Система водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Определение открытой отопительной системы

Общеизвестно, что между котельной установкой и приборами отопления по трубам циркулирует жидкий теплоноситель, работающий в качестве посредника для передачи тепловой энергии. В отличие от печей, нагревающих воздух вокруг себя напрямую, водяная система способна переносить теплоту на большие расстояния. Это и привело к ее повсеместному внедрению. Простейшая схема открытой системы отопления для одноэтажного дома представлена на рисунке:

Вода, протекающая по трубопроводам, расширяется вследствие нагревания. Образующийся излишек вытесняется в специальную емкость – расширительный бак. Особенность открытой схемы, отличающая ее от других систем – установленный в самой высокой точке бак открытого типа. Простыми словами, емкость, куда вытесняется излишек горячего теплоносителя, напрямую сообщается с атмосферой.

Функционирует схема следующим образом. При повышении температуры объем воды в сети возрастает, соответственно, поднимается ее уровень в расширительном баке. При этом часть воздуха из емкости просто вытесняется в атмосферу через патрубок. Когда в силу разных причин температура падает, снижается и уровень теплоносителя в резервуаре, а воздух извне занимает его место, свободно входя через открытый патрубок.

Примечание. Нельзя путать рассматриваемую схему с таким понятием, как открытая система теплоснабжения. Понятие касается централизованных сетей, из которых теплоноситель безвозвратно отбирается на нужды горячего водоснабжения. При индивидуальном отоплении частных домов и других зданий подобные схемы не применяются.

Из чего состоит отопительная система?

Из самого названия – водяная система отопления, становится понятно, что для ее работы необходима вода. В данном случае она является теплоносителем, который непрестанно циркулирует по замкнутому контуру. Вода нагревается в специальном котле, а затем – по трубам, доставляется к основному отопительному элементу, которым может выступать система «теплый пол» или радиаторы.

Конечно же, для более качественной, безопасной и экономичной работы системы можно использовать большое количество вспомогательного оборудования. Однако самая простая водяная отопительная система выглядит так:

Основные элементы системы отопления

Отопительные системы могут различаться по принципу циркуляции теплоносителя:

• водяное отопление с принудительной циркуляцией;
• с естественной.

Система с естественной циркуляцией теплоносителя

Система с естественной циркуляцией – прекрасный пример использования человеком элементарных законов физики. Принцип ее работы на самом деле прост – перемещение теплоносителя в трубах происходит по причине разности плотности холодной и горячей воды.

Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

То есть, теплоноситель, нагреваемый в котле, становится более легким, его плотность уменьшается. Горячая вода вытесняется из котла поступающим в него холодным теплоносителем и легко устремляется вверх по трубе центрального стояка. А от него — к радиаторам. Там теплоноситель отдает свое тепло, остывает, и, вернув себе былую тяжесть и плотность, по трубам обрата возвращается вновь к нагревательному котлу – вытесняя из него новую порцию горячего теплоносителя. И такой цикл повторяется бесконечно.

Чтоб самостоятельно создать водную отопительную систему с естественной циркуляцией теплоносителя, важно помнить несколько простых правил.  Прежде всего – следует подобрать трубы наиболее подходящего диаметра для создания центрального стояка, а, кроме того, соблюсти необходимый угол уклона при прокладывании труб. Однако система с естественной циркуляцией имеет и несколько весомых недостатков

В первую очередь – необходимость использования тяжелых металлических труб (возникают сложности при монтаже). Кроме того, такая система исключает возможность регулирования уровня прогрева каждого отдельного помещения. Еще одним минусом системы можно назвать большой расход топлива

Однако система с естественной циркуляцией имеет и несколько весомых недостатков. В первую очередь – необходимость использования тяжелых металлических труб (возникают сложности при монтаже). Кроме того, такая система исключает возможность регулирования уровня прогрева каждого отдельного помещения. Еще одним минусом системы можно назвать большой расход топлива.

Система с принудительной циркуляцией теплоносителя

Система отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя

Отличительной чертой системы данного типа является обязательное дополнение ее циркуляционным насосом. Именно он способствует перемещению теплоносителя по трубам. Выглядит схема системы так:

В качестве одного из основных преимуществ системы с принудительной циркуляцией можно выделить то, что такое водяное отопление от электричества дает возможность контролировать посредством специальных вентилей уровень напора в каждом радиаторе – таким образом, контролируется и уровень прогрева помещения. Этот факт позволяет в некоторой степени снизить количество используемого для нагрева теплоносителя топлива.

Недостатком же системы является ее энергозависимость. В случае если в вашем доме возможны перепады напряжения или отключение электропитания, наиболее разумным решением будет использование комбинированной системы, которая совмещает в себе принудительную и естественную циркуляцию теплоносителя.

Монтаж отопительной системы

Наиболее практичным является создание в доме двухтрубной отопительной системы. Она являет собой два совмещенных контура, по одному из которых (подающие трубы) к радиаторам перемещается горячий теплоноситель. А остывшая вода от радиатора возвращается к котлу по второму контуру – трубам обратки.

Движение теплоносителя в системе отопления

Двухтрубная отопительная система с принудительной циркуляцией является прекрасным решением для любого частного дома. Она позволяет подключать специальные термостаты, позволяющие на каждом отдельном радиаторе контролировать степень нагрева. Систему можно дополнить специальными коллекторами, что сделает ее еще более эффективной.

Закрытая схема по принципу самотечной циркуляции

На сегодняшний день в европейских государствах наиболее популярной системой является закрытая, имеющая самотечную циркуляцию. На территории Российской Федерации она еще не получила особого спроса. Стоит отметить, что принцип работы водяной системы обогрева такого типа без применения насосной циркуляции подразумевает следующее:

• В момент нагрева теплоноситель начинает постепенно расширяться, за счет чего происходит процесс вытеснения жидкости из отопительного контура.
• Находясь под давлением, вода направляется в специальный расширительный бак закрытого типа. Данная емкость представляет собой конструкцию, которая имеет две ниши. Одна из частей бачка заполняется азотом (в большей части моделей). Вторая часть используется для циркуляции жидкости, поэтому зачастую она пустая.
• В процессе нагрева топлива образуется определенный напор в таком количестве, чтобы его было достаточно для того, чтобы продавить мембрану и сжать газ. Когда вода остывает, автоматически запускается обратный процесс и азот выдавливает жидкость из расширительного бака.

Во всех других характеристиках система закрытого типа функционирует так же, как и любая другая схема отопления одноэтажного коттеджа, имеет естественную циркуляцию. Основным минусом является необходимость создания пустой ниши в баке для того, чтобы жидкость могла без препятствий передвигаться. В помещения, имеющие большую квадратуру, целесообразно устанавливать вместительную емкость, но это не всегда оказывается правильным выбором в плане финансов.

Правила монтажа системы

Правильное функционирование самотечной системы отопления подразумевает прежде всего точность подбора диаметра труб, а также абсолютное соблюдение в течение монтажных работ нужных уклонов – во избежание создания контруклонов. При наличии определённого опыта можно провести все эти работы самостоятельно, без обращения к специалистам.

Особое внимание нужно уделить отсутствию у стояка изгибов и поворотов – на выходе из котла. Идеальным считается такой результат работы, при котором стояк, вплоть до его верха, обладает вертикально ровным видом. При необходимости поворота оптимальным будет выбор угла минимального размера, а диаметр труб – равным полтора дюймам

При этом количество труб находится в прямой пропорциональной зависимости с протекающей циркуляцией: чем больше их будет использовано, тем интенсивней будет протекать циркуляция

При необходимости поворота оптимальным будет выбор угла минимального размера, а диаметр труб – равным полтора дюймам. При этом количество труб находится в прямой пропорциональной зависимости с протекающей циркуляцией: чем больше их будет использовано, тем интенсивней будет протекать циркуляция.

При осуществлении забора воды – теплоносителя – из стояка нужно соблюдать сохранение уровня, превышающего самый верхний из радиаторов, а котёл нужно разместить так, чтобы он находился ниже уровня любого из отопительных приборов.

Для труб нужно установить небольшой наклон – в направлении котла. Приемлемым будет при этом уклон с расчётом один сантиметр на метр трубы. Только так можно гарантировать обеспечение циркуляции.

Если сравнить две схемы циркуляции – естественной и принудительной, то о первом типе можно сказать как об обладающем большим объёмом воды. Причина кроется в разнице диаметров.

Осторожность нужно проявить при выборе труб – а точнее, обратить внимание на материал их изготовления: ни в коем случае не приобретать изделия, произведённые из полиэтилена и полипропилена. Их использование чревато риском плавления, к которому может привести закипание воды, находящейся в трубах. Последнее может быть вызвано отсутствием насоса, а также из-за наличия высокого уровня нагрузки, оказываемой на газовый отопительный котёл, установленный в частном доме

Последнее может быть вызвано отсутствием насоса, а также из-за наличия высокого уровня нагрузки, оказываемой на газовый отопительный котёл, установленный в частном доме

Самым надёжным вариантом в данной ситуации будет покупка железных труб, что, в свою очередь, расширяет диапазон неблагожелательных факторов использования самотёчной системы – ценовой показатель таких труб достаточно высок, а используемые размеры создают недостаточно эстетичный внешний вид

Последнее может быть вызвано отсутствием насоса, а также из-за наличия высокого уровня нагрузки, оказываемой на газовый отопительный котёл, установленный в частном доме. Самым надёжным вариантом в данной ситуации будет покупка железных труб, что, в свою очередь, расширяет диапазон неблагожелательных факторов использования самотёчной системы – ценовой показатель таких труб достаточно высок, а используемые размеры создают недостаточно эстетичный внешний вид.

Один из основных компонентов системы – это расширительный бак, выбор которого должен осуществляться с учётом того, что при нагревании вода начинает расширяться. Для предотвращения деформационных процессов и возникает необходимость в установке расширительного бака. Правильный его подбор можно сделать, если обратиться к инструкции. Установка бака производится в самой верхней точке отопительной самотёчной системы.

В заключении стоит подчеркнуть два основных преимущества этой системы – высокий уровень инерционности и отсутствие необходимости электричества в здании, которое планируется оснастить данным типом отопления. В принципе, последнее свойство и является основным при выборе системы, пригодной для домов, где отсутствует подача электроэнергии.

Строение и нюансы

В общем виде открытая система отопления состоит из котла, расширительного бака, радиаторов и труб прямого и обратного видов. Разогретый до значительной температуры теплоноситель стремится вверх при выходе из котла, поскольку снизу на него давит холодная вода, подающаяся из обратки.

Принцип работы открытой отопительной системы.

Особенности эксплуатации

Так как нагретые тела расширяются, излишки горячей воды должны куда-то «уйти». Радиаторы и трубы не в состоянии вместить этот объем: для данных целей открытая отопительная система имеет расширительный бак, куда и стекаются все остатки воды. Остыв, они отправляются обратно в систему. При таком механизме отопления бак должен располагаться максимально высоко — например, на чердаке.

Бак не закрывают крышкой – вода должна насыщаться кислородом. Из-за этого нюанса механизм был назван открытым.

Кроме того, во избежание появления воздушных пробок, препятствующих нормальной работе, схема предусматривает обязательный контроль воды в баке. Другая особенность открытой системы – это медленная циркуляция воды, соответственно, и нагрев ее должен быть постепенным.

Расположение бака в системе.

Нельзя допускать кипения — от этого изнашиваются все составляющие элементы (трубы, радиаторы). Если зимой обогрева по каким-либо причинам не требуется, воду нужно слить, чтобы она не замерзла.

Схема закрытой системы отопления

В частном домостроительстве традиционно применяется 2 вида схем:

• однотрубная;
• двухтрубная.

Однотрубная, больше известная как «ленинградка», удовлетворительно работает в одно – и двухэтажных домах небольшой площади, когда на каждом этаже установлено не более 5 радиаторов. Реализация схемы требует точного расчета диаметров труб и количества секций батарей, так как теплоноситель значительно остывает после прохождения каждого последующего радиатора. В соблюдении этих требований нуждается и однотрубная схема системы отопления закрытого типа с верхней разводкой, что изображена ниже на рисунке:

Двухтрубная схема закрытой системы проще в расчете и монтаже, славится популярностью благодаря хорошим рабочим показателям. Ведь теплоноситель ко всем радиаторам доставляется с одинаковой температурой, а при реализации попутной схемы еще и проходит одинаковое расстояние. Пример двухтрубной системы показан на рисунке:

Некоторые дополнения имеет закрытая система отопления с твердотопливным котлом. Во избежание образования конденсата в топке теплогенератора схема дополняется смесительным узлом с трехходовым клапаном и байпасной линией. Клапан заставляет оборачиваться воду по байпасу до тех пор, пока она не нагреется до установленной температуры, и только потом запускает в котел теплоноситель из магистрали.

2.1. Двухтрубные системы отопления с верхней разводкой

Вода из котла поднимается вверх по подающему трубопроводу и далее поступает по стоякам и подводкам в отопительные приборы (рис. 3-5). Горизонтальные магистрали прокладываются с уклоном. От отопительных приборов вода по обратным подводкам и стоякам поступает в обратный трубопровод и из него в котел.

Рис. 3. Схема двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды

Рис. 4. Схема двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды: 1 — котел; 2 — главный стояк; 3 — подающая магистраль; 4 — горячие стояки; 5 — обратные стояки; 6 — обратная магистраль; 7 — расширительный бак

Каждый отопительный прибор данной системы отопления (рис. 4) обслуживается двумя трубопроводами — подающим и обратным, поэтому такая система называется двухтрубной. Подпитку воды в систему осуществляют от водопровода, а если его нет, то воду заливают вручную через отверстие расширительного бака. Подпитку отопительной системы из водопровода лучше делать в обратную магистраль, так как холодная вода из водопровода будет смешиваться с относительно горячей водой обратной магистрали и повышать ее плотность, увеличивая циркуляционный напор на время подпитки.

Системы отопления с естественной циркуляцией делают одно- и двухконтурными (рис. 5). В одноконтурных системах котел устанавливают в начале контура, а трубную разводку делают справа или слева от него, опоясывая по периметру весь дом или квартиру, при этом длина кольца по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше до 20 м). Чем длиннее кольцо, тем больше в нем гидравлические сопротивления (силы трения внутри трубы). В двухконтурных системах котел размещают в центре, а трубную разводку (контуры колец) — в обе стороны от котла, общая длина труб по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше – до 20 м). Чтобы получить гидравлически сбалансированную систему, длины колец двухконтурной системы и количество секций радиаторов надо делать примерно одинаковыми.

В зависимости от направления движения теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления могут быть тупиковыми и с попутным движением воды.

Рис. 5. Схема двухтрубной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя

В тупиковых системах отопления движение горячей воды в подающей магистрали противоположно движению остывшей воды в обратной магистрали. В этой схеме длина циркуляционных колец неодинакова, чем дальше от котла расположен отопительный прибор, тем больше протяженность циркуляционного кольца.

В тупиковых системах добиться одинаковых сопротивлений в коротких и более отдаленных циркуляционных кольцах трудно, поэтому отопительные приборы, близко расположенные к главному стояку, будут прогреваться гораздо лучше, чем удаленные от него. А при малой тепловой нагрузке ближайших к главному стояку циркуляционных колец их гидравлическая увязка становится еще сложнее.

В системах отопления с попутным движением воды все циркуляционные кольца имеют длину протяженность, поэтому стояки и отопительные приборы работают в одинаковых условиях. В таких системах независимо от расположения отопительного прибора по горизонтали в отношении главного стояка их прогрев будет одинаковым. Однако системы отопления с попутным движением воды применяют ограниченно, так как часто при проектировании реальных отопительных систем, учитывающих планировку дома, оказывается, что при монтаже потребуется большее количество труб, чем для тупиковых систем. Поэтому такие системы используют в тех случаях, когда в тупиковой системе невозможна увязка циркуляционных колец между собой.

Чтобы расширить применение тупиковых систем, сокращают протяженность магистралей и вместо одного контура большой длины делают два коротких контура или несколько. В таких случаях обеспечивается лучшая горизонтальная регулировка системы. Балансировку (гидравлическую увязку) отопительных колец контура начинают еще на стадии проектирования системы отопления. Чтобы она работала равномерно, все кольца контура должны иметь примерно одинаковые гидравлические сопротивления, то есть кольцо, расположенное близко к главному стояку, должно иметь почти такое же сопротивление, как и кольцо, удаленное от главного стояка, а сумма гидравлических сопротивлений всех колец не должна превышать величины циркуляционного напора. Иначе циркуляции теплоносителя в системе может не быть.

Принцип построения отопительной системы с естественной циркуляцией

Главные параметры обогрева с естественной циркуляцией – циркуляционный напор и гидростатическое сопротивление. Первый показатель рассчитывают так:

P=h(p0-p1)=м(кг/куб.м.-кг/куб.м.)=кг/кв.м=мм.рт.ст, где:

• P – давление в системе;
• h – разница высот между центром самой нижней батареи и центром котла;
• p0 – плотность нагретой жидкости;
• p1– плотность холодной воды.

Чем больше разница в высоте, тем выше перепад давления. Однако показатель имеет ограничение – не более 3 м.

Для снижения сопротивления потока на трубах подачи не устанавливают запорную арматуру

Рассчитать значение второго фактора – гидравлического сопротивления – практически невозможно. Описывающая его модель крайне сложна и включает множество переменных. Здесь ограничиваются приблизительными вычислениями.

Чтобы улучшить КПД системы, соблюдают рекомендации:

Подбирают трубы с максимально большим диаметром. При этом несколько уменьшается скорость потока, но сопротивление падает сильнее.
Устанавливают как можно меньше запорной арматуры

Следят за тем, чтобы схема включала минимум поворотов и сужений.
При нижнем подключении радиаторы обязательно снабжают кранами Маевского, чтобы стравливать лишний воздух.
Для коллектора используют металлическую трубу, так как важно добиться максимального нагрева для создания перепада давления. Трубы, обслуживающие батареи, могут быть из полипропилена.

Конструктивные схемы систем водяного отопления

Конструктивно системы водяного отопления (как с естественной, так и с искусственной циркуляцией) подразделяют:

• по шесту прокладки подающей магистрали — на системы с верхней и нижней разводкой;
• по способу присоединения нагревательных приборов к подающим стоякам — на однотрубные и двухтрубные;
• по расположению стояков — на системы с вертикальными и горизонтальными стояками;
• по схеме прокладки магистрали — на системы с тупиковой схемой и с попутным движением воды в магистралях.

Однотрубные и двухтрубные системы отопления

Однотрубные системы водяного отопления не имеют обратных стояков, и вода, охлажденная в нагревательных приборах, возвращается в подающие стояки.

В однотрубных системах в нижние нагревательные приборы поступает смесь горячей воды и воды, охлажденной в верхних приборах. Так как температура этой смеси ниже температуры воды б приборах верхних этажей, то поверхность нагрева нижних приборов должна быть несколько увеличена.

В однотрубных системах вода циркулирует в нагревательных приборах и стояках, которые их питают, вследствие разности температур воды в тех и других. Однотрубные системы можно устраивать по двум схемам. При схеме радиаторы поступает из стояка только часть воды, остальная вода направляется по стояку к нижерасположенным радиаторам, Количество воды для каждого нагревательного прибора можно регулировать кранами, установленными у приборов.

Другая проточная система.. Здесь вся вода из стояка проходит последовательно через все нагревательные приборы, начиная с верхней. В отличии от простой однотрубной системы, в проточной системе в нижележащие радиаторы поступает не смесь горячей и охлажденной в верхних приборах воды, а только охлажденная вода.

В проточных системах нельзя ставить у нагревательных приборов обычные краны двойной регулировки. Если бы были установлены такие краны, то, перекрыв у того или иного прибора крап, уменьшили бы подачу воды во все приборы, присоединенные к стояку, а полностью закрыв один из кранов, можно прекратить циркуляцию воды через все приборы данного стояка. Между тем установка нагревательных приборов без кранов влечет за собой большие неудобства, так как тогда становится невозможным регулировать температуру воздуха в помещениях.

Однотрубные системы отопления могут выполнятся только с верхней развод-ком, поэтому их применяют в зданиях, где имеются чердаки и где можно располагать подающие магистрали в верхних этажах. Поэтажный пуск данных систем в действие невозможен, и в этом их недостаток,

Однако по сравнению с двухтрубными системами отопления однотрубные проще в монтаже и, кроме того, имеют более красивый внешний вид. Достоинство их в том, что на устройство однотрубной системы требуется меньше труб, чем на устройство двухтрубной.

Все эти положительные особенности однотрубных систем весьма существенны и вполне оправдывают их широкое применение.

Системы отопления с вертикальными и горизонтальными стояками

Если нагревательные приборы разных этажей подключаются к единому стояку, то такая система является системой с вертикальными стояками. Если нагревательные приборы одного этажа подключаются к единому стояку — это система с горизонтальными стояками. Преимуществом системы с горизонтальным расположением стояка является меньшая стоимость монтажа и экономия труб. Недостатком является сложность эксплуатации и возможность скопления воздуха в нагревательных приборах с образованием воздушных пробок.

Системы отопления тупиковые и с попутным движением воды в магистралях

Показанные на рис. 3 и 4 системы отопления относятся к так называемым тупиковым системам, в которых циркуляционные кольца не равны по длине, причем самое короткое кольцо проходит через стояк, ближайший к котлу, а самое длинное — через стояк, наиболее отдаленный от котла.

Рис. 6. Система водяного отопления с попутным движением воды.

1 — котел; 2 — главный стояк; 3 — расширительный бак; 4 — воздухосборник; 5 — подающие стояки; 6 — обратные стояки; 7 — обратная линия; 8 — расширительная труба; 9 — насос.

На рис. 6 изображена система отопления другого типа, где длина всех колец одна и та же и, следовательно, одинаково сопротивление колец (при одинаковой тепловой нагрузке стояков). Такие системы называют системами с попутным движением воды, причем их обычно устанавливают только в системах с насосной циркуляцией. В этих системах все стояки и нагревательные приборы находятся почти в равных условиях, что значительно облегчает регулировку.

Достоинства и недостатки

Отопление открытого типа имеет ряд преимуществ:

• все помещения равномерно прогреваются;
• открытая система не нуждается в циркулярном насосе, который часто выходит из строя;
• отсутствие шума и вибрации;
• не зависит от электропитания.

Есть и ряд недостатков. Во-первых, высокая цена, которая обусловлена необходимостью покупки труб большого диаметра. Во-вторых, необходимо просчитывать уклон на участках горизонтальных труб, что усложняет монтаж системы. В-третьих, есть риск того, что вода в расширительном баке замерзнет – именно от этого открытая система часто повреждается.

https://youtube.com/watch?v=8lRSlB0fGX4

Открытая система отопления предусматривает и неудобные для пользователя ограничения: максимальная длина трубопровода – 30 метров, в качестве теплоносителя нельзя использовать антифриз. Расширительный бак не закрывается, и попадание кислорода в систему снижает срок службы радиаторов и труб из-за возможной коррозии.

Выводы и полезное видео по теме

С интересной информацией по принудительным системам отопления можно познакомиться в этом видео:

Более подробная информация о расчетах, необходимых при выборе циркуляционного насоса, содержится здесь:

В этом ролике подробно описано устройство и порядок монтажа циркуляционного насоса:

Принудительные системы отопления не так сложны, как может показаться на первый взгляд. Но чтобы реализовать такую задачу, нужно правильно выполнить расчеты и составить грамотный проект. При соблюдении этих условий можно обеспечить свой дом надежным и эффективным отоплением.

Вы подбираете оптимальную схему для обустройства в своем доме системы отопления с принуждением? Может, у вас возникли вопросы, которые мы не рассмотрели в этой статье? Задавайте их нашему эксперту в блоке комментариев.

Или вы хотите дополнить материал практическими советами по монтажу насосного оборудования? Пишите нам – ваши замечания помогут многими новичкам.