Отоплителна система с естествена циркулация: разпространени схеми на водни контури

Изграждането на автономна отоплителна мрежа от гравитационен тип се избира, ако е нецелесъобразно, а понякога и невъзможно да се инсталира циркулационна помпа или да се свърже към централизирано електрозахранване.

Такава система излиза по-евтина при обзавеждането и е напълно независима от електричеството. Въпреки това нейната работоспособност до голяма степен зависи от точността на проектирането.

За да функционира безпроблемно системата за отопление с естествена циркулация, е необходимо да се изчислят параметрите ѝ, да се монтират правилно компонентите и да се избере обосновано схемата на водния кръг. Ние ще помогнем в решаването на тези въпроси.

Ние описахме основните принципи на работа на гравитационната система, дадохме съвети за избора на тръбопровода, посочихме правилата за сглобяване на кръга и разположението на работните възли. Отделно внимание обърнахме на особеностите на проектирането и функционирането на едно- и двутръбните схеми за отопление.

Принципи на процеса на естествена циркулация

Процесът на движение на водата в отоплителния кръг без използване на циркулационна помпа се осъществява поради естествени физически закони.

Разбирането на природата на тези процеси ще позволи грамотно да се разработи проект на отоплителната система за типични и нестандартни случаи.

Максимална разлика на хидростатичното налягане

Основното физическо свойство на всеки топлоносител (вода или антифриз), което подпомага движението му по контура при естествена циркулация, е намаляването на плътността при повишаване на температурата.

Плътността на горещата вода е по-малка от тази на студената и затова възниква разлика в хидростатичното налягане на топлия и студения стълб течност. Студената вода, стичайки към топлообменника, изтласква горещата нагоре по тръбата.

Движещата сила на водата в контура при естествена циркулация е разликата в хидростатичното налягане между студения и горещия стълб течност

Отоплителният контур на къщата може условно да се раздели на няколко фрагмента. По “горещите” фрагменти водата се насочва нагоре, а по “студените” – надолу. Границите на фрагментите са горната и долната точка на отоплителната система.

Основната задача при моделирането на система с естествена циркулацияна водата е постигането на максимално възможната разлика между налягането на стълба течност в “горещия” и “студения” фрагмент.

Класически елемент на водния контур за естествена циркулация е колекторът за ускорение (главен щранг) – вертикална тръба, насочена нагоре от топлообменника.

Колекторът за ускорение трябва да има максимална температура, затова го изолират по цялата дължина. Въпреки това, ако височината на колектора не е голяма (както за едноетажни къщи), тогава може да не се извършва изолация, тъй като водата в него няма да успее да изстине.

Обикновено системата се проектира така, че горната точка на колектора за ускорение да съвпада с горната точка на целия контур. Там се монтира изход към разширителен съд от отворен тип или клапан за отвеждане на въздух, ако се използва мембранен съд.

Тогава дължината на “горещия” фрагмент от контура е минимално възможна, което води до намаляване на топлинните загуби на този участък.

Също така е желателно “горещият” фрагмент на контура да не се съчетава с дълъг участък, транспортиращ охладен топлоносител. В идеалния случай долната точка на водния контур съвпада с долната точка на топлообменника, поставен в устройството за нагряване.

Колкото по-ниско е разположен котелът в отоплителната система, толкова по-малко е хидростатичното налягане на стълба течност в горещия фрагмент на контура.

За “студения” сегмент на водния контур също има свои правила, които увеличават налягането на течността.

• колкото по-големи са топлинните загуби в “студения” участък на отоплителната мрежа, толкова по-ниска е температурата на водата и по-голяма е нейната плътност, поради което функционирането на системи с естествена циркулация е възможно само при значителен топлообмен;
• колкото по-голямо е разстоянието от долната точка на контура до свързването на радиаторите, толкова по-голям е участъкът на водния стълб с минимална температура и максимална плътност.

За да се осигури изпълнението на последното правило, често печката или котела се монтират в най-долната точка на къщата, например в мазето. С това разположение на котела се осигурява максимално възможното разстояние между долното ниво на радиаторите и точката на влизане на водата в топлообменника.

Височината между долната и горната точка на водния контур при естествена циркулация обаче не трябва да бъде твърде голяма (на практика не повече от 10 метра). Печката или котелът загряват само топлообменника и долната част на разгонния колектор.

Ако този фрагмент е незначителен спрямо цялата височина на водния контур, то спадането на налягането в “горещия” фрагмент на контура ще бъде незначително и процесът на циркулация няма да се стартира.

Използването на системи с естествена циркулация за двуетажни сгради е напълно оправдано, а за по-голяма етажност ще бъде необходима циркулационна помпа

Минимизиране на съпротивлението на движението на водата

При проектирането на система с естествена циркулация е необходимо да се вземе предвид скоростта на движение на топлоносителя по контура.

Първо, колкото по-бърза е скоростта, толкова по-бързо ще се осъществява преносът на топлина по системата “котел – топлообменник – воден контур – отоплителни радиатори – помещение”.

Второ, колкото по-бърза е скоростта на течността през топлообменника, толкова по-малка е вероятността от нейното кипене, което е особено важно при печно отопление.

Кипенето на водата в системата може да излезе много скъпо – цената на демонтажа, ремонта и повторното монтиране на топлообменника изисква много време и средства

В системите за отопление с принудителна циркулация скоростта на движение на водата основно зависи от параметрите на циркулационната помпа.

При водно отопление с естествена циркулация скоростта зависи от следните фактори:

• разликата в налягането между фрагментите на контура в долната му точка;
• хидродинамичното съпротивление на отоплителната система.

Начините за осигуряване на максимална разлика в налягането бяха разгледани по-горе. Хидродинамичното съпротивление на реалната система не подлежи на точен изчисление поради сложния математически модел и големия брой входни данни, чиято точност е трудно да се гарантира.

Въпреки това, съществуват общи правила, чието спазване ще позволи да се намали съпротивлението на отоплителния кръг.

Основните причини за намаляване на скоростта на движение на водата са съпротивлението на стените на тръбите и наличието на стеснения поради наличието на фитинги или спирателна арматура. При малка скорост на потока съпротивлението на стените практически липсва.

Изключение правят дългите и тънки тръби, характерни за отопление с помощта на топъл под. По правило, за него се отделят отделни кръгове с принудителна циркулация.

При избора на видове тръби за кръг с естествена циркулация ще трябва да се вземе предвид наличието на технически стеснения при монтажа на системата. Поради това металопластичните тръби е нежелателно да се използват при естествена циркулация на водата поради свързването им с фитинги със значително по-малък вътрешен диаметър.

Фитингите на металопластичните тръби леко стесняват вътрешния диаметър и са сериозна преграда по пътя на водата при слаб напор (+)

Правила за избор и монтаж на тръби

Изборът между стоманени или полипропиленови тръби при всяка циркулация се извършва по критерий за възможността им за използване за гореща вода, както и от гледна точка на цената, лекотата на монтаж и срока на експлоатация.

Щрангът за подаване се монтира от метална тръба, тъй като през него преминава вода с най-висока температура, а в случай на печно отопление или неизправност на топлообменника е възможен вариант на преминаване на пара.

При естествена циркулация е необходимо да се използва диаметър на тръбите малко по-голям, отколкото в случай на използване на циркулационна помпа. Обикновено, за отопление на помещения до 200 кв. м, диаметърът на колектора за ускорение и тръбата на входа на обратната линия към топлообменника е 2 инча.

Това се дължи на по-ниската скорост на водата в сравнение с варианта на принудителна циркулация, което води до следните проблеми:

• намаляване на обема на пренасяната топлина за единица време от източника към отопляваното помещение;
• поява на запушвания или въздушни тапи, с които малкият напор няма да може да се справи.

Особено внимание при използване на естествена циркулация с долна схема на подаване трябва да се обърне на проблема с отстраняването на въздуха от системата. Той не може да бъде напълно отведен от топлоносителя чрез разширителен съд, тъй като кипящата вода постъпва първо в уредите по главната линия, разположена по-ниско от тях самите.

При принудителна циркулация водният напор изтласква въздуха към въздухоуловителя, инсталиран в най-високата точка на системата – устройство с автоматично, ръчно или полуавтоматично управление. С помощта на кранове на Маевски основно се регулира топлоотдаването.

В гравитационните отоплителни мрежи с подаване, разположено под уредите, крановете на Маевски се използват директно за изпускане на въздух.

На всички отоплителни радиатори от съвременен тип има устройства за изпускане на въздух, поради което за предотвратяване на образуването на въздушни тапи в контура може да се направи наклон, като се изтласква въздухът към радиатора.

Въздухът може да се отвежда и с помощта на въздухоотвеждащи устройства, монтирани на всеки щранг или на въздушна линия, положена успоредно на главните тръби на системата. Поради значителния брой устройства за отвеждане на въздух, гравитационните схеми с долно разпределение се използват изключително рядко.

При слаб напор малка въздушна тапа може напълно да спре отоплителната система. Така, съгласно СНиП 41-01-2003, не се допуска полагането на тръбопроводи на отоплителни системи без наклон при скорост на водата под 0,25 м/с.

При естествена циркулация такива скорости са недостижими. Поради това, освен увеличаване на диаметъра на тръбите, е необходимо да се спазват постоянни наклони за отвеждане на въздуха от отоплителната система. Наклонът се проектира в размер на 2–3 мм на 1 метър, а в жилищните мрежи наклонът достига 5 мм на линеен метър от хоризонталната линия.

Наклонът на подаването се прави по посока на движението на водата, така че въздухът да се движи към разширителния съд или системата за изпускане на въздух, разположена в горната точка на контура. Въпреки че може да се направи и обратен наклон, но в този случай е необходимо допълнително да се монтира клапан за отвеждане на въздух.

Наклонът на главната тръба на обратната линия обикновено се прави по посока на движението на охладената вода. Тогава долната точка на контура ще съвпада с входа на обратната тръба в топлогенератора.

Най-разпространената комбинация от посоки на наклона на подаващата и обратната тръба за отстраняване на въздушни тапи от водния контур с естествена циркулация

При инсталиране на подово отопление с малка площ в контур с естествена циркулация е необходимо да се избегне попадането на въздух в тесните и хоризонтално разположени тръби на тази отоплителна система. Необходимо е да се постави устройство за отстраняване на въздух пред подовото отопление.

Еднотръбни и двутръбни схеми за отопление

При разработката на схема за отопление на къща с естествена циркулация на водата е възможно проектиране както на един, така и на няколко отделни контура. Те могат значително да се различават един от друг. Независимо от дължината, броя на радиаторите и други параметри, те се изпълняват по еднотръбна или двутръбна схема.

Кръг с използване на една магистрала

Система за отопление с използване на една и съща тръба за последователно подаване на вода към радиаторите се нарича еднотръбна. Най-простият еднотръбен вариант е отоплението с метални тръби без използване на радиатори.

Това е най-евтиният и най-малко проблемният начин за решаване на отоплението на къщата при избор в полза на естествената циркулация на топлоносителя. Единственият значим минус е външният вид на обемистите тръби.

При най-икономичния вариант на еднотръбна схема с радиатори за отопление, горещата вода последователно преминава през всяко устройство. Тук е необходимо минимално количество тръби и спирателна арматура.

С напредване на преминаването топлоносителят изстива, поради което следващите радиатори получават по-студена вода, което трябва да се вземе предвид при изчисляване на броя на секциите.

Простата еднотръбна схема (отгоре) изисква минимално количество монтажни работи и вложени средства. По-сложният и скъп вариант отдолу позволява изключване на радиаторите без спиране на цялата система

За най-ефективен начин за свързване на отоплителните уреди към еднотръбна мрежа се счита диагоналният вариант.

Съгласно тази схема на отоплителни контури с естествен тип циркулация, горещата вода влиза в радиатора отгоре, след охлаждане се отвежда през разположения отдолу патрубок. При преминаване по подобен начин, нагрятата вода отдава максимално количество топлина.

При долно свързване към батерията както на входния патрубок, така и на изходния, топлопредаването значително намалява, защото нагрятият топлоносител трябва да измине максимално дълъг път. Поради значителното охлаждане в подобни схеми не се използват батерии с голям брой секции.

«Ленинградка» се характеризира с впечатляващи топлинни загуби, които трябва да се вземат предвид при изчисляване на системата. Плюсът ѝ е, че при използване на спирателни вентили на входния и изходния патрубок, уредите могат избирателно да се изключват за ремонт без спиране на отоплителния цикъл (+)

Отоплителни контури с подобно свързване на радиаторите получиха названието “Ленинградка“. Въпреки отбелязаните загуби на топлина, те предпочитат при изграждане на системи за апартаментно отопление, което се дължи на по-естетичния вид на полагане на тръбопровода.

Основен недостатък на еднотръбните мрежи е невъзможността да се изключи една от отоплителните секции без да се спре циркулацията на водата по целия контур.

Поради това обикновено се прилага модернизация на класическата схема с монтиране на “байпас” за заобикаляне на радиатора чрез отклонение с два сферични крана или трипътен кран. Това позволява регулиране на подаването на вода към радиатора, до пълното му изключване.

За двуетажни и по-високи сгради се прилагат варианти на еднотръбна схема с вертикални щрангове. В този случай разпределението на горещата вода е по-равномерно, отколкото при хоризонтални щрангове. Освен това вертикалните щрангове са по-малко дълги и се вписват по-добре в интериора на дома.

Еднотръбна схема с вертикален развод се прилага успешно при отопление на двуетажни помещения с използване на естествена циркулация. Представен е вариант с възможност за изключване на горните радиатори.

Вариант с използване на обратна тръба

Когато една тръба се използва за подаване на гореща вода към радиаторите, а друга – за отвеждане на охладената вода към котела или печката, такава отоплителна схема се нарича двутръбна. Подобна система при наличие на отоплителни радиатори се използва по-често от еднотръбната.

Тя е по-скъпа, тъй като изисква монтаж на допълнителна тръба, но има редица значителни предимства:

• по-равномерно разпределение на температурата на подавания към радиаторите топлоносител;
• по-лесно се извършва изчисление на зависимостта на параметрите на радиаторите от площта на отопляваното помещение и необходимите стойности на температурата;
• по-ефективно регулиране на подаването на топлина към всеки радиатор.

В зависимост от посоката на движение на охладената вода спрямо горещата, двутръбните системи се разделят на попътни и задънени. При попътните схеми движението на охладената вода е в същата посока като на горещата, поради което дължината на цикъла за целия контур е еднаква.

В задънените схеми охладената вода се движи срещу горещата, затова за различните радиатори дължините на циклите на обръщение на топлоносителя се различават. Тъй като скоростта в системата е малка, то и времето за загряване може значително да се различава. Тези радиатори, при които дължината на цикъла на кръговрата на водата е по-малка, ще се нагреят по-бързо.

При избора на задънена и попътна схема на отопление се изхожда преди всичко от удобството на прокарване на обратната тръба

Съществуват два типа разположение на захранването спрямо отоплителните радиатори: горно и долно. При горно захранване тръбата, подаваща гореща вода, се разполага над отоплителните радиатори, а при долно захранване – под тях.

При долна подводка е възможно отвеждане на въздуха през радиаторите и не е необходимо прокарване на тръбите отгоре, което е добре от гледна точка на дизайна на помещението.

Въпреки това, без колектор за ускоряване, падът на налягане ще бъде много по-малък, отколкото при използване на горна подводка. Поради това долната подводка при отопление на помещения по принципа на естествената циркулация практически не се прилага.

Изводи и полезно видео по темата

Организация на еднотръбна схема на базата на електрически котел за малка къща:

Работа на двутръбна система за едноетажна дървена къща на базата на котел на твърдо гориво с продължително горене:

Използването на естествена циркулация при движението на водата в отоплителния кръг изисква точни изчисления и технически грамотно извършване на монтажните работи. При изпълнение на тези условия отоплителната система ще нагрява качествено помещенията на частната къща и ще освободи собствениците от шума на помпата и зависимостта от електричество.

Ако възникнат въпроси по темата или имате желание да споделите личен опит по организацията и експлоатацията на отоплителна система от гравитационен тип, моля, оставете коментари към тази статия. Блокът за обратна връзка се намира по-долу.