Самотечная система отопления с естественной циркуляцией

Необходимо отметить, что система отопления с естественной циркуляцией используется в частных домах достаточно давно – с начала прошлого века. По сути, она появилась одновременно с водяным отоплением и не теряет популярности по сей день. Цель данной статьи – описать, за счет чего функционирует такая схема и рассказать интересующимся домовладельцам о существующих разновидностях подобных систем.

Принцип работы и особенности самотечных систем

Как явствует из названия, в нашем случае теплоноситель движется по трубопроводам самостоятельно, без какого-либо внешнего воздействия с помощью насоса. Подобный способ циркуляции применялся изначально во всех системах водяного отопления. В нынешнее время, когда появились циркуляционные насосы, владельцы частных домов интересуются самотечными схемами с одной целью: быть независимыми от внешних источников электроэнергии.

В основе самостоятельного движения теплоносителя лежит явление конвекции. Одна и та же среда (в данном случае – вода), имеющая разную температуру, различается и по удельному весу. Простыми словами, куб холодной воды весит больше, чем 1 м3 горячей из-за различной плотности. Внутри замкнутого пространства труб это приведет к тому, что остывающая среда станет постоянно выталкивать вверх более легкую горячую воду. Типовая схема такой системы показана на рисунке:

Вследствие разности плотностей и масс воды внутри самотечной системы отопления возникает небольшое избыточное давление, преодолевающее гравитацию и силу трения, в результате чего возникает естественная циркуляция теплоносителя. Отсюда и второе название – гравитационная.

Поскольку величина возникающего избыточного давления невелика, для естественной циркуляции воды в системе отопления нужно создать благоприятные условия. Этому способствуют следующие мероприятия:

• применение труб увеличенных диаметров, рассчитанных на медленное течение воды (0.1—0.3 м/с);
• соблюдение уклонов горизонтальных магистралей. Величина уклона – не менее 3 мм на 1 м трубопровода;
• значительная разница температур теплоносителя в подающей и обратной магистрали (не менее 25 °С);
• монтаж в самой верхней точке сети расширительного бака открытого типа, сообщающегося с атмосферой;
• установка котла таким образом, чтобы его патрубок обратки находился как можно ниже уровня отопительных приборов первого этажа.

Для справки. На практике при устройстве самотечных систем своими руками магистральные трубопроводы прокладываются из труб диаметром не менее 50 мм (2 дюйма), а подводки к радиаторам – 20 мм (3/4 дюйма).

Часто домовладельцы задаются вопросом – а можно ли сделать систему с естественной циркуляцией закрытой, поставив расширительный бак мембранного типа? Ответ очевиден: при расширении жидкость должна будет преодолеть сопротивление мембраны бака, а избыточное давление в сети и так невелико. Скорость движения теплоносителя снизится до минимума, а то и до нуля. Поэтому схемы, использующие гравитационный принцип работы, всегда делаются открытыми.

Важное преимущество, которое дает самотечная система отопления, — независимость от электроэнергии, что очень актуально в районах с ненадежным электроснабжением. Но за это приходится расплачиваться более дорогим монтажом и большими трубами, идущими через все помещения. Схема не может быть реализована в частных домах большой площади и этажности из-за низкой эффективности и экономической нецелесообразности. В таких коттеджах применяется система закрытого типа с насосом и средствами бесперебойного электропитания.

Схема однотрубной системы отопления

В подобных схемах раздача горячего теплоносителя радиаторам и отбор остывшего осуществляется по одной и той же трубе. Если разводка – горизонтальная, то магистраль представляет собой замкнутый контур, идущий от подающего патрубка котла к обратному. Батареи же присоединяются к нему обоими подводками. Примером может служить популярная однотрубная система отопления ленинградка, могущая работать с естественной циркуляцией теплоносителя. Ее схема для одноэтажного дома показана ниже:

Непременным условием нормальной подачи воды в радиаторы здесь является наличие петли разгонного коллектора. К его верхней точке подключается открытый расширительный бак. Нагретая вода из котла поднимается по коллектору, после чего по принципу сообщающихся сосудов затекает во все батареи. Если их количество не превышает 5, то отопление будет работать без проблем, это проверено на практике.

Дело в том, что каждый последующий отопительный прибор получает смесь горячего и остывшего теплоносителя из предыдущей батареи. Поэтому теплоотдача его снижается, если не нарастить количество секций. Когда число радиаторов превышает 5, то последние из них будут слишком холодными, сколько секций ни добавляй. При такой необходимости нужно монтировать двухтрубную гравитационную систему, о чем пойдет речь далее.

Для двухэтажного частного дома площадью до 200 м2 хорошо подойдет однотрубная система отопления с вертикальными стояками и естественной циркуляцией. Городить на каждый этаж горизонтальную ленинградку, подключенную к вертикальному коллектору, не имеет смысла, да и работать это будет плохо. Правильнее провести подающую магистраль по чердаку или под потолками второго этажа и опустить от нее стояки, как изображено на схеме:

Нагрузка на стояки небольшая – всего по 2 отопительных прибора, так что их температура будет почти одинаковой. Чтобы батареи не зависели друг от друга, между подачей и обраткой можно поставить перемычки – байпасы.

Совет. Для балансировки или отсечения в самотечных системах необходимо использовать арматуру с наименьшим сопротивлением – полнопроходные краны и специальные термостатические вентили.

Схема двухтрубной системы

Здесь тепло переносится к радиаторам по одной трубе, а остывшая вода возвращается по другой. Это позволяет обеспечить эффективную работу большего количества батарей, подключенных к одной горизонтальной ветви. В одноэтажном доме подающий коллектор размещают на чердаке или под потолком, обратный – над полом. Разгон тут не требуется, труба и так поднята на достаточную высоту, что и показано на изображении:

Как видно по схеме, оптимальное решение для хорошей естественной циркуляции – это двухтрубная система отопления, разделенная на 2 ветви с одинаковым количеством радиаторов на каждой. В противном случае из-за уклонов на большой длине монтаж трубопроводов будет затруднен. Что касается двухэтажного дома, то здесь опять же уместна вертикальная разводка, но с разделением на магистрали подачи и обратки. Как это правильно сделать, отражено на схеме:

При двухтрубной системе все батареи получают теплоноситель с одинаковой температурой, это важный плюс. Также становится проще осуществлять автоматическое регулирование, так как приборы не зависят друг от друга. Недостаток состоит в большем расходе материалов для вариантов горизонтальной разводки, например, в двухэтажном здании:

Для справки. Большинство домовладельцев для улучшения работы системы все же устанавливают на обратном коллекторе циркуляционный насос. Но ставят его на байпасе, чтобы в случае отключения электричества всегда можно было перейти на самотек, открыв соответствующий кран.

Заключение

Естественная циркуляция в системах водяного отопления хоть и дает независимость от электричества, но требует тщательного подхода в расчетах и монтаже. Особенно это касается однотрубных схем с горизонтальной разводкой, где нужно тщательно подбирать мощность батарей. Не всех устроят и большие трубы, проходящие через помещения. Даже если подачу упрятать на чердак, а обратку – в подпольный канал, то все равно на виду останутся подводки к радиаторам.

Схема самотечной системы отопления с естественной циркуляцией

В небольших одноэтажных частных домах нередко применяют самотечные отопительные системы. Это значит, что теплоноситель циркулирует за счет разницы температуры жидкости. Самотечная система отопления имеет свои плюсы и минусы. Существует четыре разных схемы устройства контуров с естественной циркуляцией. Для надежной и эффективной работы отопительной сети нужно правильно подобрать трубопроводы, определиться с видом теплоносителя и вариантом подключения подачи.

Принцип работы отопительных систем с естественной циркуляцией

Самотечная система отопления частного дома организована с учетом физических законов. Разность между плотностью и весом нагретой и охлажденной жидкости способствует естественному току теплоносителя в сети. Давление в контуре практически отсутствует и составляет всего 0,5-0,7 атмосфер.

Поскольку в процессе нагревания объем жидкости увеличивается, в контуре устанавливается расширительный бак. Главное его назначение в уравновешивании давления в системе. Излишек расширившейся жидкости поступает в эту емкость, а при снижении давления в сети вода из бака переходит обратно в трубопроводы. Расширительный бак устанавливается в самой верхней точке сети после разгонного вертикального стояка.

К самотечному контуру можно подключать теплые полы. При этом требуется установить насосное оборудование только на трубопровод в полу, а в разводке отопительных приборов теплоноситель будет циркулировать естественным образом.

Также гравитационную схему можно использовать в комплексе с бойлером косвенного нагрева. Это оборудование устанавливают в наивысшей точке разводки, но ниже расширительного бака. При этом не придется использовать насосное оборудование. Если такую схему применить не получается, то насос монтируется только на накопительную емкость. В этом случае обязательно устанавливают обратный клапан для защиты от рециркуляции теплового носителя.

Важно! В самотечных контурах обязательно делают уклон трубопровода с обраткой в сторону котла, чтобы обеспечить движение охлажденной жидкости.

Плюсы и минусы самотечной системы

Преимущества гравитационного тока:

1. Простота монтажа, эксплуатации и обслуживания сети.
2. Не нужно монтировать циркуляционное оборудование и систему безопасности.
3. Это полностью энергонезависимая схема, которая может работать при отключении подачи электроэнергии.

Недостаток контуров с естественным током в том, что они не подходят для больших и многоэтажных домов, потому что из-за низкой скорости движения теплоносителя не смогут эффективно и равномерно обогревать постройку.

Разновидности гравитационных схем

Существует четыре схемы монтажа контуров с гравитационной циркуляцией. Выбор определенной разновидности делают с учетом особенностей постройки и требуемой производительности. Для выбора схемы выполняют гидравлический расчет, оценивают параметры котла и определяют диаметр трубопровода.

Закрытая

Принцип работы контуров закрытого типа следующий:

• Нагретый и расширившийся теплоноситель вытесняет воду из отопительного контура.
• Вытесненная вода попадает в расширительный бак закрытого типа. Это емкость с эластичной мембранной перегородкой, разделяющей газовую и водяную камеры.
• Поступившая под давлением жидкость продавливает мембрану и сжимает газ в воздушной камере. При остывании теплоносителя давление снижается, и газ выдавливает жидкость из емкости в трубопроводы.

Главный недостаток такой схемы в зависимости работы сети от объема расширительного бака. В доме большой площади с протяженным контуром придется устанавливать вместительную емкость.

Открытая

Если используется отопление самотеком, схема открытого типа отличается от предыдущей разновидности только конструкцией расширительного бака. В этом случае расширительную емкость можно изготовить самостоятельно из подходящих материалов. Бачок небольшого размера устанавливают на чердаке или высоко под потолком.

Главный минус открытого контура в том, что через расширительную емкость в сети попадает кислород, который способствует коррозии трубопроводов и радиаторов. Еще один недостаток в завоздушивании системы, поэтому на каждый прибор монтируют кран Маевского.

Двухтрубная

Двухтрубная схема системы отопления частного дома с естественной циркуляцией делается с использованием подающего и отводящего трубопровода, то есть все радиаторы подключаются к разводке параллельно, что способствует равномерному прогреву каждой комнаты и всего дома.

Преимущества двухтрубной разводки:

1. Тепло равномерно распределяется по всему строению.
2. Не нужно устанавливать дополнительные секции для регулировки теплоотдачи приборов.
3. Отрегулировать работу сети с двухтрубной разводкой намного проще.
4. Можно использовать трубы меньшего диаметра, чем при использовании однотрубной разводки.
5. Эффективность и простота конструкции.

Главный недостаток в высокой материалоемкости системы. Перед монтажом нужно провести расчеты. От правильности их проведения и соблюдения технологии монтажа зависит эффективность отопительной сети.

Однотрубная

Однотрубная система отопления одноэтажного дома с естественной циркуляцией применяется редко, потому что не отличается эффективностью. В такой сети каждый отопительный прибор последовательно подключается к трубопроводу. Из-за этого в каждую последующую батарею поступает жидкость с меньшей температурой, чем в предыдущий. Для компенсации тепловых потерь приходится увеличивать количество секций в дальних радиаторах.

Преимущества однотрубной разводки:

• Простота монтажа и использования. Не нужно проводить сложные расчеты для прокладки сети.
• Экономия на материалах, потому что прокладывается только один трубопровод, к которому подключаются все приборы. Обратка поступает от последнего радиатора к котлу.

Главный недостаток однотрубной разводки в необходимости увеличения количества секций в дальних радиаторах, а также в неравномерном прогреве постройки. Удаленные от котла комнаты отапливаются хуже.

Какая схема лучше, принудительная или естественная?

Естественная система лучше в том случае, если нужно организовать отопление небольшого одноэтажного частного дома. В этом случае нет смысла тратиться на насосное оборудование, когда и естественного тока теплоносителя будет достаточно для обогрева всей постройки.

Контуры с принудительной циркуляцией лучше использовать в больших одноэтажных или многоэтажных домах. Благодаря быстрому движению теплового носителя в сети постройки значительных размеров будут хорошо и равномерно прогреваться. Контуры с естественной циркуляцией с этой задачей не справятся.

Правила монтажа контура без насоса

Теперь поговорим, как сделать циркуляцию воды без насоса. Любая разновидность гравитационной схемы имеет общий минус, который заключается в отсутствии давления в сети. Именно поэтому работоспособность системы снижается из-за повышенного количества поворотов трубопроводов, неправильного уклона и других погрешностей во время монтажа.

Для правильной организации контуров без насоса придерживайтесь следующих требований:

1. Соблюдайте минимально необходимый уклон обратного трубопровода в сторону нагревательного оборудования.
2. Для устройства разводки выбирайте трубы подходящего диаметра и типа.
3. Учитывайте используемый тип теплоносителя и особенности его подачи.

Важно! Чтобы обеспечить уклон обратного трубопровода в сторону котла, нагревательное оборудование устанавливают в подвале или цокольном этаже либо делают пониженный уровень пола в котельной на первом этаже.

Подбор трубопроводов и их уклона

Чтобы обустроить водяное отопление в частном доме без насоса, нужно правильно подобрать диаметр трубопровода и рассчитать его уклон.

Для организации самотечной сети можно использовать следующие виды труб:

• Стальные трубопроводы стоят недорого, достаточно прочные, выдерживают высокое давление. Главный недостаток в низкой коррозионной стойкости, особенно в завоздушенных сетях.
• Металлопластиковые конструкции благодаря гладкой внутренней поверхности не так быстро засоряются. Они мало весят, не подвержены коррозии и имеют небольшое линейное расширение.
• Полипропиленовые трубопроводы обладают высокой герметичностью, прочностью. Они просто монтируются, служат долго и устойчивы к замерзанию. Для монтажа трубопровода понадобится специальное паяльное оборудование.
• Медные трубы стоят очень дорого, поэтому применяются редко. Это самые долговечные и красивые трубопроводы с хорошей теплоотдачей.

Важно! Минимальный уклон обратной магистрали при естественном токе теплоносителя составляет 0,5% на погонный метр. При неправильном уклоне сети быстро завоздушиваются, дальние радиаторы плохо прогреваются.

Выбор диаметра трубопровода производится на основе теплотехнического расчета. При превышении сечения магистрали увеличиваются расходы на отопление, а теплоотдача снижается. Диаметр стального трубопровода не должен быть меньше 50 мм.

Выбор теплоносителя

Естественная циркуляция в системе отопления частного дома может быть организована с использованием жидкого теплоносителя – воды или антифриза. Чаще используют воду, потому что меньшая теплоотдача и большая плотность антифриза повышают расходы топлива и времени на обогрев дома.

Антифриз стоит выбрать в том случае, если дом в холодный сезон будут надолго покидать либо посещать его с определенной периодичностью, а постоянно сливать воду из системы не хочется. В пользу антифриза говорит его лучшая текучесть, облегчающая циркуляцию теплоносителя, а также устойчивость к замерзанию.

Выбор нижнего или верхнего подключения подачи

Отопление самотеком можно организовать с нижним и верхним подключением подачи теплоносителя к отопительным приборам.

Особенности каждой подачи следующие:

1. При нижней подаче теплоносителя трубопроводы прокладываются на уровне пола, поэтому не портят интерьер помещения. Однако однотрубные системы с нижней разводкой отличаются низкой тепловой эффективностью, поэтому такое подключение используют при высоком давлении в сети.
2. Верхняя подача теплоносителя более всего подходит для устройства в частном доме с естественной циркуляцией. Трубопроводы прокладываются под потолком. Поскольку жидкость в радиаторы подается сверху, через краны Маевского легко стравливается воздух. Однотрубная разводка с верхней подачей более эффективная, чем с нижним подключением.

Ошибки при подборе способа подачи могут привести к низкой эффективности системы. Решить проблему получится только установкой циркуляционного насоса для создания лучшего тока теплового носителя.