Гравитационная система отопления: элементы, принцип работы и схемы разводки

1 Принцип работы и основные комплектующие

Большинство отопительных систем в загородных домах функционируют с помощью такого теплоносителя, как вода. Этот подход популярен, поскольку он является универсальным. Нагревать воду или другую жидкость, выполняющую роль теплоносителя, можно любым способом: печное отопление, использование твердотопливных котлов, газовых или электрических. Принципиального значения здесь нет.

Использование жидкого теплоносителя даёт возможность устанавливать комбинированные варианты отопления, к примеру, котлы на дровах и газе или электричестве с вмонтированными ТЭНами. Любая схема, в основе которой лежит нагрев помещения теплоносителем, включает в себя три ключевые составляющие:

• источник нагрева (котёл, печь и тому подобное);
• магистраль трубопроводов со всем дополнительным оборудованием, кранами, запорной арматурой, датчиками, терморегуляторами;
• точки нагрева — батареи, радиаторы или тёплый пол.

Кроме основных элементов, существует дополнительное оборудование и комплектующие, которые выполняют полезные функции, к примеру, регулировку температуры воды, давления, а также помогают в обслуживании отопительной системы. К таким комплектующим можно отнести:

• насос для принудительной циркуляции теплоносителя;
• расширительный бачок;
• буферная ёмкость;
• гидравлические разделители;
• бойлеры;
• коллекторы для распределения воды;
• дополнительные приборы для автоматизации процесса.

Бак служит для приёма лишней воды в системе и бывает двух типов — мембранный и открытый. Как известно, вода при нагреве расширяется, соответственно, в системе при нагреве ей нужно куда-то деваться. Расширительный бак для этого и предназначен, то есть для приема лишней воды.

Если речь идёт о системе с принудительной циркуляцией теплоносителя, то её работу обеспечивает циркуляционный насос. В случае наличия нескольких контуров, тёплого пола, гидрострелки, буферной ёмкости или других разделителей, а также бойлера, тогда агрегатов для принудительной циркуляции устанавливается минимум два. Непосредственно буферная ёмкость работает как гидроразделитель и теплоаккумулятор. Контур котла может функционировать независимо от всех остальных только в сложных отопительных системах многоэтажных коттеджей и больших частных домов.

Бойлеры, которые включены в систему обогрева, представляют собой бочку со змеевиком внутри. Служит для косвенного обогрева воды с помощью теплоносителя системы отопления. Вода потом используется для мытья посуды, банных процедур и тому подобного. Кроме этого, даже если выключить котёл, вода будет оставаться тёплой ещё долгое время. Коллекторы для распределения теплоносителя применяются в случае установки нескольких контуров, тёплого пола, а также при установке лучевой схемы отопления.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:

• При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
• Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
• При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

Однотрубная горизонтальная система с естественной циркуляцией имеет низкую теплоэффективность, поэтому используется крайне редко. Суть схемы такова, что подающая труба последовательно подключена к радиаторам. Нагретый теплоноситель поступает в верхний патрубок батареи и выводится через нижний отвод. После этого тепло поступает к следующему узлу отопления и так до последней точки. От крайней батареи к котлу возвращается обратка.

Преимуществ у данного решения несколько:

1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
2. Экономятся средства на монтаж системы.

Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования ).

Двухтрубная система с самоциркуляцией

Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:

1. Подача и обратка проходят по разным трубам.
2. Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
3. Второй подводкой батарея подключается к обратке.

В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:

1. Равномерное распределение тепла.
2. Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
3. Проще выполнить регулировку системы.
4. Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
5. Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.

Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.

Преимущества отопления гравитационной схемы

Схема возникновения циркуляционного напора.

Вместе с тем данная схема имеет преимущества, которые определяют их выбор в отдельных случаях:

• относительная простота эксплуатации устройства;
• независимость от снабжения электроэнергией;
• отсутствие циркуляционных насосов, шума и вибрации;
• сравнительная долговечность (действуют без капитального ремонта при правильной эксплуатации 35-40 лет и более);
• увеличенная тепловая надежность ввиду действия количественного саморегулирования.

Следует остановиться на количественном саморегулировании. В гравитационной системе создают своеобразный механизм регулирования: при проведении качественного регулирования, то есть при контроле температуры, происходит самопроизвольно количественное регулирование – меняется расход воды. В действительности, если менять температуру греющей воды в зависимости от температуры наружного воздуха, из-за другого распределения плотности меняется естественное циркуляционное давление и, соответственно, объем циркулирующей жидкости.

Усиление или ослабление циркуляции жидкости в двухтрубной системе в циркуляционном кольце всех отопительных приборов изменяет теплопередачу в помещение, которая, изменяясь, во взаимодействии с теплопотерями помещения сама влияет на расход жидкости, изменяя циркуляционное давление и температуру обратной воды. В итоге сохраняется соответствие между теплопередачей прибора и теплопотерями помещения, то есть обеспечивается надежность тепловых характеристик каждого отдельного прибора и, соответственно, всей отопительной системы.

Схема разводящего трубопровода горячей и холодной воды.

Таким образом, естественное циркуляционное давление, вызывающее в насосной двухтрубной системе отопления тепловое вертикальное разрегулирование, поддерживает тепловую надежность двухтрубной гравитационной системы.

В однотрубной вертикальной системе есть количественное аналогичное саморегулирование, но в циркуляционных кольцах не конкретного прибора, а целых стояков с их соединенными последовательно приборами. Ослабление или усиление циркуляции жидкости происходит при этом более интенсивно, чем требует того график оптимального режима. В итоге в теплый период отопительного сезона можно наблюдать отклонение от нужной теплоподачи у некоторых приборов: при движении сверху вниз в стояке сильно уменьшенного объема жидкости нижние приборы не догревают помещения. Это явление с увеличением числа этажей здания усугубляется.

Таким образом, циркуляционное естественное давление, которое способствует тепловой надежности вертикальной насосной однотрубной системы отопления, вызывает тепловое вертикальное разрегулирование однотрубной гравитационной системы.

Схема монтажа отопления в доме.

При естественной циркуляции жидкости преимущество необходимо отдавать двухтрубным системам отопления. Вертикальная однотрубная система дает возможность увеличивать циркуляционное естественное давление и скорость перемещения жидкости в сравнении с двухтрубной, а также расположить конкретные отопительные приборы ниже, чем теплообменник.

Схемы гравитационных систем похожи на схемы насосных систем отопления. Понимая зависимость циркуляционного естественного давления от расстояния по вертикали между центрами нагревания и охлаждения и закономерности перемещения воздушных скоплений в трубах по горизонтали, можно установить, необходимо ли применять верхнюю разводку в гравитационной схеме подающей магистрали. Расширительный бак при этом присоединяют непосредственно к основному стояку, делается уклон подающей магистрали в сторону движения жидкости, используется бак для удаления воздуха. В отопительных приборах получается самая рациональная схема движения жидкости для двухтрубной схемы – сверху вниз.

1 Системы обогрева одноэтажных домов – в чем между ними разница?

К самым распространенным схемам отопления в жилых домах относятся следующие варианты:

• Однотрубная – напорный и обратный патрубок котла соединяет одна линия, на которую, как бусы на нитку, нанизаны радиаторы.
• Двухтрубная – в этом случае из напорного патрубка выходит одна линия, а из обратного – вторая. В эти линии врезают соответствующие патрубки батарей (радиаторов).
• Коллекторная – на обратный и напорный патрубок котла навинчивают тепловые хабы, собирающие или распределяющие теплоноситель по разводке. Радиаторы в этом случае подключаются именно к хабам-коллекторам.

В однотрубной системе напорный и обратный патрубок котла соединяет одна линия, на которую нанизаны радиаторы

Все три варианта схем могут относиться к системам закрытого или открытого типа. Открытый вариант предполагает контакт теплоносителя с атмосферой в расширительном бачке и давление в системе чуть выше атмосферного. Второй вариант рассчитан на полную герметизацию линий циркуляции и давление в 2-4 раза выше атмосферного. Какая схема отопления одноэтажного дома лучше, сказать трудно. Для точного ответа нам придется изучить плюсы и минусы каждого варианта разводки, причем в открытом и закрытом состоянии.

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.

2.1. Двухтрубные системы отопления с верхней разводкой

Вода из котла поднимается вверх по подающему трубопроводу и далее поступает по стоякам и подводкам в отопительные приборы (рис. 3-5). Горизонтальные магистрали прокладываются с уклоном. От отопительных приборов вода по обратным подводкам и стоякам поступает в обратный трубопровод и из него в котел.

Рис. 3. Схема двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды

Рис. 4. Схема двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды: 1 – котел; 2 – главный стояк; 3 – подающая магистраль; 4 – горячие стояки; 5 – обратные стояки; 6 – обратная магистраль; 7 – расширительный бак

Каждый отопительный прибор данной системы отопления (рис. 4) обслуживается двумя трубопроводами – подающим и обратным, поэтому такая система называется двухтрубной. Подпитку воды в систему осуществляют от водопровода, а если его нет, то воду заливают вручную через отверстие расширительного бака. Подпитку отопительной системы из водопровода лучше делать в обратную магистраль, так как холодная вода из водопровода будет смешиваться с относительно горячей водой обратной магистрали и повышать ее плотность, увеличивая циркуляционный напор на время подпитки.

Системы отопления с естественной циркуляцией делают одно- и двухконтурными (рис. 5). В одноконтурных системах котел устанавливают в начале контура, а трубную разводку делают справа или слева от него, опоясывая по периметру весь дом или квартиру, при этом длина кольца по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше до 20 м). Чем длиннее кольцо, тем больше в нем гидравлические сопротивления (силы трения внутри трубы). В двухконтурных системах котел размещают в центре, а трубную разводку (контуры колец) – в обе стороны от котла, общая длина труб по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше – до 20 м). Чтобы получить гидравлически сбалансированную систему, длины колец двухконтурной системы и количество секций радиаторов надо делать примерно одинаковыми.

В зависимости от направления движения теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления могут быть тупиковыми и с попутным движением воды.

Рис. 5. Схема двухтрубной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя

В тупиковых системах отопления движение горячей воды в подающей магистрали противоположно движению остывшей воды в обратной магистрали. В этой схеме длина циркуляционных колец неодинакова, чем дальше от котла расположен отопительный прибор, тем больше протяженность циркуляционного кольца.

В тупиковых системах добиться одинаковых сопротивлений в коротких и более отдаленных циркуляционных кольцах трудно, поэтому отопительные приборы, близко расположенные к главному стояку, будут прогреваться гораздо лучше, чем удаленные от него. А при малой тепловой нагрузке ближайших к главному стояку циркуляционных колец их гидравлическая увязка становится еще сложнее.

В системах отопления с попутным движением воды все циркуляционные кольца имеют длину протяженность, поэтому стояки и отопительные приборы работают в одинаковых условиях. В таких системах независимо от расположения отопительного прибора по горизонтали в отношении главного стояка их прогрев будет одинаковым. Однако системы отопления с попутным движением воды применяют ограниченно, так как часто при проектировании реальных отопительных систем, учитывающих планировку дома, оказывается, что при монтаже потребуется большее количество труб, чем для тупиковых систем. Поэтому такие системы используют в тех случаях, когда в тупиковой системе невозможна увязка циркуляционных колец между собой.

Чтобы расширить применение тупиковых систем, сокращают протяженность магистралей и вместо одного контура большой длины делают два коротких контура или несколько. В таких случаях обеспечивается лучшая горизонтальная регулировка системы. Балансировку (гидравлическую увязку) отопительных колец контура начинают еще на стадии проектирования системы отопления. Чтобы она работала равномерно, все кольца контура должны иметь примерно одинаковые гидравлические сопротивления, то есть кольцо, расположенное близко к главному стояку, должно иметь почти такое же сопротивление, как и кольцо, удаленное от главного стояка, а сумма гидравлических сопротивлений всех колец не должна превышать величины циркуляционного напора. Иначе циркуляции теплоносителя в системе может не быть.

Принцип работы

Принцип работы гравитационной системы отопления лежит использование естественной циркуляции воды за счет такого физического явления как конвекция. Нагретая в котле отопления вода, по трубе (разгонному коллектору) поднимается к расширительному баку, от него сверху вниз течет по радиаторам отопления, отдавая свое тепло в помещениях, остывает и попадает в нагревательный котел, вытесняя оттуда уже нагретую воду. Такое гравитационное отопление и называют гравитационной или самотечной системой.

В закрытой системе гравитационного отопления можно ускорить циркуляцию теплоносителя, если:

• как можно дальше разнести нижний и верхний уровень относительно радиаторов отопления, то есть опустить котел в подвал, а расширительный бак, который является верхней точкой — на чердак, если есть такая возможность. Чем длиннее труба отопления от котла к расширительному баку, тем быстрее поднимается горячая вода, а чем выше бак относительно радиаторов, тем круче угол наклона трубы, и выше скорость течения воды;
• уменьшить гидравлическое сопротивление в контуре за счет диаметра труб, качества запорной арматуры, количества разветвлений, изгибов и поворотов труб. Чем больше диаметр труб, тем больший поток воды они пропускают. Чем больше разветвлений, поворотов и изгибов, тем ниже скорость потока. Запорная арматура низкого качества или устаревших моделей частично перекрывает сечение трубы, увеличивая сопротивление и снижая скорость потока воды.

Принцип работы гравитационной системы

Классические, по отработанной схеме, гравитационные системы отопления не герметичны.

Расширительный бак системы отопления, который служит, в первую очередь, для компенсации объема нагретой жидкости, предназначен и для выхода избытка воздуха из системы. В таком контуре вода быстро испаряется, но ее легко можно доливать в бак.

Описание схемы

Для того чтобы работало подобное отопление, должны быть правильно подобраны соотношения труб, их диаметров и углов наклона. Кроме того, некоторые виды радиаторов в этой системе не используются.

Рассмотрим, из каких элементов состоит вся конструкция:

1. Твердотопливный котел. Заход воды в него должен находиться в самой низкой точке системы. Теоретически котел может быть также электрический или газовый, но на практике для подобных систем они не применяются.
2. Вертикальный стояк. Низ его соединен с подачей котла, а верх разветвляется. Одна часть соединяется с подающим трубопроводом, а вторая соединена с расширительным баком.
3. Расширительный бачок. В него переливаются излишки воды, которые образуются при расширении от нагрева.
4. Подающий трубопровод. Для того чтобы гравитационная система водяного отопления работала эффективно, трубопровод должен иметь нижний уклон. Величина его составляет 1-3 %. То есть на 1 метр трубы перепад должен составлять 1-3 сантиметра. Кроме этого, трубопровод по мере удаления от котла должен уменьшать диаметр. Для этого применяют трубы разного сечения.
5. Отопительные приборы. В качестве них устанавливают либо трубы большого диаметра, либо чугунные радиаторы М 140. Современные биметаллические и алюминиевые радиаторы ставить не рекомендуют. Они имеют малое проходное сечение. А поскольку давление в гравитационной системе отопления малое, то продавить теплоноситель через такие отопительные приборы сложнее. Скорость потока будет снижаться.
6. Обратный трубопровод. Так же, как и подающая труба, он имеет уклон, который позволяет воде свободно стекать в сторону котла.
7. Краны для слива и забора воды. Сливной кран устанавливается в самой низкой точке, непосредственно рядом с котлом. Кран для забора воды делается где удобно. Чаще всего это место, близкое к трубопроводу, который соединяется с системой.