Как сделать систему отопления с естественной циркуляцией

При отключении электричества циркуляционный насос останавливается и поток воды по трубам отопления в частном доме прекращается. Решить эту проблему можно 3 способами: установкой источника бесперебойного питания, запуском электрогенератора или организацией самотечного обтекания. Речь идет о системе отопления с естественной циркуляцией — конвективным движением теплоносителя без помощи насоса. Расскажем, как разработать и изготовить такую схему своими руками.

Содержание

Теоретическая подковка – как работает самотек
Конструктивные особенности
4 схемы гравитационного отопления
Двухтрубная и комбинированная разводка
«Ленинградка» с естественной циркуляцией
Схема «паук» – устройство и принцип работы
Расчет самотечной системы
Рекомендации по монтажу своими руками
Заключение

Теоретическая подковка – как работает самотек

Естественная циркуляция воды в системах отопления происходит за счет силы тяжести. Как это работает:

Берем открытую посуду, заливаем водой и начинаем нагревать. Самый примитивный вариант — горшок на газовой плите.
Температура нижнего слоя жидкости увеличивается, плотность уменьшается. Вода становится светлее.
Под действием силы тяжести верхний, более тяжелый слой опускается на дно, вытесняя менее плотную горячую воду. Начинается естественная циркуляция жидкости, называемая конвекцией.

Ссылка. Связь между плотностью воды и температурой не является линейной. Чем больше нагревается жидкость, тем быстрее уменьшается ее плотность, что хорошо видно на схеме.

Пример: если вы нагреете 1 м3 воды от 50 до 70 градусов, он станет легче на 10,26 кг (плотность при различных температурах см. В таблице ниже). Если продолжать нагревать до 90 ° C, кубик жидкости потеряет 12,47 кг, хотя температурная дельта останется прежней — 20 ° C. Вывод: чем ближе вода к точке кипения, тем активнее циркуляция.

Точно так же отопительная вода самотеком циркулирует в домашней тепловой сети. Вода, нагретая котлом, теряет вес и выталкивается обратно охлажденным теплоносителем, возвращающимся из радиаторов. Скорость потока при перепаде температур 20-25 ° С составляет всего 0,1 … 0,25 м / с, по сравнению с 0,7 … 1 м / с в современных насосных системах.

Низкая скорость жидкости в сети и в радиаторах вызывает следующие эффекты:

Радиаторы успевают отдать больше тепла, а теплоноситель успевает остыть на 20-30 ° С. В обычной тепловой сети с насосом и диафрагменным расширительным баком температура падает на 10-15 градусов.
Следовательно, котел должен вырабатывать больше тепловой энергии после запуска горелки. Нет смысла держать генератор на 40 ° C — ток снизится до предела и радиаторы станут холодными.
Чтобы подать к радиаторам необходимое количество тепла, необходимо увеличить сечение труб.
Фитинги и фитинги с высоким сопротивлением могут уменьшить или даже остановить поток. Сюда входят обратные и трехходовые клапаны, резкие изгибы на 90 ° и сужения труб.
Шероховатость внутренних стенок труб не играет большой роли (в разумных пределах). Низкая скорость жидкости — низкое сопротивление трению.
Твердотопливный котел + гравитационная система отопления могут работать без теплового аккумулятора и смесительного узла. Из-за медленного потока воды в камере сгорания не образуется конденсат.

Как видите, у конвективного потока теплоносителя есть положительные и отрицательные стороны. Следует использовать первое, а второе — свести к минимуму.

Конструктивные особенности

Для эффективного функционирования системы гравитационного потока должны быть соблюдены следующие требования:

источник тепла — любой энергонезависимый теплогенератор с выводами диаметром 40-50 мм;
На выходе из котла или водо-циркуляционной топки необходимо установить стояк, по которому протекает нагретая среда;
Труба стояка заканчивается открытым расширительным бачком, который устанавливается на чердаке или под потолком верхнего этажа (в зависимости от типа разводки и конструкции частного дома);
Вместимость бака 10% от объема теплоносителя;
Для самотечного течения рекомендуется выбирать нагреватели с большими размерами внутреннего канала — чугунные, алюминиевые, биметаллические;
Радиаторы подключаются по-разному для лучшей теплоотдачи — снизу или по диагонали;
Магистрали подвода к радиатору оборудованы специальными полнопроходными клапанами с термостатической головкой (подача) и балансировочными клапанами (обратка);
Обогреватели должны быть оборудованы ручными форточками — кранами Маевского;
Заполнение потерь в тепловой сети происходит в самой низкой точке — у котла;
Все горизонтальные участки труб следует укладывать с уклоном, минимум — 2 мм на погонный метр, в среднем — 5 мм / 1 м.

Фото слева: стояк от стоящего котла с байпасным насосом, фото справа: обратное соединение

Внимание. Наклоны выполняют две функции: они помогают теплоносителю течь в правильном направлении и помогают воздуху течь вверх по трубам и выходить через открытый расширительный бак. Предостережение к используемым радиаторам: если система построена правильно, стальные панели тоже будут отлично нагреваться.

Системы самотечного отопления открыты и работают при атмосферном давлении. Но будет ли работать гравитация в замкнутом контуре с мембранным резервуаром? Ответ — да, естественная циркуляция сохранится, но скорость хладагента уменьшится, эффективность снизится.

Ответ легко обосновать, достаточно упомянуть об изменении физических свойств жидкостей под влиянием гипертонии. При рабочем давлении 1,5 бар точка кипения воды сместится до 110 ° C, а ее плотность также увеличится. Циркуляция замедлится из-за небольшой разницы в массе горячего и холодного потока.

Упрощенные гравитационные схемы с открытым и диафрагменным расширительным баком

4 схемы гравитационного отопления

Для одноквартирных домов доступны 4 типа естественных проточных контуров отопления:

горизонтальный двухтрубный с верхним потоком;
Комбинированная система с горизонтальными коллекторами и вертикальными однотрубными вертикальными трубами;
Нисходящая однотрубная система — классическая «Ленинградка»;
вертикальная разводка с индивидуальной подачей воды на каждый радиатор — так называемая «паук».

Добавка. Нельзя не упомянуть и теплый пол самотеком — некоторым мастерам удается его устроить. Эта затея не оправдывает вложенных сил и денег, гораздо проще установить традиционный теплый пол, установить помпу + аварийное электроснабжение.

Сразу рекомендуем первые две системы — двухтрубную и комбинированную. Ленинградское распределительное устройство плохо совместимо с гравитационным потоком, а «паук» слишком сложен в установке. Подробнее о плюсах и минусах этих систем читайте ниже.

Двухтрубная и комбинированная разводка

Мы объединили эти 2 диаграммы, потому что они почти идентичны. Первый из них используется в одноэтажных домах с дровяными печами с прошлого века. Источником тепла служил бак, установленный в топке, позже появились газовые котлы.

Двухтрубная разводка не обязательно должна быть кольцевой по всему дому, можно разделить отопление на 2 ветви.

Как устроена двухтрубная система отопления самотеком:

От теплогенератора выводится распределитель горячей воды, который выходит на чердак или потолок котельной, где установлен открытый расширительный бак;
Подводящую трубу сверху врезают горизонтально в стояк, который проходит по диагонали через все помещения (под потолком);
Другой вариант — установить на чердаке утепленную трубу горизонтально;
Вертикальные выходы из распределительной сети на радиаторы;
Выходы радиаторов введены в обратный коллектор, устроенный с уклоном над полом;
радиаторы оснащены запорной арматурой — вентилями или термостатическими головками на подаче, балансировочными клапанами на обратной.

Внимание. Для экономии материалов и лучшего распределения среды поперечные сечения горизонтальных ответвлений уменьшаются по мере приближения к последнему радиатору. Точный диаметр определяется расчетом.

Комбинированная самотечная система предназначена для двухэтажных загородных домов. Отличие от описанной выше двухтрубной разводки: каждый стояк подает тепло на 2-4 радиатора на разных этажах. Подключение однотрубное, с байпасом на верхние радиаторы. Дальнейшей разницы нет.

Комбинированная система с однотрубным подключением радиатора для двухэтажного дома

Прелесть обоих комплектов трубок в том, что они работают надежно и разрабатывались и тестировались на протяжении многих десятилетий. Даже если сделать минимальный уклон, но четко выдержать диаметры основных жил (а лучше — взять с запасом), естественная конвекционная циркуляция сработает.

В комнатах проложены трубы;
Тепловую сеть нельзя заливать антифризом, так как тосол улетучится из открытого расширительного бачка;
Доливать воду в систему необходимо несколько раз в сезон, интервалы между доливками зависят от режима отопления;
Трубы Ø40 … 50 мм дорогие; Для снижения затрат на установку следует использовать черную сталь или полипропилен.

Вышеуказанные недостатки присущи всем тепловым сетям с естественным циклом. Открытую кладку можно «преодолеть», вывести ручей на чердак, замуровать в стенах стояки и коллекторы или установить декоративные каналы. Мы рекомендуем последнее решение, потому что очень сложно сваривать стальные и пластиковые трубы в пазах стены.

Кончик. Двухтрубный вариант подходит для небольших загородных домов, гаражей и летних кухонь. К интерьеру этих построек нет высоких требований, трубы нельзя прятать.

«Ленинградка» с естественной циркуляцией

Дизайн схемы полностью повторяет классическую ленинградскую проводку. Вдоль внешней стены дома расположен один коллектор, к которому подключены все радиаторы отопления. Различия в гравитации «Ленинградка»:

Увеличенный размер магистрали и уклон;
наличие рассеивающего коллектора в виде петли, по которой теплоноситель стекает к радиаторам;
небольшое количество отопительных приборов — максимум 4.

Преимущество системы Ленинград — упрощенный монтаж, для разводки нужна одна труба вместо двух. Однако сечение коллектора не может быть уменьшено, поэтому экономия незначительна.

Чтобы охлаждающая жидкость хорошо стекала в радиаторы, сразу после отопителя необходимо установить высокопроизводительный коллектор.

Главный недостаток — «ленивый» поток воды к радиаторам и, как следствие, снижение КПД. Большая часть охлаждающей жидкости циркулирует в кольцевом коллекторе. Количество радиаторов ограничено, так как дальние радиаторы намного хуже нагреваются.

«Ленинградку» желательно дополнить циркуляционным насосом, установленным на байпасе. Схема однозначно будет веселее работать с принудительной индукцией, можно добавить несколько нагревателей. Когда свет погаснет, вы переключитесь на гравитацию, добавив мощность котлу.

Схема «паук» – устройство и принцип работы

Структура этой системы следующая

Утепленный расширительный бак расположен на чердаке, ровно посередине здания;
Бак подключается к стоякам соответствующего диаметра от радиаторов и теплогенератора;
Сбор охлаждаемой среды из радиаторов происходит традиционным способом — через горизонтальный водовод.

Принцип работы таков: вода, нагретая котлом, самотеком поднимается в бак, откуда распределяется в приемники по трубам меньшего сечения. Планировку можно использовать в одно- и двухэтажных домах.

Реальным преимуществом «паука» является удобное гидравлическое распределение теплоносителя и отсутствие верхнего горизонтального распределения по помещениям. На подаче 1 большой стояк, идущий от котла к цистерне, сливные трубы выполнены из трубы Ø15 … 25 мм. Для ответвлений можно использовать металлопластик и сшитый полиэтилен.

К недостаткам гравитационной системы «паук» можно отнести:

сложный монтаж, много труб и соединений на чердаке;
нет материальной экономии; вместо одной распределительной магистрали используется несколько труб меньшего размера, которые необходимо изолировать;
«Паук» нельзя устанавливать в доме без чердака.

На видео ниже показана домашняя сборка такой системы, но закрытого типа, да еще и в трехэтажном доме. Если присмотреться, нетрудно найти сходство чердачного бака — распределителя и верхнего коллектора комбинированной схемы с естественной циркуляцией.

Расчет самотечной системы

Чтобы рассчитать и спроектировать отопление с естественной циркуляцией, действуйте следующим образом:

Узнайте, сколько тепла нужно для обогрева каждой комнаты. Пожалуйста, следуйте нашим инструкциям для этого.
Выбирайте энергонезависимый котел — газовый или твердотопливный.
Определите схему, используя один из вариантов, показанных здесь. Распределительное устройство разделите на две ветви, чтобы основная шина не проходила через входную дверь в дом.
Определите расход для каждого помещения и рассчитайте диаметры труб.

Внимание. Уклоны рассчитывать не нужно, стандартное значение должно быть 0,5 см на метр длины. Допускаются отклонения в большую или меньшую сторону в пределах 0,7 … 0,2 см / 1 метр.

Сразу отметим, что разделить «Ленинградку» на две ветви невозможно. Это значит, что кольцевой патрубок придется пройти под порогом входной двери. Чтобы сохранить все уклоны, котел придется установить в нише.

Для расчета диаметров труб для всех участков самотечной двухтрубной системы необходимо выполнить следующие действия:

Мы берем теплопотери всего здания (Q, W) и определяем массовый расход хладагента (G, кг / ч) в магистрали, используя формулу ниже. Разница температур Δt между подающей и обратной линиями принимается равной 25 ° C. Затем преобразуйте кг / ч в другие единицы, например, в тонны в час.
Используя формулу ниже, найдите площадь поперечного сечения (F, м²) главного стояка, подставив скорость естественной циркуляции ʋ = 0,1 м / с. Преобразуйте площадь круга в диаметр, чтобы получить размер основной трубы, идущей к котлу.
Рассчитайте тепловую нагрузку для каждого ответвления, повторите расчет и найдите диаметры труб.
Пройдите в соседние помещения, снова определите диаметры секций исходя из расхода тепла.
Выберите стандартные размеры труб, округлив полученные значения в большую сторону.

Приведем пример расчета самотечной установки в одноэтажном доме площадью 100 м2. Радиаторы и тепловые потери уже отмечены на плане ниже. Начните с главного коллектора котла и направляйтесь к последним помещениям:

Тепловые потери в доме Q = 10,2 кВт = 10200 Вт. Расход тепла в основном стояке G = 0,86 x 10200 Вт / 25 ° C = 350,88 кг / час или 0,351 т / час.
Площадь поперечного сечения подающей трубы F = 0,351 т / ч / 3600 х 0,1 м / с = 0,00098 м², диаметр d = 35 мм.
Нагрузки на правую и левую ветви составляют соответственно 5480 и 4730 Вт. Количество теплоносителя: G1 = 0,86 x 5480/25 = 188,5 кг / ч или 0,189 т / ч, G2 = 0,86 x 4,730 / 25 = 162,7 кг / ч или 0,163 т / ч.
Сечение правой ветви F1 = 0,189 / 3600 x 0,1 = 0,00053 м², диаметр составит 26 мм. Левая ветвь: F2 = 0,163 / 3600 x 0,1 = 0,00045 м², d2 = 24 мм.
Линии DN32 и DN25 мм (округленные вверх) появятся в детском саду и на кухне. Теперь необходимо рассчитать размеры коллектора для спальни и гостиной + коридор с тепловыми потерями 2,2 и 2,95 кВт соответственно. Получаем оба диаметра DN20 мм.

Для подключения небольших радиаторов можно использовать DN15 (внешний d = 20 мм), размеры DN20 указаны на плане.

Предупреждение! Расчетные диаметры указывают на размер внутреннего прохода трубы (обозначенный DN или DN).

Осталось выбрать трубы. При сварке греющей стали для стояка котла будет использоваться Ø48 x 3,5 мм, для ответвлений — Ø42 x 3 и 32 x 2,8 мм. Остальная часть установки, включая подключения к радиаторам, была сделана с помощью труб 26 x 2,5 мм. Первое число относится к внешнему диаметру, второе число относится к толщине стенки.

Заключение

Наконец, мы хотели бы посоветовать вам не устанавливать гравитационную систему с естественной циркуляцией. Это самый сложный и дорогой вариант отопления частного дома. К этому добавляется и внешний вид — не всегда можно замуровать здоровые трубы в стенах или заделать их гипсокартонными коробками. Сравните стоимость самотечного потока с закрытой двухтрубной системой распределения и электрогенератором. Вполне вероятно, что цена будет такой же..