Схемы отопления с естественной циркуляцией в частном доме

Преимущество системы отопления с естественной циркуляцией в том, что она работает независимо от электричества. Однако получить комфортные условия при такой схеме весьма сложно, а порой просто нельзя. Поэтому для обеспечения циркуляции теплоносителя чаще всего используется насос. Но иногда, к примеру, на дачных участках, где нет электричества, отопительная система без насоса – единственная возможная версия.

Систему с естественной циркуляцией (ЕЦ) или принудительным перемещением жидкости называют ещё гравитационной из-за того, что она функционирует по принципу гравитации. Ещё её называют самотёчная. Все эти названия означают, что отопительная система работает без использования насоса.

Как работает схема с естественной циркуляцией

В качестве теплоносителя, чаще всего используют обычную воду, которая перемещается по контурам от котла к батареям и обратно за счёт изменения своих термодинамических свойств. То есть при нагревании плотность жидкости понижается и увеличивается объём, её выдавливает холодным потоком, который идёт обратно, и поднимается по трубам. Пока теплоноситель расходится по горизонтальным ответвлениям, его температура снижается и он возвращается к котлу. Так круг замыкается.

Если для частного дома было подобрано отопление водой с естественной циркуляцией, то все горизонтальные трубы прокладывают с уклоном по ходу движения теплоносителя. Это даёт возможность радиаторам не «завоздушиваться». Воздух легче жидкости, потому он уходит по трубам вверх, попадает в расширительную ёмкость, а потом, соответственно, в воздух.

В бак сливается жидкость, объём которой увеличивается с повышением температуры, и создаёт непрерывное давление.

От чего зависит напор?

Чтобы создать необходимый циркуляционный напор, нужно обязательно просчитать всю систему отопления при проектировании частного дома. Он зависит от уровня середины котла и самой нижней батареи. Чем больше перепад высоты, тем лучше жидкость перемещается по системе. На него оказывает влияние и разница плотностей горячей и охладившейся жидкости.

Характеризуется система отопления с натуральной циркуляцией изменением температуры в радиаторах и в котле, которая происходит по центральной оси устройств. Горячая вода находится вверху, холодная – снизу. Под воздействием гравитации остывшая жидкость перемещается вниз по трубам.

Передвижение прямо зависит от высоты установки радиаторов. Его повышению содействует и угол наклона подающей линии, которая направлена в сторону батарей, и уклон обратки, направленной к котлу. Это даёт возможность жидкости легче одолевать местное сопротивление труб.

При установке системы отопления в частном доме с естественной циркуляцией котёл ставят в самой нижней точке так, чтобы все батареи находились выше.

Схемы отопительных систем

Схема системы отопления зависит от нескольких критериев:

• метода соединения батарей с подающими стояками. Бывают однотрубная и двухтрубная системы;
• места прокладки линии, которая подаёт горячую воду. Выбирать необходимо между верхней и нижней разводкой;
• схемы прокладывания линии: система тупиковая или попутное передвижение воды в трассах;
• стояки могут располагаться горизонтально или вертикально.

В чём отличие принудительной и естественной циркуляции?

Принудительное передвижение теплоносителя подразумевает циркуляцию жидкости по магистрали благодаря рабочему усилию насоса. Естественная система не нуждается в использовании, какого-либо оборудования, тут теплоноситель движется за счёт разницы веса горячей и уже охлаждённой жидкости.

Однотрубная схема: как регулировать температуру?

Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией может иметь только один вариант разводки – верхний. Обратного стояка в ней нет, потому охлаждённая в радиаторах жидкость возвращается в подающую линию. Движение теплоносителя обеспечивает разность температур воды в нижних и верхних батареях.

Для обеспечения одинаковой температуры в комнатах на разных этажах, поверхность приборов для нагрева на нижнем этаже должна быть немного больше, чем на верхних этажах. В нижние радиаторы поступает горячая и охлаждённая в верхних нагревательных приборах жидкость.

В системе однотрубной может быть две версии движения жидкости: в первом случае часть идёт в батарею, другая часть – дальше по стояку к нижним радиаторам.

Во втором случае весь теплоноситель проходит через каждый прибор начиная с верхних. Особенность такой разводки заключается в том, что батареи на нижних этажах получают только охлаждённый теплоноситель.

И если в первом варианте регулировать температуру в комнатах можно при помощи кранов, то во втором их использовать нельзя, поскольку это приведёт к снижению подачи теплоносителя ко всем последующим батареям. К тому же полное перекрытие крана приведёт к остановке циркуляции жидкости в системе.

При установке однотрубной системы лучше выбрать разводку, которая даёт возможность регулировать подачу воды к каждой батарее. Это позволит настраивать температуру в отдельных комнатах и сделает систему отопления более гибкой, а, значит, и эффективной.

Поскольку однотрубная система может быть только верхней, её установка возможна только в сооружениях с чердаком. Как раз там должен располагаться подающий трубопровод. Основной недостаток состоит в том, что отопление, возможно, запустить сразу только по всему дому. Главные преимущества системы заключаются в простоте монтажа и меньшей стоимости.

Плюсы и минусы естественной циркуляции

Достоинства системы отопления с естественной циркуляцией жидкости:

• отсутствие сложностей при установке, пуске и использовании;
• устойчивость тепла системы. Основанная на гравитационном движении жидкости она даёт наибольшую тепловую отдачу и поддерживает на нужном уровне микроклимат в комнатах;
• экономичность (при хорошем утеплении частного дома);
• работа без шума. Нет насоса – нет вибрации и гула;
• независимость от перебоев с электричеством. Конечно, если установленный котёл может функционировать без электрического тока;
• большой период использования. При своевременном техническом сервисе без капитального ремонта отопительная система может работать более тридцати пяти лет.

Основной недостаток системы отопления с естественной циркуляцией – ограничения по площади дома и радиусу действия. Ставят её в частных домах, площадь которых не превышает сто квадратных метров. Из-за маленького циркуляционного напора радиус действия отопительной системы ограничивается 30 метрами в горизонтальном направлении. Непременным требованием является присутствие чердака в доме, в котором будет стоять расширительный бак.

Важнейшим минусом также является и медленное прогревание всего дома. При системе с естественным движением необходимо утеплять трубы, которые проходят в помещениях не отапливаемых, поскольку имеется риск замерзания жидкости.

Как правило, для такой системы нужно немного материалов, однако, если местное сопротивление трубопровода необходимо снизить, расходы увеличиваются из-за необходимости использования труб большего размера.

Главные требования к прокладыванию труб:

• система с наименьшим числом поворотов, которые будут мешать потоку жидкости;
• жёсткое следование рекомендованному углу наклона;
• применение труб с проектным диаметром.

Установка системы отопления требует строгого следования техническим требованиям. Несоблюдение правил грозит понижением циркуляции жидкости. При грубых погрешностях в организации системы и вовсе не удастся обеспечить движение теплоносителя по магистрали.

Рассчитываем однотрубную систему отопления сами

Основные стадии при расчёте водяного отопления:

• расчёт нужной мощности котла;
• расчёт мощности всех приборов отопления, которые будут подключаться к системе;
• подбор размера труб.

Расчёт мощности котла

Показатели мощности котла считают с учётом потери тепла сквозь полы, стены и крышу дома. Определяя мощность, нужно обратить внимание на площадь поверхностей, материал изготовления, а также разницу температур снаружи и внутри помещения во время обогрева дома.

Расчёт мощности батарей и размера труб

Рассчитать необходимый диаметр труб можно следующим образом:

• Определить циркуляционное давление, которое зависит от высоты и длины труб, а также разницы температуры жидкости на выходе из котла;
• подсчитывают потери давления на прямых участках, поворотах и в каждом приборе отопления.

Такие расчёты выполнить человеку без специальных знаний, как и просчитать всю схему отопления с естественной циркуляцией, весьма сложно. Небольшая ошибка приведёт к огромным потерям тепла. Потому расчёты и последующую установку системы отопления лучше всего доверить специалистам.

Система отопления с естественной циркуляцией

Система водяного отопления с естественной циркуляцией в удаленном от города частном или дачном доме – решение, востребованное в местности с нестабильным электроснабжением. Кроме того, гидравлическая система не требует финансовых вложений в электрооборудование, без которого не обойтись при обустройстве радиаторного обогрева с подачей теплоносителя насосом.

Энергонезависимая система отопления доступна для самостоятельного расчета и монтажа.

Функционирование самотечной системы

Схема отопления частного дома с естественной циркуляцией обладает рядом достоинств:

• нет потребности в покупке дорогостоящего оснащения;
• энергонезависимость (подбирается соответствующий котельный агрегат);
• монтаж легко осуществить собственными руками;
• нетребовательность в обслуживании.

Циркуляция в такой системе обеспечивается за счет того, что плотность жидкости в результате нагревания уменьшается (она становится легче), а в ходе остывания плотность возвращается к первоначальной.

В самотечной конструкции практически отсутствует давление – расчеты показывают, что на 10 метров напора водяного столба давление составляет 1 атмосферу. Таким образом, гидростатическое давление в отопительной системе одноэтажного сооружения составит 0,5-0,7 атм., а в трубопроводе двухэтажного дома – не превысит 1 атм.

Гравитационная циркуляция происходит благодаря расширению и уменьшению плотности нагреваемого теплоносителя – он поднимается по вертикальному разгонному участку и с верхней точки перемещается вниз по трубопроводу, смонтированному с уклоном и проходящему через последовательно подключенные приборы отопления, на пути обратно к котлу.

К трубопроводу с самотечным перемещением воды подсоединяется расширительный бак – резервуар для «излишков» теплоносителя, который образуется за счет теплового расширения жидкости. Буферная емкость (мембранная или открытая) монтируется в верхней точке контура на подающую трубу.

Отопительная самотечная система способна функционировать в комплексе:

• С водонагревателем косвенного нагрева. Если бойлер установить в верхней части системы ниже расширительного бака, нагрев воды для ГВС будет осуществляться без использования электрооборудования. При невозможности такого монтажа бойлер комплектуется насосом и ставится обратный клапан, который предотвратит рециркуляцию теплоносителя.
• С теплым полом. На проложенный в полу контур устанавливается циркуляционный насос. При временном отключении электроснабжения комната продолжит обогреваться настенным радиатором.

Виды самотечных систем

Планируя смонтировать отопление частного дома с естественной циркуляцией своими руками схемы подбирают в соответствии с планируемой производительностью системы и особенностями здания.

Отопительные контуры с самотечным движением теплоносителя делятся на типы по разным параметрам:

• по характеристике расширительного бака (открытые и закрытые);
• по принципу подключения радиаторов отопления (однотрубные и двухтрубные).

Чтобы определить оптимальный вариант, необходимо произвести гидравлические расчеты с учетом расположения и диаметра труб, принять во внимание характеристики котельного агрегата и тепловые потребности помещений. Расчет лучше доверить профессионалам, так как даже небольшие неточности негативно повлияют на эффективность обогрева дома.

Закрытый тип

Закрытая система безнасосной циркуляции теплоносителя с успехом применяется для отопления одноэтажного и двухэтажного дома. Функционирует она следующим образом:

• при расширении теплоносителя излишки жидкости вытесняются из отопительного контура;
• жидкость попадает в расширительный бак мембранного типа – это закрытая емкость с эластичной мембраной, которая разделяет предназначенную для теплоносителя часть и секцию бака, заполненную воздухом или азотом;
• нагретая жидкость растягивает мембрану, сжимая газ во второй секции бака, при остывании теплоносителя газ расширяется и выталкивает жидкость обратно в систему, в результате чего водяной контур постоянно остается заполненным.

Установка мембранного бака в самотечный отопительный контур снижает риск коррозии металлических элементов системы. Но в России такое решение используется относительно редко, так как стоимость мембранного бака в разы превышает затраты на покупку или самостоятельное изготовление емкости открытого типа.

Открытый тип

Принцип функционирования тот же, что и у закрытого варианта. Но в этом случае излишки теплоносителя вытесняются в бак открытого типа, который монтируется под потолком помещения или на чердаке.

Открытый бак представляет собой резервуар с негерметичной крышкой, который снабжают аварийным переливом – трубой, выведенной за пределы чердака на улицу или подключенной к канализации.

К недостаткам открытой системы относится постоянное поступление кислорода в теплоноситель, что ускоряет коррозию металла, из которого изготовлены элементы контура. Происходит и завоздушивание трубопровода – чтобы избежать этого, радиаторы крепят под небольшим уклоном и в верхней части монтируют автоматические воздухоотводчики – краны Маевского.

Помимо этого, жидкость из бака открытого типа испаряется и требуется регулярно подливать воду, чтобы открытая система могла нормально функционировать. Подливают воду в бак вручную из ведра, либо подводят водопроводную трубу с вентилем.

Преимущества баков открытого типа – доступная стоимость и возможность своими руками изготовить резервуар необходимых габаритов.

Однотрубный контур

Однотрубная система отопления с естественной циркуляцией не относится к эффективным. Она не подходит для прогрева помещений двухэтажного дома и применяется в одноэтажных зданиях небольшой площади.

Теплоноситель проходит по разгонному участку трубопровода вертикально вверх, затем попадает в трубу, которая ведет к горизонтальному трубопроводу, последовательно соединяющему радиаторы отопления. От крайнего радиатора остывший теплоноситель возвращается напрямую в котел.

При такой схеме подключения приборов отопления температура радиаторов снижается по мере удаления от подающего стояка – это серьезный недостаток системы. Чтобы повысить эффективность, используют байпасы – соединяют перемычками подающую трубу в тех местах, где подключены радиаторы. Это способствует более равномерному прогреву помещений.

К преимуществам однотрубной системы относятся простая конструкция, минимальные финансовые расходы на ее монтаж. Кроме того, не требуется монтировать трубы под потолком, ухудшая интерьер помещения.

Однотрубная горизонтальная схема даже при условии точных расчетов редко оправдывает себя, если речь не идет об отоплении двух-трех небольших помещений одноэтажного дома. В остальных случаях ее модернизируют, добавив циркуляционный насос.

Двухтрубный контур

Конструктивные особенности самотечного двухтрубного контура:

• для подачи и обратки монтируются отдельные трубы;
• труба подачи подключается к каждому прибору отопления через отдельный входной отвод;
• труба обратки подсоединяется к каждому прибору отопления отдельно.

Двухтрубная самотечная система отопления частного дома отличается от однотрубной тем, что во все радиаторы подается не успевший остыть теплоноситель, благодаря чему:

• тепло в доме распределяется равномерно;
• не требуется увеличивать количество секций в радиаторе с целью улучшить обогрев;
• легче регулировать температуру в системе;
• для монтажа трубопровода требуются трубы меньшего диаметра, чем для однотрубного контура;
• отсутствуют жесткие требования к соблюдению уклона при монтаже элементов системы – некоторые отклонения от расчетных значений не критичны.

Двухтрубная система отопления с разводкой верхней и нижней проста в монтаже и эффективна, ее можно использовать для обогрева двухэтажного дома.

Особенности расчета

Расчет системы отопления с естественной циркуляцией значительно сложнее подготовки проекта отопительной системы с принудительной подачей теплоносителя. Так как давление в контуре отсутствует, на работоспособность системы напрямую влияет количество поворотов трубопровода, угол уклона каждого отрезка. Неправильный расчет или погрешности в монтаже отражаются на функциональности контура.

При расчете безнасосного контура принимается во внимание:

• минимально допустимый угол уклона;
• материал изготовления труб и их диаметр;
• принцип подачи теплоносителя;
• разновидность теплоносителя.

Рекомендуемый уклон труб

При расчетах следует опираться на строительные нормы для отопительных систем с самотечной циркуляцией (СНиП 41-01-2003 для гравитационных систем). На перемещение теплоносителя в трубопроводе негативное воздействие оказывает гидравлическое сопротивление в сложных местах – на поворотах, в углах и т.д.

Согласно СНиП, трубы монтируются под уклоном не менее 10 мм на 1 метр длины. Иначе системе грозит завоздушивание, плохой прогрев дальних радиаторов.

Выбор труб

От материала изготовления трубопровода зависит гидравлическая сопротивляемость контура, его устойчивость к коррозии и теплотехнические параметры, технология монтажа. В список востребованных материалов входят:

• Стальные трубы. Доступны по цене, устойчивы к механическим нагрузкам. Недостатки: монтируются со сваркой или большим количеством фитингов, склонность труб к коррозии и зарастанию.
• Металлопластиковые трубы. Внутренняя поверхность идеально гладкая, что препятствует нарастанию отложений, устойчивость к коррозии, небольшой вес, устойчивость к термическому расширению. Недостатки: высокая стоимость, ограниченный срок эксплуатации (около 15 лет), необходимость использовать сварные фитинги или регулярно подтягивать резьбовые соединительные элементы.
• Полипропиленовые трубы. Гладкие внутри, долговечны (срок службы от 25 лет), устойчивы к высоким температурам. Недостатки: высокая стоимость, монтаж при помощи специального инструмента.
• Медные трубы. Максимальная теплоотдача и долговечность (свыше 100 лет), стильный внешний вид. Недостатки: высокая стоимость, необходимость пайки при монтаже.

Диаметр труб

Чтобы рассчитать диаметр труб, требуется:

1. Выполнить тепловой расчет помещений и прибавить к результату около 20%.
2. Рассчитать сечение трубопровода исходя из соотношения тепловой мощности и внутреннего сечения трубы (значения указаны в таблицах СНиП).
3. Подобрать диаметр трубы, базируясь на выполненных теплотехнических расчетах и с учетом материала изготовления труб. Для стальных труб минимальный размер внутреннего сечения составляет 50 мм.

Чтобы самотек был интенсивнее, применяют следующий принцип: диаметр подающей трубы после каждого разветвления должен быть меньше предыдущей на 1 размер. Обратка должна собираться с расширением.

Таким образом, расчет позволяет определить минимальный диаметр подающей и обратной трубы, относительно этого значения определяются параметры труб на разных участках системы согласно подготовленной схеме для одноэтажного или двухэтажного дома.

Вид розлива

Естественная циркуляция воды в системе отопления зависит от принципа подачи теплоносителя от котла к отопительным приборам. Различаются контуры с нижним и верхним розливом.

Нижний розлив дает возможность обойтись без монтажа высоких вертикальных труб – коммуникации прокладывают на уровне пола. Такой вариант пригоден только для однотрубных контуров и относится к малоэффективным без установки циркуляционного насоса.

Верхний розлив – оптимальный вариант, поскольку распределительная труба двухтрубной системы располагается под потолком и обеспечивает активную подачу нагретого теплоносителя в каждый радиатор, из которого остывшая вода уходит в трубу обратки, размещенную вдоль пола. Для однотрубной системы розлив верхнего типа также предпочтительнее.

Двухтрубная система отопления с верхним розливом

Выбор теплоносителя

Теплоносителем может служить вода или антифриз. Для самотечной системы предпочтительнее использование воды, поскольку у антифриза выше плотность и меньше теплоотдача, для его нагрева требуется больше тепловой энергии – то есть, расход топлива выше. Если в системе устанавливается мембранная буферная емкость, ее объем должен быть больше, чем у бака для теплоносителя-воды, так как антифриз расширяется сильнее.

Использование «незамерзайки» имеет смысл в том случае, если дом в зимний период отапливается нерегулярно с большими перерывами. В этом случае воду пришлось бы постоянно сливать, чтобы трубы не разорвало при перемерзании.

Заключение

Устройство безнасосной системы отопления позволяет сделать свой отапливаемый дом энергонезависимым на случай перебоев с электропитанием. Такая система подключается к отопительному котлу без электрооборудования для регулировки мощности или к обычной твердотопливной печи с водяным теплообменником в топочной камере.