Гравитационная система отопления, её принцип работы, преимущества и недостатки

Весьма распространенный тип обогрева помещений – гравитационный. Система такого типа функционирует, благодаря циркуляции воды по отопительным трубам. Метод отопления используется во многих квартирах, но отлично подходит для загородного дома. Гравитационная обогревательная система проста, надежна и применяется уже много лет.

Особенности гравитационного метода отопления дома и принцип работы

Метод обогрева был разработан с применением базовых законов физики и применялся на протяжении многих лет. Базовая особенность – циркуляция жидкости не нуждается в поддержке электроэнергии, протекание является самоподдерживающимся. Гравитационный обогрев отличается надежностью – трубы функционируют десятилетиями, не нуждаясь в замене. От владельца жилплощади требуется только эпизодическая профилактика.

Из-за слабого давления при циркуляции жидкости система не способна прогреть пространство в большом радиусе. Действие распространяется на расстояние около 30 м от источника тепла. Прогрев происходит неспешно, ввиду свойств воды, также, жидкость в расширительном баке может начать замерзать при экстремально низких температурах. Для правильной работы гравитационного отопления учитывают особенности этого способа обогрева для сведения недостатков к минимуму.

Компоненты, составляющие систему:

• радиаторы;
• расширительный бак;
• котел;
• в некоторых случаях — гравитационный капкан.

Схема функционирования звучит просто. Нагретая в котле вода проходит по трубам и подается в радиаторы, которые отдают тепло в помещения. По возвратным трубам жидкость протекает назад, в котел, где снова подвергается нагреву и подается к батарее. Для равномерного нагрева цикл проходит постоянно. Для бесперебойной и правильной работы системы трубы устанавливают под углом. Они наклонены по направлению течения.

Работа схемы объясняется физическими свойствами воды. Горячая вода подвергается физическим изменениям на молекулярном уровне. Она поднимается по трубам благодаря расширению из-за высокой температуры. Холодная вода, присутствующая в системе в обратной трубе участвует в процессе – она выталкивает массу горячей воды и задает направление.

Схема работы гравитационного метода отопления дома

Теплая жидкость распространяется по отводам самопроизвольно, благодаря температуре и текучести. Форма трубопровода помогает в этом. Холодная часть воды протекает по тем же законам, но двигается в обратном направлении. Наклон трубы одновременно стимулирует движение и способствует выходу воздушных пузырей в сторону расширительного бака. Пузырьки стремятся вверх, ввиду разницы массы газа и воды, полегание трубопровода под углом не позволяет воздуху скопиться в профиле.

Бак поддерживает давление во всей системе. В него протекает теплая вода, объем которой увеличен, а когда жидкость охлаждается (с уменьшением объема), она покидает бак и вновь участвует в цикле. Давление позволяет воде беспрепятственно продвигаться по трубам с относительно постоянной скоростью. В основе цикла лежит разница между плотностями горячей и холодной воды, помещенной в специальные условия. Без влияния давления или в трубопроводе неверной конструкции циркуляция не произойдет.

Проектирование системы производит обученный специалист. Сложность конструкции и множество нюансов не позволят обывателю точно спланировать и установить схему гравитационного отопления без помощи теплотехника. Особенности конкретного проекта зависят от множества аспектов. Для правильного проекта понадобится рассчитать показатели гидравлики (по которым определяется размер труб для системы), учтет внешние условия и т. д., чтобы отопление работало без перебоев.

Выбор труб

Необходимый размер профиля для трубопровода называют по завершении проектирования системы – это задача мастера. Владелец дома, в свою очередь, может выбрать трубы для монтажа. Вариант всегда может порекомендовать специалист по проектированию, но нужно понимать, какие параметры имеет тот или иной материал, как он повлияет на работу отопления. Для гравитационного обогрева используют следующие варианты:

• профиль из нержавеющей стали;
• полипропилен;
• медь.

Полипропиленовая труба считается лучшим выбором. Материал мало весит, прост в монтаже и не поддается коррозии. Последнее свойство особенно важно, поскольку материал будет в постоянном контакте с жидкостью. Полипропилен имеет отличную шумоизоляцию. Обычно течение воды не сопровождается громкими звуками, но благодаря свойствам материала работа системы будет проходить абсолютно беззвучно.

Основной момент при монтаже полипропиленового трубопровода – максимальная температура, которую выдерживает выбранная труба. Сопротивляться температурной деформации полипропиленовому трубопроводу помогает армирующее покрытие. Это защитный слой, нейтрализующий воздействие горячей воды на материал.

Часть трубопровода, по которой вода возвращается в котел рекомендовано монтировать из стали. Этот металл ускоряет охлаждение жидкости и снижает гидравлическое сопротивление во время работы отопительной системы.

Разновидности систем гравитационного отопления

Всего существует 2 типа систем. Они различаются по сложности конструкции, монтажа и проектирования. Для каждой есть свои рекомендации по установке и эксплуатации. Отопительные установки бывают двухтрубными и однотрубными.

Двухтрубные системы

Отличаются сложной конструкцией, непростым монтажом. Для работы используют 2 контура. Один отвечает за движение жидкости от котла в сторону радиаторов, а другой за возвращение воды в котел. Данный вариант отопительной системы ставят чаще, ввиду больше надежности, лучшего эффекта. Проектирование отнимает больше времени, поскольку учитываемых позиций элементов, а также переменных в расчетах становится больше (по сравнению с однотрубным проектом).

Двухтрубная система отопления

Однотрубные системы

Имеют только один контур. При проектировании, зависимости от количества установленных батарей, проводится расчет объема расширительного бака. Уровень воды в данной емкости должен постоянно отслеживаться. Он не должен падать ниже трубы, распределяющей жидкость по батареям. Нормальный уровень заполнения бака – ¾ от всего объема. Сильное снижение уровня может стать помехой для циркуляции воды, полностью прекратить процесс.

Схема однотрубной системы гравитационного отопления проще, чем двухтрубная, но проект должен быть продуман до мелочей. Небольшой просчет может стать причиной отсутствия циркуляции и обогрева дома.

Однотрубная система отопления

Работа установки всецело зависит от правильного давления в трубах, его равномерному распределению. Без этого циркуляция будет невозможна.

Дополнения для повышения эффективности системы

Отопительная установка может работать лучше, если в проект будут внесены усовершенствования. Данные меры оптимизируют систему, увеличивают КПД и сглаживают недостатки, которые могут сказаться на качестве функционирования. Можно предложить следующие дополнения:

1. Монтаж обратного капкана, который блокирует случайное движение жидкости не в том направлении.
2. Монтирование циркуляционного насоса. Установка этого дополнения снижает инерционность гравитационной системы. В случае превышения времени, отведенного на нагрев, данное улучшение увеличивает скорость протекания воды. В результате жидкость нагревается до необходимого уровня.
3. Уклон магистрали. Позволяет получить оптимальный уровень давления в ходе работы системы.

Гравитационное отопление в базовой комплектации будет работать и без дополнительных мер, но монтаж вспомогательных элементов значительно повысит эффективность и снизит вероятность поломок. Для внесения изменений, их заранее обговаривают с теплотехником, ответственным за проект.

Плюсы и минусы

Любой метод отопления имеет свои сильные и слабые стороны. На них следует обратить внимание для сравнения с альтернативными вариантами отопления. Знание плюсов и минусов позволяет оценить, насколько удобен этот вид обогрева для конкретного здания.

1. Работа без электропитания.
2. Прочность (металлические трубы очень устойчивы к разрушению, они могут служить до 40 лет без ремонта).
3. Легкость в использовании.
4. Бесшумная работа (течение воды не сопровождается громкими звуками, их наличие указывает на возможную неисправность).

1. Организация гравитационного отопления для дома требует значительных финансовых вложений. Затраты на проект, материалы и монтаж, вкупе с возможными дополнениями могут быть действительно крупными.
2. Отдельные разводные схемы бывают связаны с сильной разницей температур в радиаторах системы.
3. Прогрев всех батарей в доме – медленный процесс, когда установку для обогрева запускают впервые. На нагрев уходит от 4 часов.
4. Есть риск замерзания расширительного бака. Это случается, когда вода циркулирует с небольшой скоростью. Чтобы исключить возникновение подобной проблемы, некоторые части системы придется утеплить.

Гравитационная система отопления – самая архаичная, но самая надежная из существующих. С момента изобретения она прошла некоторые этапы «эволюции», но основной принцип остался неизменным. При сотрудничестве с грамотным проектировщиком, затрате определенных средств и наличии условий для проведения отопления это один из лучших вариантов для загородного дома.

О гравитационной системе отопления дома можно узнать и из видео:

Евгений Афанасьев главный редактор

Автор публикации 28.07.2020

Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!

Гравитационная система отопления: схема и расчет

Приветствую всех читателей моего блога! Сегодня в этой статье я расскажу вам о гравитационных системах отопления.

А конкретно о том, как они работают и где их целесообразно применять.

Постараюсь, как обычно, быть кратким, но информативным, чтобы без лишней «воды» дать вам основное, что нужно о них знать.

Для краткости я буду использовать либо жаргонизм «гравитационка», либо сокращение ГСО.

Делается это для того, чтобы не перегружать текст длинными словами. Итак, поехали!

Принцип работы гравитационной системы отопления

Гравитационная система отопления это наиболее архаичная система водяного отопления.

Впервые ее применили в первой половине 19 века для обогрева оранжерей.

Физический принцип ее действия основывается на том, что разогретая жидкость расширяется и меняется ее плотность (жидкость становится «легче»).

Внутри котла происходит разделение по плотности — нагретый теплоноситель поднимается по подающей магистрали, а холодный стремится вниз по обратной в сторону котла.

Из-за эффекта непрерывности струи начинается круговое движение жидкости — циркуляция.

Скорость циркуляции в ГСО зависит от разницы уровней (ниже на рисунке обозначено как H) центра нагрева (котла) и центра охлаждения (радиаторов).

Чем больше разница уровней, тем больше будет скорость жидкости внутри системы.

Устройство гравитационной системы отопления

Устроена ГСО достаточно просто. Чтобы не томить вас лишними словами сразу перейдем к рисунку:

Гравитационная система отопления с мембранным расширительным баком

На рисунке изображена двухтрубная гравитационная система (ранее я уже писал статью про двухтрубные и однотрубные системы рекомендую ее к прочтению).

В самой верхней точке системы располагают в классическом варианте расширительный бак открытого типа.

От котла вверх уходит подающая труба (на рисунке горячая магистраль), по которой разогретый теплоноситель идет к приборам отопления.

В них он остывает и идет обратно в котел по обратной трубе (на рисунке обратная магистраль).

В двухтрубной ГСО магистрали прокладываются с соблюдением уклонов.

У подающей магистрали уклоны делаются в сторону отопительных приборов, у обратной магистрали уклон идет в сторону котла.

Теперь давайте рассмотрим однотрубный вариант гравитационной системы отопления:

Гравитационная однотрубная система отопления

Работает однотрубная ГСО также, как и двухтрубная. Отличием здесь будет наличие разгонного коллектора — специальной трубы в, которой увеличивается скорость теплоносителя под действием силы тяжести.

Из-за последовательного прохождения радиаторов, температура теплоносителя снижается от начального радиатора к конечному.

Чтобы это компенсировать необходимо увеличивать количество секций у последних радиаторов, а это не всегда возможна из-за ограниченности пространства.

Возможен также вариант ГСО с мембранным расширительным баком вместо открытого.

В этом случае желательно, чтобы котел был рассчитан на давление 3 атмосферы, так как придется устанавливать группу безопасности на подающую магистраль.

Предохранительный клапан в стандартной группе безопасности как раз рассчитан на 3 атмосферы.

Если же ваш котел рассчитан на открытую систему (на давление 1 — 1,5 атм), то при установке мембранного бака и стандартной группы он может выйти из строя.

Мембранный расширительный бак может быть расположен в любом удобном месте ГСО, а в верхней точке системы необходимо установить воздухоотводчик.

Закрытая гравитационная система отопления

Давайте двигаться дальше. Поговорим о том, как рассчитывать гравитационную систему и как выбирать диаметр труб для нее.

Расчет гравитационной системы отопления

Если вы собрались сделать гравитационную систему отопления, то вам необходимо сделать хотя-бы минимум расчетов. А лучше вообще сделать полноценный проект.

Это будет идеал и если ваш бюджет потерпит такие траты, то я их весьма рекомендую.

Возможно уже на этапе проекта инженер выявит возможные сложности в реализации и вам удастся избежать переделок. Итак, давайте начнем рассматривать формулы!

Первая формула, которая нам понадобится:

Расшифровывается она следующим образом:

• p_ниж — давление на нижнем уровне.
• p_вер — давление на верхнем уровне.
• ρ — плотность жидкости.
• g — ускорение свободного падения 9,8 м/с².
• h — разность высот между уровнями.

По этой формуле определяется гидростатическое давление в системе отопления. Из нее следует очевидный вывод, что давление в системе будет тем больше, чем больше ее высота.

Но теплоноситель (в частном случае вода) циркулирует по ГСО и этот момент учитывает равенство Бернулли, которое выглядит так:

Уравнение Бернулли показывает, что полное давление зависит не только от высоты, но и от скорости движения жидкости в системе.

Однако, вклад гидродинамического давления в полное значительно меньше, чем гидростатического (менее 5%) поэтому им пренебрегают для простоты расчетов.

Как известно, циркуляция в ГСО происходит из-за разности давлений, создаваемых горячей и холодной водой.

Эта разность называется естественным циркуляционным давлением и вычисляется по следующей короткой и простой формуле:

Расшифровывается это так:

• ρ_хол — плотность холодной воды.
• ρ_гор — плотность горячей воды.
• Δp — естественное циркуляционное давление.

Плотности воды при определенных значениях температуры являются справочными величинами, которые просто узнать из справочников.

Эта формула подходит для расчета естественного циркуляционного давления в одноэтажном доме, где имеется один центр охлаждения. в двухэтажном доме таких центров будет уже 2 и формула примет следующий вид:

• h1, ρ1 — уровень центра охлаждения плотность воды на первом этаже.
• h2, ρ2 — уровень центра охлаждения плотность воды на втором этаже.

После расчета естественного циркуляционного давления необходимо рассчитать расход воды.

Делается это следующим образом:

Расшифровка здесь такая:

• G — расход теплоносителя кг/сек.
• Q — количество теплоты, генерируемое котлом.
• С — удельная теплоемкость.
• Δt — разность температур между горячим и остывшим теплоносителем.

Для наглядности предлагаю посмотреть короткое видео с примером расчета ГСО:

Гравитационная система отопления: диаметры труб

При выборе труб нам необходимо, чтобы они обеспечивали необходимый расход воды, а естественного циркуляционного давления должно хватать для компенсации потерь на трение о стенки и преодоление местных сопротивлений (тройники, отводы, вентиля и так далее).

Падение давления, вызванное трением определяется по равенству Дарси Вейсбаха:

• ΔP — падение давления на участке трубопровода.
• λ — коэффициент потерь на трение по длине участка. Табличная величина.
• L — длина участка.
• D — диаметр трубы на участке.
• V — скорость жидкости в трубе.
• ρ — плотность жидкости.

Общие потери давления в системе будут определяться как сумма потерь на всех участках труб и местных сопротивлениях (потери в местных сопротивлениях находятся по формуле

Об этом я писал в своей статье, посвященной гидравлическим расчетам.

Для того, чтобы появилась циркуляция, естественное давление циркуляции должно превысить общие потери давления в ГСО:

Для того, чтобы сэкономить время, строители давно разработали специальные таблицы, которым можно быстро выбрать необходимый диаметр трубы.

Скажу сразу, что в ГСО металлическая труба начинается от 50-го диаметра, а пластиковые трубы могут использоваться начиная от диаметра 63 мм.

Их самым главным недостатком будет их цена. Кроме того, есть определенные сложности с их монтажом.

Тут нужно будет привлекать опытного человека, который сможет соблюсти все уклоны и прочие нюансы системы.

Гравитационная система отопления: плюсы и минусы

Эта статья, конечно же, не претендует на полноту освещения вопроса и призвана дать читателю только начальные знания о гравитационных системах отопления. Поэтому прошу не судить строго.

Главным преимуществом такого отопления является его независимость от работы насосов и долговечность системы.

Ее наиболее удобно применять в глухих уголках нашей страны, где могут возникать долгие перебои с электроэнергией.

Главный недостаток ГСО — высока начальная стоимость материалов и сложности монтажа. Но долгий срок ее службы вполне все окупает.

На этом пока все, жду ваших вопросов в комментариях! Не забываем делиться статьей через социальные сети.