Система отопления с естественной циркуляцией

Выбор труб

Сечение труб является одним из решающих факторов для циркуляции: диаметр труб не должен быть максимально большим, но и не должен мешать течение воды. Как правило, для обогрева частного дома необходимо 100 Вт /м2. Тогда для отопления 25 м2 требуется 2500 Вт, т.е. 2,5 кВт. Определенному диаметру трубы соответствует своя тепловая нагрузка. Три основные категории:

• диаметр в ½ дюйма – тепловой эквивалент 5,5 кВт;
• диаметр ¾ дюйма – тепловой эквивалент 14,6 кВт;
• диаметр 1 дюйм – тепловой эквивалент 29,3 кВт.

В данном случае для обогрева одноэтажного дома в 25 м2  нужно использовать самые небольшие трубы диаметром в ½ дюйма. Материалы, из которых изготавливают трубы, могут быть разными: качественная сталь, популярны также трубы из полипропилена.

Водяные системы отопления

Системы водяного отопления являются неотъемлемой частью интерьера частного дома. Существует несколько возможных вариантов выбора непосредственно радиаторов отопления. Могут быть:

• Классические чугунные;
• Стальные;
• Алюминиевые.

Тип системы водяного отопления и отопительные приборы следует выбирать, как и в зависимости от условий климата, так и от интерьера и от возможностей материальных затрат.

Система водяная «Теплый пол»

Система является хорошим дополнением к уже давно использующейся системе отопления с использованием радиатором, так и может служить самостоятельной системой в малоэтажном доме.

Большим плюсом настоящей системы является возможность обеспечения различных температур по высоте помещения, как и должно быть по санитарно-гигиеническим нормам – сверху воздух холоднее, снизу теплее. Она позволяет так же снизить температуру системы до 55 ˚С в соответствии с нормами проектирования.

В данном случае трубы монтируются по всей поверхности пола, благодаря этому возможно одновременно обеспечивать и условия микроклимата в здании и комфортный теплый пол. Недостатком является сложности с монтажом системы и возможность выполнения лишь на начальных сроках строительства здания. Минусом так же является сложности в эксплуатации.

Плинтусные системы отопления

Плинтусные системы являются отличной альтернативой одновременно теплым полам и использованию привычных радиаторов. Иногда бывает невозможно установить систему теплого пола, а радиаторы никак не вписываются в интерьер.

Тогда выбор плинтусных систем является лучшим решением, потому что в этом случае трубы отопления устанавливаются на высоте плинтуса (то есть практически на уровне пола), одновременно обогревая помещение в нужной последовательности и отапливая пол до достаточно комфортной температуры в любой период года.

Обширная цветовая гамма систем отопления «под плинтус» позволит вам сохранить любой интерьер в вашем помещении и даже поможет разнообразить его еще больше.

Системы с естественной циркуляцией теплоносителя

Система отопления с естественным движением теплоносителя отличается тем, что жидкость циркулирует по трубам из-за разницы своих плотностей при повышении и понижении температуры.

Нагретая вода, как правило, становится легче холодной и поднимается выше по системе, холодная же вода в свою очередь, остывая все больше, опускается ниже. Циркуляция воды от источника теплоты и до возвращения в источник циркулирует без перерыва.

Плюсом такой системы является относительная доступность и простота при ее монтаже. Использование ее не предполагает никаких дополнительных затрат по устройству и оборудованию. Минусом системы является необходимость установки труб под небольшим уклоном, что усложняет монтаж.

Необходимым условием использования такой системы является устройство расширительного бака. Он устанавливается, как правило, на крыше малоэтажного здания – самым оптимальным вариантом его устройства является чердачное помещение коттеджа (если оно предусмотрено проектом).

Системы с принудительной циркуляцией теплоносителя

Еще одним вариантом конструирования систем отопления в малоэтажном жилом доме является устройство системы с искусственной циркуляцией воды. В данном случае вода перемещается по системе не из-за своего основного физического свойства изменять плотность, а посредством установки циркуляционного насоса, работа которого заключается в перегонке теплоносителя от котла по всей системе с последующим возвращением в источник теплоты.

Эта система считается наиболее эффективной, чем с естественным побуждением, из-за того, что делает возможным поступление теплоносителя в самые крайние точки отапливаемого здания. Особенно важным это является при строительстве коттеджей, состоящих из двух и более этажей.

Настоящий вид отопления повышает эффективность примерно на 30% по сравнению с другим видом. Плюсом ее является возможность устройство труб без уклона, соответственно монтаж упрощается. Вместо привычных в естественных системах расширительных баков, здесь устанавливаются гидроаккумулирующие емкости.

Так же важно предусматривать специальную защитную арматуру на трубах во избежание аварий, поскольку давление в системах повышенное. Специальные предохранительные клапаны устанавливаются с обеих сторон от циркуляционного насоса.

Естественная циркуляция

Примерная схема системы

Основным вопросом системы естественной циркуляции является вопрос, который определяет силу движения теплоносителя к отопительным приборам и обратно в котёл. Сила движения нагретого теплоносителя появляется по той причине, что теплоноситель нагревается в тепловом генераторе, тогда, как в приборах отопления данный теплоноситель остывает и его выдавливает нагретый теплоноситель. Другими словами, теплоноситель, который нагрелся в тепловом генераторе до определённой температуры, имеет меньшую массу, чем теплоноситель в холодном состоянии.

Итак, нагретая до нужной температуры вода поднимается по определённому направлению в главном стояке и распределяется трубной разводкой по всем отопительным приборам, то есть радиаторам. Через некоторое время теплоноситель в радиаторах остывает, отдавая своё тепло металлу, что делает его отяжелевшим. По специально подведённым трубам обратного направления остывший теплоноситель транспортируется обратно к нагревательному котлу, где своей массой вытесняет горячую воду из теплового генератора.

Такой цикл движения теплоносителя в отопительной системе будет повторяться до того момента, пока нагревательный котёл будет работать, вследствие чего теплоноситель будет циркулировать по трубной магистрали. Системы отопления с естественной циркуляцией имеют разную силу давления, что приводит к разной интенсивности циркуляции и нагрева отопительных приборов. Сила движения теплоносителя в отопительной системе зависит от разных плотностей и весов холодного и горячего теплоносителя.

Из этого можно сделать вывод, что давление в отопительной системе и сила движения воды зависит от общей разницы горячего и холодного теплоносителя. Другими словами, чем больше эта разница, тем больше сила движения теплоносителя в системе отопления, циркуляция теплоносителя в которой осуществляется естественным путём. Кроме всего прочего, давление в системе отопления и сила движения нагретого теплоносителя зависит от того, на какой высоте располагается отопительный прибор относительно генератора тепловой энергии.

Как правило, теплоноситель в простой системе отопления водяного типа нагревается до 95 градусов, тогда, как остывший теплоноситель имеет температуру не выше 70 градусов. Из таких показателей можно определить общее давление в системе отопления и силу движения теплоносителя к верхним и нижним отопительным приборам. Для того, чтобы визуально представить себе распределение между верхними и нижними радиаторами в системе отопления необходимо нарисовать некое подобие схемы.

По центру обозначаем нагревательный котёл, от которого идёт разводка к верхним и нижним радиаторам, замыкающаяся напротив самого котла. Проведя линию между верхними и нижними нагревательными приборами (радиаторами), мы получим границу перепада температуры от 95 до 70 градусов. Далее рассмотрим отопительный процесс.

Схема системы

Отопительный котёл нагревает теплоноситель, в нашем случае воду, который из-за образовавшегося давления начинает своё движение от одного отопительного прибора к другому. Когда теплоноситель пересечёт проведённую нами линию и отправится в отопительные приборы нижнего этажа, его температура будет значительно ниже, а из последнего радиатора и вовсе выйдет теплоноситель с температурой всего в 70 градусов. При осуществлении движения теплоносителя от радиатора к радиатору не стоит забывать о том, что часть температуры отдаётся и самим трубам, вследствие чего температура теплоносителя постоянно снижается.

Из этого можно сделать смелый вывод, что нагревательные приборы, которые находятся выше линии разделения системы будут нагреваться больше, чем те, которые располагаются на нижнем этаже.

Всё это приводит к тому, что использование данной отопительной системы для двухэтажных домов неактуально, ведь первый этаж будет постоянно холоднее, чем второй. Кроме того, при использовании двухтрубной отопительной схемы, когда радиаторы будут располагаться ниже самого котла или на одном с ним уровне, добиться правильной циркуляции теплоносителя без использования вспомогательных механизмов практически невозможно.

По этим очевидным причинам расположение нагревательного котла должно быть таким, чтобы приборы отопления находились на уровень выше самого котла. Для этого нагревательные котлы располагают в небольшом углублении, а систему отопления немного поднимают под определённым углом, чтобы добиться должного давления и правильной естественной циркуляции теплоносителя. Таких явных недостатков лишены стандартные однотрубные схемы отопления.

Что учитывается при расчете

Основные критерии, которые важно учесть:

• объем теплоносителя, достаточного для заполнения системы;
• длина отопительного контура;
• номинальная скорость потока теплоносителя;
• требуемая продуктивность, кВт;
• циркуляционное давление;
• сопротивление труб и фитинга в отопительном контуре.

Для каждого параметра имеется диапазон приемлемых значений. Расчет при этом должен дать размер трубы системы отопления, удовлетворяющий всем требованиям и обеспечивающий оптимальные параметры.

Расчеты касаются внутреннего диаметра. Уже после получения нужного размера выбирается подходящий номинал, имеющийся в продаже, далее подбирается материал. От этого зависит толщина стенок, внешний диаметр и внешний вид.

Расчет мощности

Эффективная тепловая мощность котла рассчитывается теми же способами, что и во всех других случаях.

По площади

Простейший способ — рекомендованный СНиП расчет по площади помещения. 1 КВт тепловой мощности должен приходиться на 10 м2 площади помещения. Для южных районов берется коэффициент 0,7 — 0,9, для средней полосы страны — 1,2 — 1,3, для районов Крайнего Севера — 1,5-2,0.

Как и любой грубый подсчет, этот способ пренебрегает многими факторами:

• Высотой потолков. Она далеко не везде составляет стандартные 2,5 метра.
• Утечками тепла через проемы.
• Расположением помещения внутри дома или у внешних стен.

Все способы расчетов дают большие погрешности, поэтому тепловая мощность обычно закладывается в проект с некоторым запасом.

По объему с учетом дополнительных факторов

Более точную картину даст другой способ расчета.

• За основу берется тепловая мощность в 40 ватт на кубический метр объема воздуха в помещении.
• Районные коэффициенты действуют и в этом случае.
• Каждое окно стандартного размера прибавляет к нашим подсчетам 100 ватт. Каждая дверь — 200.
• Расположение комнаты у внешней стены даст в зависимости от ее толщины и материала коэффициент 1,1 — 1,3.
• Частный дом, у которого внизу и вверху — не теплые соседние квартиры, а улица, рассчитывается с коэффициентом 1,5.

Куда ставить котёл?

В частном доме, в помещении одноэтажного дома отопительные котлы лучше всего монтировать ниже уровня приборов для прогрева помещений. В квартирах ситуация обстоит несколько иначе. Здесь котлы часто ставятся на одном уровне с радиаторами, что не совсем эффективно. Поэтому монтаж лучше произвести как бы в яму, то есть поставить оборудование на перекрывающие плиты.

Для этого вокруг котла обычно выпиливается пол. «Яму» следует делать, соблюдая правила противопожарной безопасности. Они предполагают разравнивание основания тонкой стяжкой и укладку листов, изготовленных из железа и асбеста. Котёл в «яме» нагоняет лучший циркуляционный напор.

Врезка насоса в отопительный контур

Циркуляционный насос рекомендуется устанавливать на обратной трубе, в этом случае через прибор будет проходить уже остывшая жидкость. Однако при использовании более современных моделей, которые выполнены из термостойких материалов, не исключена врезка на подающую магистраль. В любом случае устанавливаемое оборудование не должно нарушать циркуляцию теплоносителя.

Существует несколько вариантов изменения гравитационной схемы в принудительный вариант:

1. Установка расширительного бачка на более высоком уровне. Этот вариант можно назвать самым простым, однако для этого потребуется высокое чердачное помещение.
2. Расширительный бак переносят на дальний стояк. Если использовать этот способ для реконструкции старой системы, то потребуется много сил и времени. Если по этой схеме обустраивать новую систему, то она не оправдает себя.
3. Размещение стояка расширительного бака в непосредственной близости к колену, на котором расположен насос. В этом случае трубу с резервуаром вырезают с подающей магистрали и врезают ее на обратной трубе за насосом.
4. Врезка насоса в подающую магистраль. Этот способ считается самым оптимальным вариантом реконструкции отопительного контура. Однако следует помнить, что не каждый прибор может выдержать высокую температуру.

Чтобы система отопления с открытым расширительным баком и насосом работала эффективно, важно правильно выбрать схему, рассчитать параметры всех составляющих элементов, подобрать соответствующее оборудование и последовательно выполнять монтажные работы.

Правила выбора и монтажа труб

Выбор между стальными или полипропиленовыми трубами при любой циркуляции происходит по критерию возможности их использования для горячей воды, а также с позиций цены, легкости монтажа и срока эксплуатации.

Стояк подачи монтируют из металлической трубы, так как через него проходит вода самой высокой температуры, а в случае печного отопления или неисправности теплообменника возможен вариант прохождения пара.

При естественной циркуляции необходимо использовать диаметр труб несколько больший, чем в случае применения циркуляционного насоса. Обычно, для обогрева помещений до 200 кв. м, диаметр коллектора разгона и трубы на входе обратки в теплообменник равен 2 дюймам.

Это вызвано меньшей скоростью воды по сравнению с вариантом принудительной циркуляции, что приводит к следующим проблемам:

• снижение объема переносимого тепла за единицу времени от источника к обогреваемому помещению;
• появление засоров или воздушных пробок, с которыми не сможет справиться небольшого напор.

Особенное внимание при использовании естественной циркуляции с нижней схемой подвода подачи необходимо уделить проблеме удаления воздуха из системы. Он не может полностью отводиться из теплоносителя через расширительный бак, т.к. закипающая вода поступает сперва в приборы по магистрали, расположенной ниже чем они сами

закипающая вода поступает сперва в приборы по магистрали, расположенной ниже чем они сами.

При принудительной циркуляции напор воды сгоняет воздух к установленному в наивысшей точке системы воздухосборнику – устройству с автоматическим, ручным или полуавтоматическим управлением. С помощью кранов Маевского в основном производится регулировка теплоотдачи.

В гравитационных отопительных сетях с подачей, расположенной ниже приборов, краны Маевского применяются непосредственно для стравливания воздуха.

На всех радиаторах отопления современного типа присутствуют устройства для выпуска воздуха, поэтому для предотвращения образования пробок в контуре можно делать уклон, сгоняя воздух к радиатору

Воздух также может отводиться с помощью воздухоотводчиков, установленных на каждом стояке или на воздушной линии, проложенной параллельно магистралям системы. Из-за внушительного количества устройств для отвода воздуха гравитационные схемы с нижней разводкой применяются крайне редко.

При слабом напоре небольшая воздушная пробка способна полностью остановить систему обогрева. Так, согласно СНиП 41-01-2003 не допускается прокладывать без уклона трубопроводы систем отопления при скорости движения воды менее 0,25 м/с.

При естественной циркуляции такие скорости недостижимы. Поэтому кроме увеличения диаметра труб необходимо соблюдать постоянные уклоны для вывода воздуха из системы отопления. Уклон проектируют из расчета 2- 3 мм на 1 метр, в квартирных сетях наклон достигает 5 мм на погонный метр горизонтальной линии.

Уклон подачи делают по ходу движения воды, чтобы воздух двигался к баку-расширителю или системе, стравливающей воздух, расположенной в верхней точке контура. Хотя можно сделать и контр-уклон, но в этом случае необходимо дополнительно установить клапан для отвода воздуха.

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 установке теплого пола 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.

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.

2.3. Однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией

Рис. 10. Однотрубная система отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды (вверху) и конструкции радиаторных узлов (внизу)

Однотрубные системы с естественной циркуляцией теплоносителя делаются только с верхней разводкой подающего трубопровода, в которой отсутствуют обратные стояки (рис. 10). По сравнению с двухтрубными системами однотрубные проще в монтаже, на их устройство требуется меньше труб и они выглядят более красиво.

Однотрубные системы отопления подразделяются на два вида.

По одной схеме – проточной, подающий стояк, как таковой, отсутствует, а радиаторы по высоте дома последовательно соединены друг с другом. Горячая вода подачи последовательно, сверху вниз, протекает через все радиаторы, начиная с верхнего, и в радиаторы нижних этажей поступает охлажденной. Поэтому на верхних этажах жарко, а на нижних – холодно. Чтобы как-то сбалансировать отопительный контур, в нижних этажах ставят радиаторы с большим числом секций. В проточной системе нельзя ставить регулировочные краны, так как при уменьшении или перекрытии крана у того или иного радиатора частично или полностью перекрывается весь стояк.

При такой схеме нельзя регулировать температуру воздуха в помещениях. Если дом двухэтажный, то невозможно осуществить пуск системы отопления только на одном этаже. Проточные схемы отопления были весьма популярны в середине ХХ века, когда основной целью была экономия труб. В настоящее время ее почти не применяют.

При другой схеме с замыкающими участками (байпасами), показанной на рис. 11, из стояка часть воды поступает в верхние радиаторы, а остальная вода направляется по стояку к радиаторам, расположенным ниже. Вода в такой системе остывает чуть меньше, а значит, меньше и разница между температурами на верхних и нижних этажах. Фактически это улучшенная проточная схема, в которой между трубами подключения радиатора сделан замыкающий участок – байпас.

Рис. 11. Схемы присоединения отопительных приборов в однотрубной и двухтрубной системах отопления

Диаметр трубы замыкающего участка делают на один размер меньше, чем диаметр труб подключения радиатора. В результате поступающий сверху теплоноситель разделяется на два потока: одна часть поступает в радиатор, другая через байпас – к нижним радиаторам. Если диаметр байпаса сделать таким же, как и трубы для подключения радиатора, то теплоноситель в радиаторе перестанет циркулировать, поскольку гидравлическое сопротивление в радиаторе будет больше, чем в байпасе. Ведь вода всегда течет там, где меньше гидравлическое сопротивление.

При установке байпаса с диаметром, равным диаметрам труб подключения радиаторов для балансировки отопительной системы, количество поступающей в прибор воды регулируется вентилями, которые устанавливаются на трубе подключения и байпасе. Таким образом, закрытием (открытием) вентилей на подающей трубе подключения радиаторов или байпасе можно регулировать поступление теплоносителя в радиатор или стояк. Например, можно полностью отключить радиатор и перенаправить весь теплоноситель в байпас и далее к нижним радиаторам на стояке или, наоборот, закрыть байпас и направить весь тепловой поток в радиатор.

Рис. 12. Схема системы отопления и горячего водоснабжения дома

В современных отопительных системах два вентиля, установленных на подающей трубе и байпасе, заменяют одним, называющимся трехходовым краном. В зависимости от положения закрывающей заслонки, трехходовой кран одновременно открывает путь теплоносителю в радиатор и закрывает поступление в байпас или, наоборот, закрывает байпас и открывает путь к радиатору. Такие краны могут снабжаться электрическим приводом, подключенным к специальному прибору – контроллеру. Контроллер измеряет температуру воздуха в помещении или температуру теплоносителя и отдает команду на трехходовой вентиль, который увеличивает или уменьшает подачу теплоносителя в радиатор, а остальной теплоноситель сбрасывает в байпас.

Как и в системах с двухтрубной разводкой, в однотрубной можно обеспечить тупиковое и попутное движение теплоносителя в обратной магистрали. При попутном движении все кольца отопительного контура становятся одинаковой длины и систему можно сбалансировать. При тупиковом движении делать балансировку температуры теплоносителя очень трудно, поскольку разбалансировка идет не только по длине колец, но и по высоте стояков, чем отличается от двухтрубных систем, где разбалансировка температуры была только по кольцам.