллельной однотрубной разводке теплообменники на верхних этажах получают горячую воду, а самые нижние – уже остывшую. Поэтому площадь последних должна быть увеличена, чтобы уравнять обогрев всех помещений

Во втором случае весь объём воды проходит через каждый теплообменник, начиная с самых верхних. Главная особенность такой разводки состоит в том, что радиатора на первом и цокольном этажах получают только охлаждённую воду.

При проточном варианте однотрубной разводки нельзя отключить или ограничить поступление теплоносителя в отдельный радиатор. Перекрытие одного из них привело бы к остановке циркуляции во всей системе

И если в первом случае регулировать температуру в помещениях можно с помощью кранов, то во втором их нельзя применять, так как это приведёт к уменьшению подачи жидкости ко всем последующим теплообменникам. К тому же полное перекрытие крана означало бы остановку циркуляции воды в системе.

При монтаже однотрубной системы лучше остановиться на разводке, которая даёт возможность регулировки подачи воды к каждому радиатору. Это позволит регулировать температуру в отдельных помещениях и, естественно, делает отопительную систему более гибкой, а значит и более эффективной.

Так как однотрубная разводка может быть только верхней, её монтаж возможен только в постройках с чердачным помещением. Именно там должен размещаться подающий трубопровод. Главный недостаток заключается в том, что пуск отопления возможен только по всему зданию сразу. Преимущества у системы, конечно, тоже есть. Главные из них – простой монтаж и меньшая стоимость. С точки зрения эстетики, чем меньше труб, тем проще их спрятать.

Как должна быть устроена двухтрубная система?

Этот вариант схемы отопления предполагает наличие подающей и отводящей магистрали. В верхней части системы циркулирует горячий теплоноситель, в нижней – остывший.

Двухтрубная система отопления более гибкая в отношении регулирования температуры в отдельных помещениях. Однако она требует большего количества материалов, чем однотрубная

От котла отходит труба, соединённая с расширительным баком. От бака идёт труба горячей линии контура, которая потом соединяется с разводкой. В зависимости от размеров емкости и объёма воды в системе, от бака может отходить переливная труба. По ней излишки воды сливаются в канализацию.

Трубы, выходящие из нижней части теплообменников, объединяются в обратную магистраль. По ней остывший теплоноситель снова попадает в котёл. Обратка должна проходить через те же помещения, что и подающий трубопровод.

Горизонтальный или вертикальный стояк в разводке?

Система отопления с вертикальным стояком предполагает подводку к нему радиаторов с разных этажей. Её преимущество: ниже риск «завоздушивания» системы, недостаток – более высокая стоимость.

Когда теплообменники с одного этажа соединены с подающим трубой, — это система с горизонтальным стояком. Такой вариант обойдётся домовладельцам в меньшую сумму, но придётся решать проблему образования воздушных пробок. Как правило, достаточно установить воздухоотводчики.

Симптомы и диагноз

Если в трубах появился характерный гул, возможно:

• на стенах труб скопилось большое количество отложений, что привело к сужению просвета;
• имеет место утечка воды из системы;
• в системе имеются устройства со слишком малым диаметром.

Чтобы установить причину шума точнее, следует осмотреть все элементы отопительной системы и найти место протечки

Если трубы выглядят неповрежденными, не видно пара или струек текущей воды, нужно уделить внимание соединительным элементам и запорной арматуре, возможно, утечка происходит именно здесь

Иногда место протечки установить сложно, поскольку оно скрыто слоем утеплителя. Для точной диагностики проблемы следует пригласить профессионального сантехника.

Если протечек нет, а трубы гудят, нужно найти источник звука. Скорее всего, именно в этом месте просвет трубы стал слишком маленьким из-за скопившихся минеральных отложений или попавшего в систему мусора. Устраняют проблему промывкой системы отопления. Об этом подробно рассказано в видеоролике:

Обычно хороший сантехник может определить элементы системы, которые не подходят по размеру, что становится причиной гудения труб. Возможно, такой элемент придется заменить или модифицировать. Разумеется, подобные работы следует выполнять как можно лучше, в полном соответствии с технологией, чтобы не появились новые причины для неприятного шума в трубах.

Щелкающие звуки и характерное звучание бурления воды может быть вызвано воздухом, попавшим в систему. Чтобы устранить проблему, достаточно спустить из радиаторов лишний воздух, например, с помощью крана Маевского. Щелчки также могут указывать на наличие в трубах посторонних предметов, мусора. В этом случае следует очистить систему.

Если в систему отопления попал воздух, это может вызвать щелчки и звуки бурления. Чтобы выпустить воздух из системы, следует воспользоваться краном Маевского

Периодический треск, стук и щелчки могут появиться, если:

• в трубах имеются мелкие посторонние частички;
• износились детали системы;
• оборвался вентиляционный клапан;
• нестабильная работа системы вызвала расширение металла.

Чтобы треск в трубах отопления прекратился, иногда достаточно слить часть воды с мусором. В остальных случаях понадобится помощь профессионального сантехника для ремонта или замены поврежденных элементов.

Иногда причиной шума в отопительной системе становится заросшая отложениями и частичками ржавчины труба отопления. Такую трубу следует промыть или заменить

К обрыву вентиляционного клапана нередко приводит его неправильный монтаж, например, когда клапан установлен в неверном направлении. Такая ошибка может привести к существенным повреждениям всей отопительной системы.

Причиной постукивания может быть и состояние кронштейнов, на которых крепятся трубы и радиаторы отопления. Расшатанный кронштейн движется под воздействием процессов расширения-сужения металла, что и вызывает стук. Чтобы прекратить это неприятное явление, достаточно укрепить старые кронштейны или заменить их новыми. Иногда между трубой и кронштейном устанавливают специальные прокладки.

Принцип работы самотечной отопительной системы

Принцип работы отопления выглядит просто: вода передвигается по трубопроводу, движимая гидростатическим напором, появившимся вследствие различной массы нагретой и остывшей воды. Еще такую конструкцию называют самотечная или гравитационная. Циркуляция – это перемещение остывшей в батареях и потяжелевшей жидкости под гнетом собственной массы вниз к нагревательному элементу, и вытеснение легкой нагревшейся воды в подающую трубу. Система функционирует, когда котел с естественной циркуляцией располагается ниже радиаторов.

В контурах открытого типа он напрямую сообщается с внешней средой, и лишний воздух уходит в атмосферу. Увеличившийся от нагрева объем воды ликвидирован, постоянное давление нормализовано.

Естественная циркуляция возможна и в закрытой системе отопления, если та оснащена расширительным баком с мембраной. Иногда конструкции открытого типа переоборудуют в закрытые. Закрытые контуры стабильнее в работе, теплоноситель в них не испаряется, но они так же независимы от электричества.
Что влияет на циркуляционный напор

Циркуляция воды в котле зависит от разницы в плотности горячей и холодной жидкости и от величины перепада высоты между бойлером и самым низко расположенным радиатором. Эти параметры просчитываются еще до начала монтажа отопительного контура. Естественная циркуляция возникает, т.к. температура обратки в системе отопления низкая. Теплоноситель успевает остыть, двигаясь через радиаторы, становится тяжелее и своей массой выталкивает из котла разогретую жидкость, заставляя ее продвигаться по трубам.

Схема циркуляции воды в котле

Высота уровня батарей над котлом усиливают напор, помогая воде легче преодолевать сопротивление труб. Чем выше расположены радиаторы по отношению к котлу, тем больше высота столба охлажденной обратки и с тем большим давлением она выталкивает нагретую воду вверх, когда достигает котла.

Плотность также регулирует напор: чем сильнее прогревается вода, тем меньше становится ее плотность в сравнении с обраткой. В результате она выталкивается с больше силой и напор увеличивается. По этой причине самотечные отопительные конструкции причисляют к саморегулирующимся, ведь если изменить температуру нагрева воды, поменяется и давление на теплоноситель, а значит, изменится его расход.

Выбор труб

Также, на выбор материала большое влияние оказывает котел, поскольку в случае с твердотопливным предпочтение следует отдать стальным, оцинкованным трубам или же изделиям из нержавейки, в связи с высокой температурой рабочей жидкости.

Однако, металлопластиковые и армированные трубы предполагают использование фитингов, что значительно сужает просвет, армированные полипропиленовые трубы будут идеальным вариантом, при рабочей температуре 70С, и пиковой – 95С.

Изделия из особого пластика PPS имеют рабочую температуру 95С, и пиковую – до 110С, что позволяет использовать в открытой системе.

Схема с естественной циркуляцией

Чтобы понять принцип действия гравитационной системы, изучите типовую схему, применяющуюся в двухэтажных частных домах. Здесь реализована комбинированная разводка: подача и возврат теплоносителя происходит по двум горизонтальным магистралям, объединенным однотрубными вертикальными стояками с радиаторами.

Как работает самотечное отопление двухэтажного дома:

1. Удельный вес нагреваемой котлом воды становится меньше. Более холодный и тяжелый теплоноситель начинает вытеснять горячую воду вверх и занимать ее место в теплообменнике.
2. Нагретый теплоноситель движется по вертикальному коллектору и распределяется по горизонтальным магистралям, проложенным с уклоном в сторону радиаторов. Скорость течения невелика – порядка 0.1—0.2 м/с.
3. Расходясь по стоякам, вода попадает в батареи, где успешно отдает теплоту и охлаждается. Под воздействием гравитации она возвращается в котел по обратному коллектору, собирающему теплоноситель из остальных стояков.
4. Прирост объема воды компенсируется расширительным баком, установленным в самой высокой точке. Обычно утепленная емкость располагается на чердаке здания.

Принципиальная схема самотечной разводки с циркуляционным насосом

В современном исполнении гравитационные системы оснащаются насосами, ускоряющими циркуляцию и прогрев помещений. Перекачивающий агрегат ставится на байпасе параллельно подающей магистрали и функционирует при наличии электроэнергии. Когда свет отключается, насос бездействует, а теплоноситель циркулирует за счет гравитации.

Сфера применения и недостатки самотека

Назначение гравитационной схемы – теплоснабжение жилищ без привязки к электричеству, что актуально в отдаленных регионах с частыми отключениями света. Сеть самотечных трубопроводов и батарей способна работать вместе с любым энергонезависимым котлом либо от печного (раньше говорили – парового) отопления.

Разберем отрицательные стороны использования самотека:

• из-за малой скорости протока нужно повышать расход теплоносителя за счет применения труб большого диаметра, иначе радиаторы не прогреются;
• чтобы «подстегнуть» естественную циркуляцию, горизонтальные участки прокладываются с уклоном 2—3 мм на 1 м магистрали;
• здоровые трубы, идущие под потолком второго этажа и над полом первого, портят внешний вид комнат, что заметно на фото;
• затруднено автоматическое регулирование температуры воздуха – на батареи нужно покупать только полнопроходные термостатические клапаны, не препятствующие конвективной циркуляции теплоносителя;
• схема неспособна работать с теплыми полами и в 3-этажном доме;
• увеличенный объем воды в отопительной сети подразумевает длительный прогрев и большие затраты топлива.

Чтобы выполнить требование №1 (смотри первый раздел) в условиях ненадежного электроснабжения, хозяину двухэтажного частного дома придется нести расходы на материалы – трубы повышенного диаметра и облицовку для изготовления декоративных коробов. Остальные минусы некритичны – медленный прогрев устраняется путем установки циркуляционного насоса, недостаток экономичности – монтажом специальных термоголовок на радиаторы и изоляцией труб.

Watch this video on YouTube

Советы по проектированию

Если разработку самотечной схемы отопления вы взяли в свои руки, обязательно учтите следующие рекомендации:

1. Минимальный диаметр вертикального участка, идущего от котла, — 50 мм (имеется в виду внутренний размер условного прохода трубы).
2. Горизонтальный раздающий и собирающий коллектор допускается уменьшить до 40 мм, перед последними батареями – до 32 мм.
3. Уклон 2—3 мм на 1 м. п. трубопровода делается в сторону радиаторов на подаче и котла – на обратке.
4. Входной патрубок теплогенератора должен располагаться ниже батарей первого этажа с учетом уклона обратной магистрали. Возможно, в котельной придется сделать небольшой приямок под установку источника тепла.
5. На подводках к отопительным приборам второго этажа лучше поставить прямой байпас малого диаметра (15 мм).
6. Верхний раздающий коллектор постарайтесь уложить на чердаке, чтобы не вести под потолками комнат.
7. Используйте расширительный бак открытого типа с патрубком перелива, выведенным на улицу, а не в канализацию. Так удобнее следить за переполнением емкости. С мембранным бачком система работать не будет.

Расчет и проектирование самотечного отопления в коттедже сложной планировки стоит доверить специалистам. И последнее: магистрали Ø50 мм и более придется исполнять стальными трубами, медью либо сшитым полиэтиленом. Максимальный размер металлопластика составляет 40 мм, а диаметр полипропилена выйдет просто угрожающим из-за толщины стенок.