Схема отопления без принудительной циркуляции

Как работает система водяного отопления с естественной циркуляцией? Каковы основные принципы ее монтажа?

Какие основные схемы можно реализовать, не прибегая к помощи циркуляционного насоса? Давайте постараемся выяснить.

Что это такое

Если для системы с принудительной циркуляций нужен перепад давлений, создаваемый циркуляционным насосом или обеспеченный подключением к теплотрассе, то здесь картина иная. Отопление естественной циркуляцией использует простой физический эффект — расширение жидкости при нагреве.

Если отбросить технические тонкости, принципиальная схема работы такова:

• Котел нагревает некий объем воды. Так, понятное дело, расширяется и, благодаря меньшей плотности, вытесняется более холодной массой теплоносителя вверх.
• Поднявшись в верхнюю точку отопительной системы, вода, постепенно остывая, самотеком описывает круг по системе отопления и возвращается к котлу. При этом она отдает тепло отопительным приборам и к тому моменту, когда снова оказывается у теплообменника, имеет большую плотность, чем вначале. Далее цикл повторяется.

Полезно: понятное дело, ничто не мешает включить в схему циркуляционный насос. В штатном режиме он будет обеспечивать более быструю циркуляцию воды и равномерный прогрев, а при отсутствии электричества отопительная система будет работать с естественной циркуляцией.

На фото видно, как решена проблема взаимодействия насоса и системы естественной циркуляции. При работе насоса срабатывает обратный клапан, и вся вода идет через насос. Стоит его выключить — клапан открывается, и по более толстой трубе вода циркулирует за счет теплового расширения.

Общая информация

Основные моменты

• Отсутствие циркуляционного насоса и вообще подвижных элементов и замкнутый контур, в котором количество взвесей и минеральных солей конечно, делает срок службы системы отопления этого типа весьма продолжительным. При использовании оцинкованных или полимерных труб и биметаллических радиаторов — не менее полувека.
• Естественная циркуляция отопления означает довольно небольшой перепад давлений. Трубы и отопительные приборы неизбежно оказывают движению теплоносителя определенное сопротивление. Именно поэтому рекомендованный радиус интересующей нас системы отопления оценивается примерно в 30 метров. Понятно, это не означает, что при радиусе в 32 метра вода застынет — граница довольно условна.
• Инерционность системы будет довольно большой. Между растопкой или запуском котла и стабилизацией температуры во всех отапливаемых помещениях может пройти несколько часов. Причины понятны: котлу предстоит прогреть теплообменник, и лишь тогда вода начнет циркулировать, причем довольно медленно.
• Все горизонтальные участки трубопроводов делаются с обязательным уклоном по ходу движения воды. Он обеспечит свободное движение остывающей воды самотеком с минимальным сопротивлением. Что не менее важно — в этом случае все воздушные пробки будут вытеснены в верхнюю точку отопительной системы, где монтируется расширительный бачок — герметичный, с воздушником, или открытый.

Саморегуляция

Отопление дома с естественной циркуляцией — саморегулирующаяся система. Чем холоднее в доме, тем быстрее циркулирует теплоноситель. Как это работает?

Дело в том, что циркуляционный напор зависит от:

• Разницы в высоте между котлом и нижним отопительным прибором. Чем ниже котел относительно нижнего радиатора — тем быстрее вода будет переливаться в него самотеком. Принцип сообщающихся сосудов, помните? Этот параметр стабилен и неизменен в процессе работы отопительной системы.

Любопытно: именно поэтому отопительный котел рекомендуется устанавливать в подвале или просто как можно ниже внутри помещения. Однако автору доводилось видеть прекрасно функционирующую систему отопления, в которой теплообменник в топке печи был заметно выше радиаторов. Система была полностью рабочей.

• Разницы в плотности воды на выходе из котла и в обратном трубопроводе. Которая, понятно, определяется температурой воды. И вот именно благодаря этой особенности естественное отопление делается саморегулирующимся: как только температура в помещении падает, отопительные приборы остывают.

С падением температуры теплоносителя его плотность увеличивается, и он начинает быстрее вытеснять нагретую воду из нижней части контура.

Скорость циркуляции

Помимо напора, скорость циркуляции теплоносителя будет определяться рядом других факторов.

• Диаметром труб разводки. Чем меньше внутреннее сечение трубы, тем большее сопротивление она будет оказывать движению жидкости в ней. Именно поэтому для разводки в случае естественной циркуляции берутся трубы с намерено завышенным диаметром — ДУ32 — ДУ40.
• Материалом трубы. Сталь (особенно поврежденная коррозией и покрытая отложениями) оказывает потоку в несколько раз большее сопротивление, чем, к примеру, полипропиленовая труба с тем же сечением.
• Количеством и радиусом поворотов. Поэтому основную разводку по возможности лучше делать максимально прямой.
• Наличием, количеством и типом запорной арматуры, разнообразных подпорных шайб и переходов диаметра трубы.

Именно из-за обилия переменных точный расчет системы отопления с естественной циркуляцией выполняется крайне редко и дает весьма приблизительные результаты. На практике же достаточно воспользоваться уже приведенными рекомендациями.

Расчет мощности

Эффективная тепловая мощность котла рассчитывается теми же способами, что и во всех других случаях.

По площади

Простейший способ — рекомендованный СНиП расчет по площади помещения. 1 КВт тепловой мощности должен приходиться на 10 м2 площади помещения. Для южных районов берется коэффициент 0,7 — 0,9, для средней полосы страны — 1,2 — 1,3, для районов Крайнего Севера — 1,5-2,0.

Как и любой грубый подсчет, этот способ пренебрегает многими факторами:

• Высотой потолков. Она далеко не везде составляет стандартные 2,5 метра.
• Утечками тепла через проемы.
• Расположением помещения внутри дома или у внешних стен.

По объему с учетом дополнительных факторов

Более точную картину даст другой способ расчета.

• За основу берется тепловая мощность в 40 ватт на кубический метр объема воздуха в помещении.
• Районные коэффициенты действуют и в этом случае.
• Каждое окно стандартного размера прибавляет к нашим подсчетам 100 ватт. Каждая дверь — 200.
• Расположение комнаты у внешней стены даст в зависимости от ее толщины и материала коэффициент 1,1 — 1,3.
• Частный дом, у которого внизу и вверху — не теплые соседние квартиры, а улица, рассчитывается с коэффициентом 1,5.

Однако: и этот расчет будет ОЧЕНЬ приблизительным. Достаточно сказать, что в частных домах, построенных по энергосберегающим технологиям, в проект закладывается мощность обогрева в 50-60 ватт на КВАДРАТНЫЙ метр. Слишком многое определяется утечками тепла через стены и перекрытия.

Схемы разводки

Конкретных примеров и схем того, как может быть реализовано отопление с естественной циркуляцией своими руками, ОЧЕНЬ много. Мы приведем по одному примеру простейших решений для двухтрубной и однотрубной разводки.

Двухтрубная

Обозначения на схеме:

1. Отопительный котел.
2. Расширительный бак, который служит для компенсации изменения объема теплоносителя при колебаниях температуры и собирает вытесненный воздух.
3. Отопительные приборы — конвектора или радиаторы.

Т1 — нагретая котлом вода, Т2 — остывшая. Красными и синими стрелками показано направление движения теплоносителя.

Здесь при разводке актуальны те же основные принципы, которые были перечислены выше:

• Котел устанавливается по возможности ниже радиаторов.
• По току воды делается уклон в 5-7 градусов.
• Розливы там, где от них запитаны несколько радиаторов, выполняются трубой не ниже ДУ32 мм. Желательно — полимерной или металлопластиковой. Подводки к радиаторам традиционно выполняются трубой ДУ20.

Важно: не путайте ДУ, примерно равной внутреннему сечению трубы, с ее внешним диаметром. В случае полипропилена внешний диаметр 32 миллиметра соответствует всего-то ДУ20.

Двухтрубное отопление частного дома с естественной циркуляцией при правильно подобранных диаметрах труб не требует балансировки, однако дроссели на подводках к радиаторам не помешают.

Наличие двух контуров по всему периметру дома будет довольно накладным: цена полипропиленовых армированных труб не так уж мала, да и сам монтаж займет значительное время. Поэтому для большинства одноэтажных домов применяется однотрубная разводка.

Однотрубная

Уклон и диаметр труб здесь такие же. Есть несколько нюансов, важных именно для этой схемы.

• Радиаторы не разрывают основное кольцо, а врезаются параллельно ему. Не переживайте, что в отопительных приборах не будет циркуляции — опыт доказывает обратное.
• Помимо расширительного бачка, воздушником снабжается каждый радиатор. Собственно, если не стравливать воздух полностью из одного отопительного прибора — без расширительного бачка и вовсе прекрасно можно обойтись. Если, конечно, система отопления закрытого типа (изолированная от атмосферного воздуха).
• Дроссели или термоголовки помогут выровнять температуру ближних к котлу и дальних радиаторов.

Заключение

Дополнительная информация о системах отопления с естественной циркуляцией, как всегда, в видео в конце статьи. Теплых зим!

Система отопления с естественной циркуляцией жидкости представляет собой замкнутое устройство гравитационного (самотечного) типа, позволяющее обогреть помещения в частном доме независимо от электропитания.

Такое преимущество конструкции даёт возможность использовать её в регионах с проблемами или полным отсутствием центральной электрической сети. Система экономична, но для её правильного функционирования потребуется сделать точные расчёты.

Описание системы отопления циркуляционного типа без насоса

Устройство водяного отопления, работающее самотеком, включает нагревательный элемент (котёл), трубы, прокладываемые разными способами, расширительный бак и радиаторы.

Принцип действия

Роль теплоносителя в контуре играет вода, которая движется по трубам под влиянием термодинамических сил. Принцип действия системы основывается на разнице физических свойств горячей и холодной воды.

Пока работает котёл, в трубах всегда есть горячая вода, которая постепенно остывает, проходя по контуру и отдавая тепло в окружающую среду.

Плотность и масса воды при нагреве уменьшается, поэтому она легко вытесняется вверх остывшей жидкостью.

После достижения верхней точки контура, горячая вода распределяется по трубам, соединённым с радиаторами, отдаёт тепло через материал батарей, а затем по нижней части контура стекает к котлу, где снова нагревается.

Достоинства установки

Основными достоинствами отопительного контура гравитационного типа являются:

• простота установки и использования;
• высокая отдача тепла и стабильность микроклимата помещений;
• экономичность ресурсов при условии качественного утепления строения;
• отсутствие шума;
• полная независимость от электричества;
• редкие поломки и долгий срок службы при условии проведения периодических профилактических мероприятий.

Справка! Сконструировать систему отопления с естественной циркуляцией можно самостоятельно. Правильный расчёт параметров, выбор схемы контура и грамотная установка всех компонентов гарантирует срок работы конструкции до 35 лет.

Главный недостаток — конструкция может отопить частные дома площадью не более 100 м 2 , имеющих радиус около 30 м.

Существует ещё несколько недостатков, ограничивающих применение самотечной конструкции:

• обязательное наличие чердака для установки расширительного бачка;
• медленный обогрев помещений;
• необходимость утепления контура в неотапливаемых местах для предотвращения замерзания воды в трубах.

Разновидности отопительных систем с естественной циркуляцией

Конструкции могут быть реализованы в однотрубном или двухтрубном вариантах. По типу систем выделяют закрытые и открытые схемы установок. Правильно выбранный вид схемы обеспечит её максимальную эффективность.

Закрытый тип

Циркуляционная конструкция закрытого типа получила широкое распространение в странах Европы, а в России только начинает приобретать популярность.

Принципиальная схема

После нагрева, вода под давлением поднимается к расширительному баку, поделённому на 2 части мембраной. Нижняя часть бака заполняется водой, которая сжимает газ (чаще азот или воздух), находящийся в верхней части над мембраной. Создаётся дополнительное рабочее давление, способствующее движению жидкости.

Фото 1. Закрытый тип системы отопления с естественной циркуляцией. Должен быть оснащен герметичным расширительным баком.

Особенности

Основная особенность конструкции закрытого типа — герметичность бака и создание дополнительного давления в трубопроводе. Иногда для закрытых схем используют циркулярные насосы, которые работают от электросети. Благодаря низкой потребляемой мощности насоса, временное отключение электричества не скажется на работе системы.

Плюсы и минусы

Главные преимущества закрытых отопительных схем связаны с их герметичностью. Благодаря этому система почти не страдает от воздушных пробок, меньше подвергается коррозии, расходует меньшее количество теплоносителя, в качестве которого можно использовать не только воду, но и антифриз. Схема не требует больших уклонов трубопроводов, особенно если используется насос.

Внимание! Основной минус конструкции — необходимость установки большого бака, для которого нужно место. Длительные перебои с электричеством приведут к снижению эффективности схемы с насосом.

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.