Системы отопления для дома с естественной циркуляцией

Сейчас системы отопления стали настолько сложными, что сделать многие из их видов самостоятельно уже практически невозможно. Однако еще совсем недавно все было по-другому. Самыми распространенными и тогда, и сейчас были системы отопления, которые называются гравитационными, или с естественной циркуляцией теплоносителя. Принципиальная схема такой системы включает весьма небольшое количество компонентов, однако она считается надежной и долговечной.

Изображение 1. Схема гравитационного отопления: 1-котел, 2-бак, 3-подающая труба, 4- радиатор, 5-обратная труба.

Состав и принцип работы системы

Все системы отопления частного дома с естественной циркуляцией теплоносителя рассчитаны на небольшие протяженности трубопроводов – не больше 25-35 м в одну сторону.

Состав системы отопления частного дома с естественной циркуляцией теплоносителя включает следующие элементы:

• котел, как правило, твердотопливный;
• трубопроводы: в зависимости от типа системы отопления может быть один или два трубопровода – подающий и обратный;
• отопительные радиаторы;
• расширительный бачок.

На первом рисунке видна взаимосвязь всех перечисленных выше компонентов.

Изображение 2. Схема возникновения циркуляционного напора.

В котле сгорает топливо (дрова, брикет и так далее). По подающему трубопроводу нагретый теплоноситель доставляется до радиаторов. Здесь теплоноситель отдает часть своего тепла в окружающую среду. Посредством обратного трубопровода остывший теплоноситель отопительной системы попадает обратно в котел. Расширительный бачок нужен для непрерывной подачи теплоносителя в систему отопления.

Такой цикл повторяется постоянно. Теплоноситель двигается за счет создаваемого давления. Его создает расширительный бачок. Давление воды создается за счет атмосферного давления, так как расширительный бачок находится выше всех остальных элементов системы отопления частного дома. Именно по этой причине такие системы называются системами с естественной циркуляцией.

Системы отопления двухэтажного коттеджа работают по такому же принципу, только в них существуют еще и вертикальные трубопроводы, которые называются стояками.

Вода течет по ним за счет давления, в образовании которого принимают участие сразу три фактора:

• давление за счет расширительного бачка;
• давление за счет расширения теплоносителя вследствие его нагревания;
• давление за счет действия холодного, более тяжелого теплоносителя.

Вода, сильно нагреваясь от котла, поднимается по стояку, а потом вытесняется более тяжелой холодной водой. Дальше вода растекается по горизонтальному трубопроводу. Эти движения происходят только за счет указанных выше составляющих общего давления, то есть самотеком. Таким же образом вода поступает обратно.

Стоит заметить, что все радиаторы и трубопроводы должны быть расположены под небольшим углом, чтобы создать дополнительное давление в трубах.

Схема разводящего трубопровода горячей и холодной воды.

Кроме того, наклон трубопроводов способствует удалению воздушных подушек через расширительный бачок. Это происходит по той причине, что воздух легче воды, поэтому стремится попасть в самую верхнюю точку – расширительный бак.

Расширительный бак имеет и другое предназначение – забирать нагретую воду, объем которой при нагревании увеличивается, при остывании вода возвращается обратно.

Если говорить кратко, то принцип действия движения воды такой: вода поднимается по стояку вследствие нагревания, а также под воздействием давления. Циркуляция теплоносителя обуславливается разностью между двумя плотностями – нагретой и остывшей воды.

Несмотря на наличие давления, хоть и небольшого, движение воды не имеет большой скорости. Это связано с тем, что атмосферное давление в системе отопления частного дома расходуется на преодоление сопротивления, которое возникает в результате трения воды о внутренние стенки труб. Особенно большое сопротивление теплоноситель испытывает в местах поворота трубы, в местах прохода через водопроводную арматуру и так далее.

В общем смысле скорость движения теплоносителя, то есть ее напор, зависит от многих факторов:

• от разности двух высот – высоты центра котла и высоты центра отопительного радиатора. Чем больше эта разность, тем быстрее движется вода в системе отопления двухэтажного частного дома с естественной циркуляцией;
• от разности плотностей холодной и горячей воды – чем выше температура, тем меньше ее плотность, а соответственно, и разность больше.

Откуда берется напор?

Схема монтажа отопления в доме.

Начать стоит с того, что температура и котла, и отопительных элементов изменяется дискретно, то есть скачками, относительно центральных осей этих приборов. Это значит, что гравитационная система наполовину горячая (сверху), наполовину холодная (снизу).

Горячая вода обладает меньшей плотностью, чем холодная. Если вспомнить некоторые формулы из курса школьной физики, то можно понять, что при одинаковых объемах тело с меньшей плотностью обладает и меньшим весом.

Теперь стоит представить, что верхней части отопительных контуров или одного контура система не имеет, есть только нижняя. Получается обычная система сообщающихся сосудов. Один сосуд (котел) расположен ниже второго сосуда (например, трубопровода). Этот эффект и приводит к возникновению движения, так как вода стремится растечься равномерно. На рисунке 2 схематично показана система сообщающихся сосудов.

Однако труба в котле с горячей водой расположена выше, чем обратный трубопровод с холодной водой. Это должно мешать движению воды. Но этого не происходит по той причине, что вода в котле постоянно греется, то есть уменьшает свою плотность. При этом масса холодной воды становится больше, а значит, она толкает поток горячей воды по трубам. Вот этот процесс и становится потокообразующим. Только за счет него система отопления двухэтажного дома имеет постоянное движение теплоносителя.

На величину напора, как уже было отмечено, главным образом влияет разность высот между центром котла и центром отопительных радиаторов. Небольшое влияние на создание напора оказывает и уклон радиаторов и трубопроводов.

Схема уклона трубопровода.

Стоит заметить, что подающие трубопроводы должны иметь наклон в несколько градусов в сторону отопительных элементов, а обратный трубопровод – в обратную сторону.

Теперь становится понятным, что для обеспечения нормального напора необходимо правильно подобрать место для котла.

Если речь идет о своем доме, то такой котел в идеальном варианте можно поставить в подвале. Однако это не всегда возможно. Хотя схема отопления двухэтажного дома сама по себе предполагает наличие большой разности высот. Но если все же нет возможности обеспечить нормальную разность, то для котла можно в полу сделать нишу. При этом необходимо позаботиться обо всех мерах пожарной безопасности.

Явление саморегуляции скорости потока

Разность температур и масс нагретого и остывшего носителя тоже является определяющим фактором. Система отопления частного дома с горизонтальной или вертикальной разводкой такого типа является саморегулирующейся. Это означает, что как только холодный поток становится настолько тяжелее горячего, чтобы хватило силы сдвинуть последний, это происходит в тот же момент. Таким образом, влиять на этот показатель можно только одним способом – сильнее разогревать воду в котле.

Это естественный процесс: чем холоднее в доме, тем больше нужно топлива, чтобы его согреть. Это значит, что горение протекает более интенсивно, то есть и вода разогревается до больших температур. Вода в трубопроводе будет циркулировать с большей скоростью. Так будет происходить до тех пор, пока обратный трубопровод сам немного не прогреется, как и воздух в комнате. Нагревание воздуха и обратного трубопровода автоматически уменьшит разность температур и снизит скорость потока.

Это, в свою очередь, приведет к тому, что температура в помещении начнет снижаться, что увеличит разность температур. Система снова получит некоторое прибавление в скорости потока. Происходит саморегулирование.

Разновидности систем с естественной циркуляцией и их достоинства

Схема однотрубной системы отопления.

Если взять в рассмотрение очень старые дома, построенные еще до второй половины прошлого столетия, то можно увидеть, что почти повсеместно была использована схема отопления домов, которая содержала только один трубопровод – однотрубная схема, как правило, с верхней разводкой труб.

Сейчас такая схема нигде не применяется. Сегодня нормой считается такая система отопления частного дома, которая содержит два трубопровода. Причем она может иметь как верхнюю разводку, так и нижнюю.

Итак, она имеет ряд преимуществ перед системами с принудительной циркуляцией:

• простота монтажа и эксплуатации;
• полная энергонезависимость, чего не скажешь про системы с принудительной циркуляцией, ведь насос в них работает от электричества;
• большой срок службы, который исчисляется 35-45 годами;
• тепловая стабильность, что обеспечивается явлением саморегуляции.

Например, в современных системах, если циркуляционный насос выходит из действия или частично становится непригодным, нарушается циркуляция, что даже при правильной работе котла ведет к снижению температуры воздуха.

Вообще процесс саморегулирования является отличительной особенностью такой системы от системы с принудительной циркуляцией. В них данный процесс, связанный с изменением давления теплоносителя, является фактором, снижающим эффективность.

Некоторые особенности применения гравитационных систем

Виды двухтрубных разводок.

Стоит сказать, что современное строительство предполагает наличие системы с принудительной циркуляцией. Связано это с тем, что она имеет больше преимуществ над гравитационными. Последние, в свою очередь, имеют недостатки, которые и ограничивают сферу их применения:

• небольшая протяженность трубопровода. Чем больше длина труб, тем выше требуется давление, чтобы обеспечить нормальный напор теплоносителя. Зачастую его просто не удается обеспечить. Считается, что оптимальной длиной является 25-35 м, по этой причине устраивать гравитационные системы отопления в многоэтажных домах просто не представляется возможным;
• большое время прогрева. Сама система, чтобы излучать тепло, должна как следует прогреться. Поскольку масса и трубопроводов, и радиаторов, и воды достаточно велика, то и их общая теплоемкость тоже. Следовательно, часть энергии уходит на собственный прогрев, а часть – на обогрев окружающего воздуха;
• из предыдущего пункта можно понять, что пока вода не нагреется до определенной температуры, циркуляции не будет. По этой причине можно утверждать, что первые несколько минут отопительный котел работает вхолостую, то есть КПД такой системы значительно ниже, чем КПД отопления с принудительным движением теплоносителя.

Стоит отметить, что схемы отопления частного дома с естественной циркуляцией хорошо подходят для отопления дачных домиков или небольших домов. Здесь они показывают себя с лучшей стороны.