Принцип работы гравитационной системы отопления

Существует много видов отопительных систем, современных и надежных старых, сложных и простых, дорогих и дешевых. Гравитационная система отопления закрытого типа – это проверенная временем, надежная, без нагромождения сложных приборов система водяного отопления.

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.

Преимущества и недостатки

Преимущества гравитационной системы отопления:

• высокая надежность и отказоустойчивость системы. Минимум несложного оборудования, прочные и надежные материалы, изнашивающиеся элементы (запорная арматура) выходят из строя редко и заменяются без проблем;
• долговечность. Проверено временем – такие системы по полвека работают без ремонта и даже обслуживания;
• энергонезависимость, из-за которой, собственно, и популярны гравитационные системы отопления до сих пор. В районах без электроснабжения или там, где оно часто нарушается, альтернативой гравитационному может быть только печное отопление;
• простота конструкции системы, ее монтажа и дальнейшей эксплуатации.

Недостатки гравитационной системы отопления:

• большая тепловая инерционность. Большое количество теплоносителя требует значительного времени на его прогрев и заполнение всех радиаторов горячей водой;
• неравномерный прогрев. По мере движения по трубам вода остывает и перепад температур между батареями значителен, а соответственно и температура в помещениях. Компенсировать этот недостаток можно установкой циркуляционного насоса с параллельным подключением, если в доме есть электричество, и использовать насос по необходимости;
• большая протяженность трубопроводов. Чем протяженней трубопровод, тем больше перепад давления в нем;
• высокая цена. Большой диаметр труб приводит к высокой стоимости расходных материалов системы. Хотя трубы большого диаметра тоже являются источником тепла;
• высокая вероятность размораживания системы. Часть труб проходит по неотапливаемым помещениям: чердаку и подвалу. В морозы вода в них может замерзнуть, но если в качестве теплоносителя использовать антифриз, то этого недостатка можно избежать.

Схемы разводки радиаторов отопления

Если открытая гравитационная система отопления устанавливается на один этаж, то основной контур проходит по всему периметру дома с единственным разрывом на месте установки насоса. Используются трубы стальные или полипропиленовые без армирования (в открытой системе не бывает избыточного давления и температура воды не выше точки кипения) с внутренним диаметром не ниже 32 мм.

Радиаторы отопления врезаются параллельно контуру с нижним или диагональным подключением, обязательно с запорной арматурой для возможности замены батарей или ремонта, а кроме того, балансировки изделий.

При нижнем подключении радиаторов в верхние пробки, необходимо вставить вентиль для стравливания воздуха.

Нижнее подключение радиаторов

Правильная и рациональная разводка системы гравитационного отопления на два этажа выглядит примерно так: разгонный коллектор вертикально вверх тянется через оба этажа на чердак к расширительному баку. От него с постоянным углом наклона по течению теплоносителя ведут трубы диаметром от 40 мм.

Гравитационная схема отопления двухэтажного дома

Нижний контур проходит по всему периметру здания и находится в подвале, если в нем температура не опускается ниже нуля градусов или в качестве теплоносителя используется антифриз для оборудования, либо на уровне пола нижнего этажа, что не так эстетично, но вполне допустимо. Радиаторы при этом врезаются в стояки, и в каждом стояке хотя бы на одном из них устанавливается для балансировки дроссель.

Балансировка (изменение сечения трубы для большей или меньшей подачи теплоносителя к отопительному прибору) обеспечивает более равномерный нагрев отопительных приборов. С эстетической точки зрения, хорошо было бы и верхний контур вынести за пределы жилых помещений на чердак, избегнув сомнительного украшения комнат в виде толстой трубы, идущей вниз с уклоном. Но при этом даже при самой качественной теплоизоляции некоторое количество тепла будет расходоваться бесцельно.

Устанавливая гравитационную систему отопления в двухэтажном доме нужно помнить, что:

1. В системе из нескольких контуров, подключенных параллельно к нагревательному котлу, и разной длины, короткий контур будет перетягивать на себя большее количество теплоносителя из-за большей скорости его движения, и тепло будет распространяться неравномерно;
2. Нельзя обойтись в двухтрубной классической схеме без балансировки с помощью дросселей или вентилей, иначе вода будет проходить только через ближние радиаторы отопления.

При том, что монтаж гравитационной системы отопления в частном доме можно выполнить своими руками, расчетную часть (проект) лучше поручить специалистам. От правильного и равномерного распределения давления теплоносителя зависит его теплоотдача во всех помещениях дома. Количество и диаметр труб, наличие и правильные места установки запорной арматуры, количество отопительных приборов – все это определяется и рассчитывается в ходе проектирования такой системы отопления.

Проекты систем гравитационного отопления

Вы используете устаревший браузер. Этот и другие сайты могут отображаться в нём некорректно.
Необходимо обновить браузер или попробовать использовать другой.

В последнее время системы отопления монтируются с принудительным побуждением циркуляции теплоносителя. Это, конечно, упрощает монтаж систем и удешевляет систему отопления в целом. Целый ряд преимуществ систем с насосной циркуляцией в её простоте с точки зрения монтажа. Не нужно делать уклоны, трубы меньшего диаметра в сравнении с гравитационной системой и, конечно, эстетическая сторона— можно прятать трубы в стену, заштробить. Кроме всего, есть экономия на количестве секций радиаторов, за счёт малого перепада температур подача-обратка. Ещё как достоинство, можно отнести к системе с насосной циркуляцией возможность её регулировки кранами и термоголовками. Как бы сказать, идеальная система отопления, ну и малый недостаток такой системы—это энергозависимость, который легко решается установкой ИБП. Ещё как достоинство данной системы, конечно, обустройство тёплых полов.

Теперь разберём, всё ли здесь так или система с насосной циркуляцией дань моде.

Давайте по порядку, начнём с простоты и сложности монтажа.

Самое первое, с чего начнёте делать систему, а не монтировать и бежать покупать радиаторы и котёл, а проект и трассировка труб. Относится данная рекомендация к монтажу любой системы отопления, с любым видом циркуляции. Если вы найдёте грамотного проектировщика-теплотехника, а лучше инженера, то он вам сможет спроектировать любую систему и учесть ваши рекомендации по трассировке труб. Этот вопрос лучше решить ещё и вместе с дизайнером. Если же вы хотите сделать систему гравитационную, то вам её и спроектируют. При этом вы увидите ещё на стадии проектирования, что больших труб, как это в понимании всех, не будет на виду. Конечно, при условии грамотного проектирования. Сейчас в общепринятом понятии гравитационная система представляет собой следующее: котёл чугунный или стальной, стоит в этаком деревенском доме, деревянном или кирпичном, от котла идут трубы, одна вверх, вторая по полу. Верхняя труба непременно идёт посреди стены и ещё с уклоном, на самом видном месте! На ней же, над котлом стоит расширительный бак, который представляет собой железный ящик, закрытый сверху фанерой или доской.

Далее идут по кругу или по всему периметру дома большие трубы, причём какие нашли на халяву! Это такой вот регистр, он же и система отопления. При топке котла ещё и выбивает воду или пар под потолок из расширительного бачка, и как следствие, обваленная штукатурка над баком и возле него.

Нормально спроектированная и сделанная система отопления такой быть не может! Делается система следующим образом (упрощенный вариант). Ставится котёл, место для него определяется заранее. От котла выводится подающий стояк, причём по заранее определённому месту вверх, на сколько это возможно в здании. Как правило, на чердак или в какую-нибудь кладовку верхнего этажа.

Там устанавливается расширительный бак. Если предполагается открытый, причём герметичный, то есть переливная труба, которая выведена в котельную, либо в какое-то подсобное помещение, где есть канализация. Если же расширительный бак предполагается закрытый, то тогда он устанавливается на обратке в котельной или ином помещении, в самой верхней точке устанавливается автовоздушник. Группа безопасности также устанавливается в котельной на 1 этаже. Котёл, конечно же, желательно установить как можно ниже, в приямке или подвале Если котёл планируется газовый, то в подвале нельзя. С верхней точки, там, где устанавливался открытый расширительный бак или автовоздушник, делается опуск. Получается напорная петля, чуть позже объясню, что это такое и зачем надо.

От опуска варится розлив будущей системы отопления. Для монтажа системы можно использовать не только стальные трубы.

Можно и полипропиленовые, медные, нержавейку и др. Главное, при использовании полимерных труб смотреть на температуру, на которую допустимо использовать данную трубу. К розливу системы потом варятся стояки, которые и служат для подключения радиаторов.

Упрощённо и схематично

Причём, розлив в гравитационной системе может быть по этажам и нижним, так всеми любимым. Но для этого должно выполняться условие: верх котла должен быть по горизонту ниже, чем низ радиаторов. То есть котёл должен стоять в подвале или, как уже говорилось, быть заглублён. Но ничто не мешает сделать смешанную разводку, первый этаж, с верхним розливом, а второй и более верхний с нижним.

Причём, нижний розлив второго или иного верхнего этажа может быть как однотрубным, так и двухтрубным. Теперь вот появилась на рисунке напорная петля, настало время рассказать о ней подробней.

Для чего же она нужна? Проделаем простой опыт.

Возьмём резиновый или пластиковый мячик, утопим его рукой в ванне с водой на небольшую глубину, отпустим его. Мячик вылетит из воды, всплывёт, замеряем расстояние на сколько он вылетит. Проделаем опыт ещё раз, только мячик утопим как можно глубже и так же отпустим, опять замеряем, на сколько он выпрыгнет. Во втором случае мяч выпрыгнет выше. То же самое происходит и с водой в системе. Горячая вода легче, чем холодная, а значит, будет идти вверх. Котёл нагревает воду, и чем выше она поднимется по стояку от котла, да если ещё он прямой и диаметр его не занижен в сравнении с выходом из котла, тем больше вода сможет разогнаться внутри стояка, а стало быть создаст давление. Что и нужно для обеспечения циркуляции.

Горячая вода устремиться вверх и будет за собой из обратки тянуть холодную воду в котёл, где она опять же нагреется. Чем быстрее и лучше будет идти циркуляция, тем меньше у вас в системе будет разница температур подачи и обратки. Скорость воды при хорошо работающей системе может достигать 1м/с.

Раз есть давление, значит, система будет работать. Если известна скорость движения воды, при расчёте берётся примерно 0,8—1м\с, то можно рассчитать и сопротивление участка системы или трубы, а так же располагаемое давление напорной петли, пусть не совсем точное выражение, но приемлемое. Методик расчёта сопротивления трубопровода и системы много. Утомлять формулами не буду. Что лично меня удивляет, так это то, что в литературе по сантехнике приводятся рекомендации и готовые схемы для монтажа гравитационных систем отопления в частных домах, как правило, 1-2 комнаты, но информации по созданию давления и по напорной петле не дают.

Вернёмся опять же к системе с принудительной циркуляцией, к эстетической стороне. К тому, что можно заштробить трубы. А почему бы этого не сделать с гравитационной системой? Розлив, конечно в стену не спрятать, а этой задачи и нет. Его можно сделать на чердаке, если верхний, а обратку пустить в подвале. Для снижения теплопотерь от труб розлива их можно и нужно теплоизолировать, там где надо. Если же сделан на втором этаже или третьем нижний розлив, то он сам является греющим плинтусом, трубу можно пустить по плинтусу пола. Это как раз и будет экономией радиаторов. А стояки вполне можно и заштробить в стену. Диаметры их невелики, будут не более 1,0″ Подводка к радиаторам так же будет 1/2″ или 3/4″. Примерно то же, что и в системе с принудительной циркуляцией.

Точно так же систему с гравитационной циркуляцией можно и регулировать! На 1/2″ или 3/4″ подводку вполне можно поставить регулирующий краник или, всеми любимую и модную, термоголовку. Единственная оговорка будет, что краник или термоголовка должны быть с большим проходом. Других препятствий к регулированию нет.

Теперь вернёмся к экономии газа. Да, действительно, системы с естественной циркуляцией потребляют при равной теплоотдаче с системой с принудительной циркуляцией на 6-10% газа больше. Как известно, энергия из ниоткуда не берётся, и на то, чтобы воду двигать по системе, нужна энергия. В данном случае тепловая энергия нагретой воды переходит в механическую.

Но есть ли так рекламируемая экономия? Для движения воды в системе с принудительной циркуляцией работает насос, он потребляет электроэнергию. А электроэнергия, как известно, дороже чем газ. Так что экономии не будет.

Теперь рассмотрим ситуацию с горячей водой. Отечественные котлы с контуром ГВС ,конечно, оставляют желать лучшего, может, когда и придумают что получше.

Но почему бы не поставить бойлер косвенного нагрева или даже пластинчатый теплообменник. Теплоноситель с отопления будет нагревать воду ГВС, как и в системе с принудительной циркуляцией.

Можно в системах с естественной циркуляцией использовать и теплоаккумулятор, что очень хорошо при отоплении дровами или углём, не нужно круглосуточно сидеть и топить котёл

Вы протапливаете систему, нагреваете теплоаккумулятор, потом топить перестаёте, и система работает от теплоаккумулятора, причём так же в гравитационном режиме. Вместо трёхходового крана лучше использовать два шаровых крана, тогда вы сможете прогревать одновременно систему отопления и аккумуляторный бак, а так же избежите образования конденсата на стенках котла и резкого температурного перепада после нагрева системы отопления и переходе на работу котла на аккумуляторный бак.

С тёплым полом при гравитационной системе отопления действительно много ограничений. Кроме того, сложно смонтировать тёплый пол на гравитационной системе—нужна большая толщина стяжки. Сделать тёплый пол можно, но очень много ограничений и условий. Смысла в этом нет. Если всё-таки хотите гравитационную систему и тёплый пол в ванной или в душе, тогда его разумнее сделать с принудительной циркуляцией через теплообменник, либо с насосом и взять теплоноситель обратки.

Ещё достоинство системы с естественной циркуляцией — это её энергонезависимость. Исключены аварийные ситуации, связанные с отключением электроэнергии. Конечно, если котёл газовый энергозависимый, то аварийной ситуации в принципе быть не может при отключении электроэнергии. Пропало питание, отключился котёл и всё! Система остынет, потом выстынет здание, за это время скорее всего энергоснабжение восстановят и котёл включится сам, либо его включат. Совершенно другой сценарий будет с твёрдотопливным энергонезависимым котлом.

Котёл работает, хорошо раскочегарен, накидано хорошенько угля, и вдруг, пропадает электричество. Хорошо, если вы дома, подключили или подключился сам бесперебойник, завели генератор, к тому же он есть и завёлся. А если вас дома нет! В магазин ушли или ещё куда-то, или спать легли. Накидали в топку угля и решили отдохнуть. А тут такое дело. Отключится насос, хорошо, если бесперебойник есть и отработает это дело, а если нет? Тогда что? Котёл мнут через 5-15 закипит, сработает группа безопасности от превышения давления, будет выброс пара, кипятка. Во-первых, это опасно, может ошпарить, а во-вторых, что будет со штукатуркой гипсокартоном, обоями? Нужен будет ремонт в здании. Если открытый расширительный бак, то из него так же будет выброс пара и кипятка. А если система гравитационная, то никаких проблем не будет с отоплением. А дома будет ужин при свечах.

Посему можно сделать вывод—гравитационная система вещь надёжная и безотказная, но её нужно уметь рассчитывать и правильно сделать. Срок её службы ограничивается только старением материала, из которого система сделана. Система, смонтированная из стальных труб, служит по 35-50лет!

Так что полностью пренебрегать и отказываться от гравитационной системы не стоит. Ну и ещё может быть недостатком системы с естественной циркуляцией её стоимость изготовления, материалы и работа. Если по стоимости материала расхождение будет не очень большим с системой с насосной циркуляцией, то стоимость работ будет выше. Тут играет роль квалификация тех, кто будет данную систему делать. Бездумно к этой работе подходить нельзя. Если с насосной циркуляцией кое-какие огрехи в работе и криворукость продавит, то в системе с естественной циркуляцией этого не будет, просто что-то не будет греть, и будете долго искать причину.

Продолжение темы о гравитационной системе отопления читайте в частях: часть 2 и часть 3.