Как улучшить циркуляцию воды в системе отопления

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.

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 м2, 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.

Виды самотечных систем

Планируя смонтировать отопление частного дома с естественной циркуляцией своими руками схемы подбирают в соответствии с планируемой производительностью системы и особенностями здания.

Отопительные контуры с самотечным движением теплоносителя делятся на типы по разным параметрам:

• по характеристике расширительного бака (открытые и закрытые);
• по принципу подключения радиаторов отопления (однотрубные и двухтрубные).

Чтобы определить оптимальный вариант, необходимо произвести гидравлические расчеты с учетом расположения и диаметра труб, принять во внимание характеристики котельного агрегата и тепловые потребности помещений. Расчет лучше доверить профессионалам, так как даже небольшие неточности негативно повлияют на эффективность обогрева дома

Открытая система: достоинства и недостатки

При обустройстве отопления в частном доме немало людей отдает предпочтение классическому варианту системы, в которой используется открытый расширительный бак, несмотря на растущую популярность более передовых систем закрытого типа. Этот выбор обусловлен достоинствами, которыми обладают открытые системы обогрева дома, в их число входит:

Энергонезависимость. Для местности с нестабильным электроснабжением актуален вопрос отопления без использования оборудования, потребляющего электричество

Помимо обустройства открытой системы важно использовать энергонезависимый котельный агрегат.
Надежность. Это основной плюс – данный вариант теплоснабжения доказал свою функциональность десятилетиями эксплуатации в самых разных условиях, в том числе в регионах с суровым климатом

По сути, надежность открытых систем сводится к надежности котлов, поскольку в ней больше нет элементов, которые могут выйти из строя. Важно лишь внимательно подойти к выбору приборов отопления и элементов для прокладки трубопровода – от их срока эксплуатации зависит продолжительность функционирования системы.
Простая схема. Отсутствуют сложные узлы, монтаж можно осуществить самостоятельно.
Не требуется отладка и настройка – после завершения монтажа, контур заполняют водой. Если нагретый теплоноситель начал циркулировать, все сделано правильно.
Бесшумная работа, отсутствие вибраций (если не используется циркуляционный насос).
Возможность дополнить энергонезависимое отопление циркуляционным насосом, сделав универсальную систему и повысив ее эффективность.

К недостаткам эксплуатации отопительного контура открытого типа относят:

• Ограничение в применении. Для больших домов такая система не подходит – если длина горизонтальной магистрали превышает 30 метров, величина гидравлического сопротивления в трубах превышает уровень напора потока нагретого теплоносителя, то есть, естественная циркуляция невозможна, наступит статическое равновесие.
• Инертность. Без установки циркуляционного насоса прогрев системы (выход в рабочий режим) будет занимать немало времени, поскольку скорость перемещения нагретой жидкости чрезвычайно низка. По этой же причине невозможно организовать оперативное управление микроклиматом в помещении.
• Конструкционные нюансы. Чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление в трубопроводе, его монтируют из труб разного диаметра (по мере удаления от котла диаметр должен уменьшаться, чтобы поддерживалась нормальная скорость перемещения жидкости), а это усложняет монтаж и требует дополнительных расходов – трубы большого диметра дороже, нужны переходники и т.д.
• Особенности монтажа. Обязательно следует соблюдать расчетный уклон труб на каждом участке магистрали – даже единственная ошибка способна сделать систему неработоспособной или снизить ее эффективность. В последнем случае для преодоления гидравлического сопротивления придется повысить рабочую температуру теплоносителя, что ведет к перерасходу топлива и увеличению финансовых затрат на теплоснабжение.
• Обслуживание. Из-за интенсивного испарения горячей жидкости из открытого расширительного бака, требуется постоянно следить за уровнем воды и вовремя ее подливать.
• Активная коррозия металла. Через бак в теплоноситель постоянно поступает кислород, что ускоряет коррозионные процессы. Это снижает долговечность металлических элементов системы, в том числе стального теплообменника котельного агрегата.

Виды котлов и их выбор

Что приводит жидкость в движение – немного о законах физики

Основой для самостоятельного движения жидкости по отопительному контуру без применения нагнетающих устройств (циркуляционных насосов) является конвекция. Это физическое явление основано на том, что любая среда, нагреваясь, теряет плотность, то есть становится легче. Актуально это и для жидкостей, поэтому более холодная вода в замкнутом контуре стремится вниз, выталкивая более горячую вверх. Нагретый в теплообменнике котла теплоноситель устремляется вверх по вертикальному стояку, его место занимает остывшая жидкость, пришедшая по обратной трубе.

В системе отопления с естественной циркуляцией теплоноситель циркулирует самостоятельно за счет разницы в плотности горячей и холодной воды

Так образуется избыточное давление, достаточное для преодоления гравитации и сопротивления труб. В результате теплоноситель циркулирует самостоятельно, применяя лишь тепловую энергию, выделяемую использующимся для работы котла энергоносителем. Циркуляция воды в системе отопления такого типа не отличается высокой скоростью, поэтому прогрев отапливаемого помещения при первоначальном запуске котла происходит медленно. Увеличить скорость движения воды позволяют такие особенности самотечной отопительной системы, которые учитывают при устройстве контура:

• использование труб большого диаметра (обычно 50 мм или два дюйма) с целью максимально снизить сопротивление трубопровода;
• котел монтируют как можно ниже относительно горизонтальной разводки первого этажа;
• делают разгонную петлю (высокий вертикальный стояк, от которого в верхней точке отходит труба, идущая к батареям);
• горизонтальные участки разводки устаивают под уклоном (3-4 градуса) по направлению к котлу, используя для ускорения циркуляции силу гравитации.

Система отопления с естественной циркуляцией имеет еще одну особенность – она не может быть закрытого типа. В самотечном контуре предполагается только открытый расширительный бак, что устанавливается выше верхней точки разгонного стояка. У компенсационного бака две функции – выводить пузырьки образующихся газов из системы и сглаживать перепады давления, которые в самотечном отопительном контуре бывают значительными. Закрытый бачок мембранного типа, что устанавливается в системах, смонтированных по современным схемам с принудительной циркуляцией, не сможет полноценно сглаживать скачки давления, что неизбежно приведет к аварийным ситуациям.

Система отопления с естественной циркуляцией может быть только открытого типа

Нужно учитывать, что отопление с естественной циркуляцией из-за большого диаметра труб предполагает гораздо больший объем теплоносителя, который, расширяясь при нагревании, образует значительное количество «лишней» жидкости, она и заполняет открытый компенсационный бак.

Ключевые узлы

1. Котел: газовый, электрический или на твердом топливе

Каждый из них имеет определенные характеристики. От этих величин зависит объем жидкости, которую он способен нагревать, а также допустимое давление.

1. Расширительный бачок

Используется в динамических системах замкнутого типа. Состоит из двух камер: в одной воздух, а во второй жидкость. Камеры разделены мембраной. В отсеке с воздухом есть клапан, через который, в случае необходимости, происходит стравливание. Основное предназначение – это регулировка перепадов давления в системе отопление.

1. Электрический нагнетатель давления

Специалисты рекомендуют использовать насосы иностранного производства в ценовой категории не ниже средней.

1. Приборы регулирования отопления
2. Фильтры

Обвязка

Есть два типа систем отопления — с принудительной и естественной циркуляцией. Системы с принудительной циркуляцией работать без насоса не могут, с естественной — работают, но в таком режиме имеют более низкую теплоотдачу. Тем не менее, меньшее количество тепла, это все-таки намного лучше, чем его полное отсутствие, потому в местностях, где электричество отключают часто, проектируют систему как гидравлическую (с естественной циркуляцией), а затем в нее врезают насос. Это дает высокую эффективность и надежность отопления. Понятное дело, что установка циркуляционного насоса в этих системах имеет отличия.

Все системы отопления с теплым полом принудительные — без насоса через такие большие контура теплоноситель не пройдет

Принудительная циркуляция

Так как система отопления с принудительной циркуляцией без насоса неработоспособна, его устанавливают прямо в разрыв подающей или обратной трубы (по вашему выбору).

Большинство проблем с циркуляционным насосом возникают из-за наличия в теплоносителе механических примесей (песка, других абразивных частиц). Они способны заклинить крыльчатку и остановить мотор. Потому перед агрегатом обязательно ставят сетчатый фильтр-грязевик.

Установка циркуляционного насоса в систему с принудительной циркуляцией

Также желательно с двух сторон установка шаровых кранов. Они дадут возможность заменить или отремонтировать устройство без слива теплоносителя из системы. Перекрываете краны, снимаете агрегат. Сливается только та часть воды, которая была непосредственно в этом куске системы.

Естественная циркуляция

Обвязка циркуляционного насоса в гравитационных системах имеет одно существенное отличие — необходим байпас. Это перемычка, которая делает систему работоспособной при неработающем насосе. На байпасе ставят один шаровый отсечной кран, который закрыт, все время, пока работает перекачка. В таком режиме система работает как принудительная.

Схема установки циркуляционного насоса в системе с естественной циркуляцией

Когда пропадает электричество или агрегат выходит из строя, кран на перемычке открывают, кран, ведущий на насос, перекрывают, система работает как гравитационная.

Особенности монтажа

Есть один важный момент, без которого установка циркуляционного насоса будет требовать переделки: требуется разворачивать ротор так, чтобы он был направлен горизонтально. Второй момент — направление потока. На корпусе есть стрелка, указывающая в какую сторону должен течь теплоноситель. Вот так и разворачивайте агрегат, чтобы направление движения теплоносителя было «по стрелке».

Сам насос может быть установлен как горизонтально, так и вертикально, только при подборе модели смотрите, чтобы он мог работать в обоих положениях. И еще один момент: при вертикальном расположении мощность (создаваемый напор) падает примерно на 30%. Это надо учитывать при выборе модели.

Самотечное отопление плюсы гравитационной системы отопления

Прежде чем рассматривать положительные качества самотечных систем отопления с естественной циркуляцией воды стоит отдельно рассмотреть все минусы системы. Для многих первый и главный недостаток гравитационной системы отопления является ее архаичность. Действительно, это одна из самых древних систем отопления использующих жидкий теплоноситель. Именно с этой системы были в дальнейшем выработаны одно и двухтрубные схемы разводки, именно эта система использовалась для массовой установки, когда промышленность освоила отопительные твердотопливные а немного позже и газовые котлы отопления. Но с другой стороны гравитационная система отопления является и одной из самых надежных – срок ее эксплуатации составляет в среднем 45-50 лет. То есть ровно столько, сколько времени необходимо, чтобы под действием теплоносителя металлические трубы потеряли свою герметичность.

Второй момент заключается в невысоком коэффициенте полезного действия гравитационной системы отопления. Действительно, сама схема, основанная на естественной циркуляции воды, подразумевает инертность процесса прогрева помещения, пока отопительный котел наберет необходимую мощность, а разница температур между нагретым и охлажденным теплоносителем достигнет минимума, пройдет довольно много времени. Но с другой стороны, даже после того как котел перестанет поддерживать горение процесс циркуляции продолжается, при этом, большой объем воды в системе будет остывать намного дольше чем в системе с принудительной циркуляцией.

Еще одни минус может записать в свой актив гравитационная система отопления из-за своей громоздкости. На практике, при одинаковой площади отапливаемого помещения система с принудительной циркуляцией по сравнению с самотечной, будет занимать гораздо меньше места. В гравитационной системе отопления кроме батарей будут размещаться и трубы верхней разводки, без которых создание необходимого давления жидкости невозможно.

Ну и конечно, вопрос контроля температуры в отдельных радиаторах, и возможность ее регулировки. Гравитационная система отопления в классическом виде с однотрубной схемой постройки не может обеспечить такую функцию из-за невозможности перекрытия отдельного радиатора.

Но с другой стороны, это идеальная система для установки в домах, где нет электричества или постоянно возникают проблемы с его подачей. Гравитационная система отопления способна работать и без электричества, поскольку основной силой движения теплоносителя по системе выступает не циркуляционный насос, а тепловое расширение объема теплоносителя.

Большой объем теплоносителя в системе позволяет обеспечить плавный прогрев помещения. С другой стороны, такой объем нагретого теплоносителя и остывает гораздо медленнее, чем объем системы с принудительной циркуляцией. Особенно ярко это проявляется при отключении электричества или затухании топлива в топке. Система с принудительной циркуляцией остывает в 3-4 раза быстрее, чем такая архаическая гравитационная система отопления.

Это свойство часто используется при временном пребывании в доме – просто вместо обычной воды в систему вливается антифриз, и даже после полного остывания ни трубам, ни радиаторам угроза разрыва из-за замерзания воды не грозит.

Ну и конечно, просто необходимо отметить, что такая система просто безотказна в работе. При правильной ее эксплуатации она может прослужить около 50 лет, при этом у нее всего два фактора риска. Первый – это угроза перегрева котла, но и здесь это в основном зависит от человеческого фактора, а не от системы. Второй – это замерзание теплоносителя, но и в этом случае, применение антифриза сводит риск этой аварии практически к нулю.

Открытая система отопления

В открытой системе теплоснабжения обязательно наличие расширительного бака, так как нагретая вода расширяется. Расширительный бак служит для приёма излишков воды при расширении и возврата её в систему при остывании, а также для удаления воды при чрезмерном её объёме. Бак герметичен не полностью, поэтому вода испаряется, вследствие чего необходимо постоянно возобновлять её уровень. В открытой системе отопления не используется насос. Система достаточно проста. Состоит из труб, стального расширительного бачка, радиаторов и котла. Применяются дизельные, газовые котлы и котлы на твёрдом топливе, кроме электрических.

разогреваться постепенно,замерзания трубопровода.

Чтобы циркуляция теплоносителя осуществлялась на необходимом уровне, необходимо производить монтаж отопительного котла в более низком месте системы, а в самом высоком устанавливать расширительный бак, например, на чердаке. Зимой расширительный бак необходимо утеплить. При установке трубопровода в открытой системе отопления требуется использовать минимальное количество поворотов, фасонных и соединительных деталей.

Какой материал для труб лучше?

Способ установки контура, защита от коррозии и гидравлическое сопротивление, все эти показатели будут зависеть от материала, из которого изготовлен трубопровод. Для системы отопления можно использовать полипропиленовые, стальные, металлопластиковые и медные трубы.

• Полипропиленовый материал. Трубы из полипропилена хорошо переносят высокую температуру, имеют продолжительный срок эксплуатации (свыше 25 лет), гладкие внутри. Для установки требуются специальные инструменты, дорого стоят.
• Сталь. Несмотря на то что такие трубы довольно прочные и имеют доступную цену, они подвержены коррозии и зарастанию. К тому же для установки требуется сварка или множество фитингов.
• Металлопластик. Легкие трубы, имеют идеально гладкую внутреннюю поверхность. Благодаря этому на них отсутствует коррозия и отложения. Но после установки придется постоянно потягивать резьбовые соединительные детали, что является большим недостатком. Их срок службы составляет около 15 лет, а для труб это очень мало. Имеют высокую стоимость.
• Медные трубы. У медных труб красивый внешний вид и срок эксплуатации более 100 лет. Для установки используют пайку, очень дорогие по стоимости.

Чтобы определить какой диаметр труб подходит для прогрева вашего дома, нужно знать, что:

1. Диаметр трубы выбирается, согласно материалу, из которого изготовлены трубы и из сделанных теплотехнических расчетов.
2. Рассчитать количество тепла необходимого для помещения и к полученному результату прибавить 20%.
3. Пользуясь значениями, указанными в таблицах СНиП, рассчитывается сечение трубопровода. Для расчета берут показания теплоемкости и размер трубы (внутреннее сечение).

Если после каждого разветвления установить подающую трубу на 1 размер меньше предыдущей, то циркуляция теплообменника станет в несколько раз интенсивнее. Обратную трубу монтируют с расширением. Так рассчитывается минимальный диаметр двух труб. Придерживаясь полученных значений, для каждого участка труб, устанавливается свой размер.