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.

Самотечное отопление в доме — как сделать

Очень весомым плюсом самотечной системы водяного отопления является ее независимость от наличия электроэнергии. Самотечное отопление может быть создано и на удаленной даче на основе энергонезависимого твердотопливного котла. Система бесшумная и надежная, она, несомненно, будет востребована и в будущем.

Наработан большой опыт создания самотечных систем отопления, ведь ранее все водяное отопление создавалось по принципу самотека. Система может быть создано по «типовой народной схеме» и своими руками.

Недостатками являются ограничения по мощности, отапливаемой площади, возможности подключения дополнительных контуров, при повышенной цене на создание.

Самотечное отопление обходится дороже, примерно в 2 раза по сравнению с системами принудительной циркуляции, так как требует большой диаметр труб и особенного размещения котла. Сложность при создании и в том, что трубы большого диаметра должны иметь общий уклон, а значит их положение фиксировано и поэтому они часто не вписываются в дизайн помещения, загромождают интерьер.

Как рассчитывается самотечная система

Можно заказать тепловой и гидравлический расчет у специалистов, в лицензированных организациях, но это обойдется недешево. Можно сделать эти расчеты приблизительно с помощью известных программ или вручную.

Но обычно пользуются общеизвестными рекомендациями и, как правило, этого вполне достаточно, чтобы создать работоспособную систему с самотеком жидкости.

Скорость движения жидкости по системе в любом случае не большая. Чем больше внутренние диаметры трубопровода и радиаторов, а также котла, тем большее количество жидкости будет проходить по ним, тем больше энергии сможет переноситься.

Важно ответить на вопрос — достаточно ли будет энергии переносить теплоноситель для отопления конкретного здания? В этом и заключается суть расчетов. Но если расчетов нет, то нужно обратиться к опыту создания подобного отопления и утепления зданий.

Потери энергии и обеспечение движения жидкости

Во первых, нужно определиться со степенью утепления здания, — соответствуют ли она требованиям нормативных документов. Если нет, то может не хватить мощности не только самотечной системы….. Обогреть холодное здание себе дороже, нужно утеплять, а не увеличивать мощность обогрева.

После того, как здание утеплено, можно обратиться к опыту создания подобных систем, откуда известно, что обычная предельная площадь самотечного обогрева составляет 150 м кв. на каждом этаже здания, при этом желательно распределение радиаторов на 2 плеча на каждом этаже, а длина подающего трубопровода каждого плеча не должна превышать 20 метров.

Обязательное условие для создания системы – превышение горячего теплоносителя (обычно принимается средняя линия радиаторов) над холодным (средняя линия теплообменника котла).

При большей длине трубопроводов, желателен бы расчет, или нужно мириться, что возможно, в пики морозов пропускной способности системы (скорости теплоносителя) может и не хватить что бы в здании было жарко.

Рассмотрим, отчего же будет зависеть работоспособность самотечной системы.

Особенности системы обогрева с естественной циркуляцией

Напор в самотечной системе будет напрямую зависеть от высоты водяного столба с разностью плотностей воды (разностью температур) и от самой разности плотностей воды. Формула напора приведена ниже.

Чем больше разность температур подачи и обратки, и чем выше водяной столб с этой разностью, тем быстрее будет циркулировать вода, тем больше тепла будет переноситься, тем надежнее система и большую площадь можно будет отопить.

Дело в том, что вода наиболее значительно остывает в радиаторах, до них она считается горячей. После радиаторов вода холодная движется по обратке к теплообменнику котла, где происходит ее нагрев. Следовательно, чем ниже находится теплообменник относительно радиаторов, тем больше будет напор в системе.

Кроме того, вода остывает и в самой трубе выходящей из котла, а это значит, что чем выше будет поднят горячий трубопровод, и чем он длиннее и больше отдает тепла, тем будет больше напор.

Впрочем, эта теплототдача будет иметь низкую эффективность для обогрева дома, если горячий трубопровод расположен под потолком. Лучше, если он находится вдоль пола отапливаемой массандры и является для нее отопительным прибором.

Не правильно делать просто высокий столб горячей воды, вынося расширительный бак выше крыши. Нужна наибольшая разность высот, на которой бы происходил перепад температур, а этого проще добиться опусканием котла.

Типичная ошибка при создании самотечной системы для 2-х этажей — подключение радиаторов на обоих этажах к одним стоякам. В результате на 1 этаже будет еще холодно, когда на 2 этаже уже очень жарко. Правильно для мансарды предусмотреть отдельное независимое плечо отопления со своим регулировочным вентилем.

Особенность системы:
— жидкость в самотечной системе обычно остывает значительно, вследствие небольшой скорости ее движения. Разница температур подачи и обратки чаще находится в пределах 25 — 30 градусов. Температурный режим, например, — 75град. выход из котла и 45 град. обратка. Поэтому недопустимо создавать схему с одним трубопроводом с последовательным подключением радиаторов. Подходят только попутная и тупиковая двухтрубные схемы разводки.

Как движется теплоноситель (вода)

Из вышесказанного вытекают и конструктивные особенности самотечной системы отопления.

Котел располагается в приямке, в подвале, во всяком случае, желательно, чтобы его теплообменник был ниже средней линии радиаторов.

Все трубопроводы делаются с общим уклоном по ходу движения жидкости:

• вода из котла поднимается по вертикальному стояку в самую верхнюю точку;
• от вертикального горячего стояка всегда должна вниз до входа в котел;
• разница высот между начальной и конечной точкой трубы не менее одного процента, но по длине уклон может меняться как угодно;
• всегда лучше обеспечивать максимальный уклон.

Какие применить трубы

Диаметр труб должен быть для подачи и обратки на одном крыле трубопровода не менее 32 мм, при этом радиаторы могут подключаться и трубами с внутренним диаметром 20 мм. А для стояка и подачи на крыло — не менее 50 мм. Впрочем никто не запрещает увеличить эти диаметры, что только сделает систему мощнее.

До сих пор оптимальным вариатном считаются обычные стальные трубы. При больших диаметрах они становятся конкурентноспособными пластику. К тому же стальная труба большого диаметра является и сама по себе отопительным прибором, ввиду значительной проводимости тепла металлом.

Котел, радиаторы, трубопровод

Применяется специальный котел (и газовый и твердотопливный) с собственным маленьким гидравлическим сопротивлением, предназначенный для самотечной системы.

Применяются радиаторы с низким гидравлическим сопротивлением, с большим диаметром внутренних отверстий — обычно или чугунные или алюминиевые.

В высшей точке трубопровода устанавливается клапан для стравливания воздуха (система под давлением с закрытым расширительным баком (гидроаккумулатором)). В систему встраивается на выходе из котла группа безопасности – манометр и аварийный клапан. Либо в высшей точке располагается расширительный бак открытого типа.

Сливной кран располагается в районе котла в низшей точке трубопровода, делается отвод либо в канализацию, либо на емкость.

Подборка котла по мощности ведется как обычно — в зависимости от теплопотерь здания, а радиаторов — от теплопотерь каждой комнаты где они устанавливаются.

При этом чаще пользуются правилом — радиаторы суммарно чуть мощнее котла (при этом учитывается, то что паспортная температура жидкости обычно больше реальной, т.е. радиторы приобретаются еще мощнее на 20 – 35 %), после чего общая мощность радиаторов распределяется по комнатам.

Схемы самотечного отопления на одно крыло

Типичная схема водяного отопления с самотечным движением жидкости. Здесь только лишь одно крыло. Горячий трубопровод располагается повыше, от него опускаются стояки вниз на каждый радиатор или на пару радиаторов. В схеме указан расширительный бак вместо гидроаккумулятора.

На практике часто подобные схемы реализуются так чтобы расширительный бак, верхний трубопровод располагались бы на чердаке а обратка часто опускается под пол в подвал. При этом трубопроводы меньше загромождают жилое пространство и не портят интерьер. Но тогда все трубопроводы в холодной зоне должны быть хорошо утеплены — слой не менее 15 см минеральной ваты. Пенопласт не подходит, так как его едят грызуны и его не стоит нагревать до 70 град.

Прокладка труб по чердаку

Подвариант данной схемы — обратка поднята вверх, так как не всегда есть возможность прокладывать ее понизу — мешают дверные проемы, нет подвала и т.д.

В небольшом доме

Вариант размещения радиаторов прямо возле котла. Это возможно лишь в климатических зонах с постоянной положительной температурой, и если окна достаточно утеплены (двойные стеклопакеты), и нет особой необходимости в создании тепловых завес путем размещения радиаторов под окнами. Схема применяется, когда нет возможности понизить уровень котла — максимально сокращаются трубопроводы.

Трубопровод на два крыла

Следующий пример более востребован в жизни. Чаще так и располагаются трубопроводы при самотечном движении жидкости в небольшом частном доме или на даче на уровне радиаторов с выдержкой общего уклона.

Трубопровод разделен на два крыла, которые желательно сделать одинаковой протяженностью. Все радиаторы подключаются через вентили для оперативной регулировки поступления воды.

Для двух этажей

Еще один пример «из жизни» разводки трубопроводов при самотечном движении жидкости. На этот раз отапливается полноценный этаж и мансарда.

Так как крыло мансарды маломощное, то оно включено трубопроводом меньшего диаметра — 25 мм. Здесь применяются стояки на каждую пару радиаторов в комнатах первого этажа, а горячий трубопровод проложен по полу мансарды и является для нее обогревающим элементом.

Схема требует создания достаточного напора, поэтому теплообменник котла располагается ниже средней линии радиаторов первого этажа минимум на пол метра.

Принципы и выводы

Можно разработать любое количество схем самотечного отопления в зависимости от конкретной планировки дома но всегда соблюдаются следующие принципы — максимально большой столб воды с перепадом температур, максимальные диаметры трубопроводов и специальные котлы и радиаторы, кольцо трубопроводов — «подача-радиатор-обратка» делаются как можно короче, для чего трубопровод разделяется на несколько плечей, которые подключаются к котлу параллельно.

Также важно: — если самотечное отопление в доме создавалось самостоятельно, или владельцы принимали активное участие в его создании, то и все выявленные недостатки в процессе эксплуатации могут быть исправлены своими руками или система может быть без особых затрат доработана, при выявлении ее недостатков.