Гравитационная система отопления с мембранным расширительным баком в двухэтажном доме


Среди многих схем довольно часто используется гравитационная система отопления, основанная на естественной циркуляции теплоносителя. Как рассчитать и выполнить монтаж, читайте в статье.

Теоретическая подковка – как работает самотек

Естественная циркуляция воды в системах отопления функционирует благодаря гравитации. Как это происходит:

  1. Берем открытый сосуд, наполняем водой и начинаем подогревать. Самый примитивный вариант – кастрюля на газовой плите.
  2. Температура нижнего слоя жидкости растет, плотность уменьшается. Вода становится легче.
  3. Под воздействием притяжения верхний более тяжелый слой опускается на дно, вытесняя менее плотную горячую воду. Начинается естественная циркуляция жидкости, называемая конвекцией.

Справка. Зависимость плотности воды от температуры – не линейная. Чем сильнее греется жидкость, тем быстрее снижается ее плотность, что хорошо заметно на графике.

Изменение плотности воды при нагреве

Пример: если нагревать 1 м³ воды от 50 до 70 градусов, он станет легче на 10.26 кг (ниже смотрим таблицу плотностей при различных температурах). Если продолжить нагрев до 90 °С, то куб жидкости потеряет уже 12.47 кг, хотя дельта температур осталась прежней – 20 °C. Вывод: чем ближе вода к точке кипения, тем активнее происходит циркуляция.

Аналогичным образом теплоноситель циркулирует самотеком по домашней сети теплоснабжения. Подогреваемая котлом вода теряет вес и выталкивается кверху остывшим теплоносителем, вернувшимся из радиаторов. Скорость течения при перепаде температур 20–25 °C составляет всего 0.1…0.25 м/с против 0.7…1 м/с в современных насосных системах.

Как меняется плотность воды при разной температуре

Малая скорость движения жидкости по магистралям и приборам отопления вызывает такие последствия:

  1. Батареи успевают отдать больше тепла, а теплоноситель – остыть на 20–30 °C. В обычной отопительной сети с насосом и мембранным расширительным баком температура падает на 10–15 градусов.
  2. Соответственно, котел должен производить больше тепловой энергии после запуска горелки. Держать генератор на температуре 40 °C бессмысленно – течение замедлится до предела, батареи станут холодными.
  3. Чтобы доставить до радиаторов потребное количество тепла, надо увеличить проходное сечение труб.
  4. Фитинги и арматура с высоким гидравлическим сопротивлением способны ухудшить либо вовсе остановить самотек. Сюда относятся обратные и трехходовые клапаны, резкие повороты на 90° и сужения труб.
  5. Шероховатость внутренних стенок трубопроводов не играет большой роли (в разумных пределах). Маленькая скорость жидкости – невысокое сопротивление от трения.
  6. Котел на твердом топливе + самотечная система отопления может спокойно работать без теплоаккумулятора и смесительного узла. Благодаря медленному течению воды конденсат в топливнике не образуется.

Как видите, в конвекционном движении теплоносителя присутствуют положительные и отрицательные моменты. Первые следует использовать, вторые – минимизировать.

Сложности установки гравитационной системы в двухэтажном доме

Гравитационная система отопления двухэтажного дома также может работать эффективно. Но монтаж ее значительно сложнее, чем для одноэтажного. Это связано с тем, что не всегда делают крыши чердачного типа. Если второй этаж представляет собой мансарду, то встает вопрос: куда девать расширительный бак, ведь он должен находиться на самом верху?

Вторая проблема, с которой придется столкнуться — это то, что окна первого и второго этажей не всегда находятся на одной оси, следовательно, верхние батареи невозможно соединить с нижними, проложив трубы кратчайшим путем. Это значит, что придется делать дополнительные повороты и изгибы, которые увеличат гидравлическое сопротивление в системе.

Третья проблема — криволинейность крыши, из-за которой, возможно, будет сложно выдержать правильные уклоны.

Плюсы и минусы

Хотя естественная система отопления пользуется большой популярностью, она не лишена определенных недостатков.

В первую очередь – это ограниченная длина трубопровода.

Длинный трубопровод не способен распределить равномерно давление жидкости внутри всей системы, поэтому максимально допустимая длина по горизонтали составляет 30 метров. Превышать этот показатель не имеет смысла, так как чем больше расстояние между котлом и трубой, тем меньше в ней давление.

Также среди недостатков системы с ЕЦ выделяют высокую стоимость установки.

По подсчетам специалистов, расходы на монтаж гравитационной системы отопления составляют порядка 7% от стоимости строительства самого дома. Это связано с приобретением труб большого диаметра, которые необходимы для создания нужного давления для большого объема теплоносителя.

Еще одно отрицательное качество: медленное прогревание радиаторов отопления.

Но и преимуществ у такой системы тоже не мало.

Система с естественной циркуляцией является самым надежным видом автономного отопления в плане количественного саморегулирования.

Схема для двухэтажного домаГравитационная система отопления двухэтажного дома

При изменении температуры рабочей жидкости изменяется и её расход.

Чем больше в системе теплоносителя, тем выше теплоотдача радиаторов. Этот показатель взаимодействует и с теплопотерями помещения, в котором они установлены. Чем больше теплопотери помещения, тем выше теплоотдача.

Это и называется саморегуляцией.

Другие плюсы гравитационной системы:

  • простотой монтаж и эксплуатация;
  • отсутствие циркуляционного насоса, а значит – полная энергонезависимость;
  • продолжительный срок службы – около 40 лет;
  • высокая надежность.

Прокладка трубопровода при гравитационном отоплении

Многие специалисты считают, что прокладка трубопровода должна происходить с уклоном по направлению движения теплоносителя. Пример выполнения верхнего розлива с контруклономНе спорю, что в идеале так и должно быть, но на практике это требование не всегда удается выполнить. Где-то балка мешает, где-то потолки сделаны в разных уровнях. Что же будет, если смонтировать подающий трубопровод с обратным уклоном?

Уверен, что ничего страшного не произойдет. Циркуляционное давление теплоносителя, если и снизится, то совсем на небольшую величину (несколько паскалей). Пример устройства для выпуска воздуха из верхнего розливаПроизойдет это за счет паразитного влияния, остывающего в верхнем розливе теплоносителя. При такой конструкции воздух из системы придется удалять с помощью проточного воздухосборника и воздухоотводчика. Такое устройство показано на рисунке. Здесь дренажный кран предназначен для выпуска воздуха в момент заполнения системы теплоносителем. В рабочем режиме этот кран должен быть закрыт. Такая система останется полностью работоспособной.

Гравитационные схемы отопления для одноэтажного и двухэтажного дома

Несколько вариантов подключения приборов для однотрубного отопленияНесколько вариантов подключения приборов для однотрубного отопления

Если планируется, что гравитационное отопление под давлением будет устанавливаться в одноэтажном доме – можно применить однотрубную схему «ленинградка».

Особенностью этой схемы является одна труба, к которой параллельно подключаются несколько приборов отопления. Однако это приводит к неравномерному распределению тепла — чем дальше радиатор от котла – тем ниже температура воды, поступающая в него. Для решения этой проблемы можно модернизировать гравитационную систему отопления закрытого типа:

  • Установка запорной арматуры. С ее помощью можно уменьшить объем теплоносителя для приборов отопления, расположенных ближе к котлу. Таким образом, снизится тепловая отдача энергии на первых участках системы;
  • При удалении от котла увеличивать количество секций радиаторов;
  • В месте подключения патрубков к приборам отопления установить трубы большего диаметра. Это снизит гравитационное давление системы отопления на этом участке, что уменьшит скорость циркуляции воды в радиаторе.

Такая схема приемлема при небольшой протяженности магистрали. Однако для двухэтажного дома ее устанавливать не рекомендуется. В этом случае потребуется двухтрубная разветвленная гравитационная система отопления, расчет для которой выполняется по отдельным участкам.

Гравитационная система с верхней разводкойГравитационная система с верхней разводкой

Ее особенность состоит в том, что к центральной трубе, расположенной в верхней части магистрали, ведут отдельные контуры. К каждому из них подключаются приборы отопления. Важно, чтобы их длина была одинакова. В противном случае вся жидкость будет устремляться в область наименьшего сопротивления – в короткий контур.

Для предотвращения движения теплоносителя к выходному патрубку котла уславливается клапан обратный гравитационный для отопления. Это обязательный элемент для гравитационной системы отопления двухэтажного дома.

Движение охлажденного теплоносителя

Одним из заблуждений является то, что в системе с естественной циркуляцией охлажденный теплоноситель вверх двигаться не может. Схема с верхним расположением обратного трубопроводаС эти я тоже не согласен. Для циркуляционной системы понятие верх и низ весьма условное. На практике, если обратный трубопровод на каком-то участке поднимается, то где-то он на эту же высоту опускается. При этом гравитационные силы уравновешиваются.

Трудность только в преодолении местных сопротивлений на поворотах и линейных участках трубопровода. Все это, а также возможное остывание теплоносителя на участках подъема должно учитываться в расчетах. Если система грамотно рассчитана, то схема, представленная на рисунке ниже, имеет право на существование. К слову сказать, в начале прошлого века такие схемы достаточно широко применялись, несмотря на свою слабую гидравлическую устойчивость.

Альтернативный способ устройства отопления

Все вышеуказанные особенности совершенно не означают, что естественные и принудительные системы циркуляции не могут функционировать в совокупности.

Так, очень правильным решением будет следующий вариант монтажа:

  1. Создается проект отопительной системы, работающей по гравитационному типу.
  2. На участке перед котлом в контуре монтируется вентиль, но делать это нужно так, чтобы не снизить сечение трубы.
  3. Вентильный обвод врезается меньшим диаметром трубы, а после этого на обводе устраивается насос циркуляции (прочитайте: “Расчет мощности насоса для отопления”). По мере необходимости его вполне можно отделить от основной системы при помощи двух вентилей. Далее на промежутке перед насосом требуется смонтировать грязевик.

Подобный вариант обустройства системы теплоснабжения будет отличаться неоспоримыми преимуществами, а именно:

  • нагрев всех приборов отопления будет выполняться гораздо более равномерно;
  • время на обогрев комнат после включения котла потребуется намного меньше по сравнению стандартным принципом работы оборудования.

При этом нет никакой необходимости обустраивать такой вариант отопления по закрытому типу, так как мощности насоса вполне хватит для того, чтобы функционировать и без большого давления.

двухтрубная гравитационная система отопления

При условии отключения электроэнергии достаточно лишь отключить насос и открыть специальный вентиль на байпасе. В этом случае работа системы будет продолжаться уже по принципу гравитационной.

Расчет самотечной системы

Чтобы рассчитать и спроектировать отопление с естественной циркуляцией, действуйте в таком порядке:

  1. Выясните количество тепла, нужное для обогрева каждой комнаты. Воспользуйтесь для этого нашей инструкцией.
  2. Подберите энергонезависимый котел – газовый либо твердотопливный.
  3. Разработайте схему, приняв за основу один из предложенных здесь вариантов. Поделите разводку на 2 плеча – тогда магистрали не пересекут входную дверь дома.
  4. Определите расход теплоносителя под каждое помещение и рассчитайте диаметры труб.

Примечание. Уклоны вычислять не нужно, принимайте стандартное значение 0.5 см на метр длины. Допускаются отклонения в большую или меньшую сторону в диапазоне 0.7…0.2 см/1 м.

Сразу отметим, что «ленинградку» разбить на 2 ветви не удастся. Это значит, что кольцевой трубопровод обязательно пройдет под порогом входной двери. Чтобы выдержать все уклоны, котел придется ставить в приямке.

Расчет диаметра труб на всех участках гравитационной двухтрубной системы делается так:

  1. Берем теплопотери всего здания (Q, Вт) и определяем массовый расход теплоносителя (G, кг/ч) в главной магистрали по приведенной ниже формуле. Перепад температур между подачей и «обраткой» Δt принимаем равным 25 °C. Затем переводим кг/ч в другие единицы – тонны за час.Формула расчета расхода теплоносителя на участке трубы
  2. По следующей формуле находим площадь сечения (F, м²) главного стояка, подставив значение скорости естественной циркуляции ʋ = 0.1 м/с. Пересчитываем площадь круга в диаметр, получаем размер основной трубы, подходящей к котлу.Как рассчитать диаметр трубы отопления
  3. Считаем тепловую нагрузку на каждую ветку, повторяем расчеты и выясняем диаметры этих магистралей.
  4. Переходим в следующие комнаты, снова определяем диаметры участков по тепловым затратам.
  5. Выбираем стандартные размеры труб, округляя полученные цифры в большую сторону.

Приведем пример расчета самотечной системы в одноэтажном доме 100 м. кв. На представленной ниже планировке уже нанесены радиаторы отопления и указаны тепловые потери. Начинаем с основного коллектора котла и движемся в сторону последних помещений:

  1. Величина теплопотерь дома Q = 10.2 кВт = 10200 Вт. Расход теплоносителя в главном стояке G = 0.86 х 10200 Вт / 25 °C = 350.88 кг/ч или 0.351 т/ч.
  2. Площадь поперечника подающей трубы F = 0.351 т/ч / 3600 х 0.1 м/с = 0.00098 м², диаметр d = 35 мм.
  3. Нагрузка на правую и левую ветку составляет 5480 и 4730 Вт соответственно. Количество теплоносителя: G1 = 0.86 х 5480 / 25 = 188.5 кг/ч или 0.189 т/ч, G2 = 0.86 х 4730 / 25 = 162.7 кг/ч или 0.163 т/ч.
  4. Сечение правой ветви F1 = 0.189 / 3600 х 0.1 = 0.00053 м², диаметр составит 26 мм. Левое ответвление: F2 = 0.163 / 3600 х 0.1 = 0.00045 м², d2 = 24 мм.
  5. В детскую и кухню придут линии DN32 и DN25 мм (округлили в большую сторону). Теперь считаем размеры коллекторов для спальни и гостиной + коридор с теплопотерями 2.2 и 2.95 кВт соответственно. Получаем оба диаметра DN20 мм.

Самотечная разводка на планировке домаДля подключения небольших батарей можно использовать подводки DN15 (наружный d = 20 мм), на плане указаны размеры DN20

Внимание! Полученные в результате расчетов диаметры указывают на размер внутреннего прохода трубопроводов (обозначение – DN или Ду).

Осталось подобрать трубы. Если варить отопление из стали, на котловой стояк пойдет Ø48 х 3.5, ветви — Ø42 х 3 и 32 х 2.8 мм. Оставшуюся разводку, в том числе подводки к батареям, делаем трубопроводом 26 х 2.5 мм. Первая цифра размера указывает на внешний диаметр, вторая – толщину стенки (сортамент водогазопроводных стальных труб).

Расположение радиаторов

Говорят, что при естественной циркуляции теплоносителя, радиаторы, в обязательном порядке, должны располагаться выше котла. Однотрубная гравитационная система с расположением радиаторов ниже котлаДанное утверждение справедливо только тогда, когда отопительные приборы расположены в один ярус. Если количество ярусов два и более, радиаторы нижнего яруса можно располагать и ниже котла, что, обязательно должно быть проверено гидравлическим расчетом.

В частности, для примера, показанного на рисунке ниже, при H = 7 м, h1 = 3 м, h2 = 8 м, действующее циркуляционное давление составит:

g · [H · (ρ2 – ρ1) – h1 · (ρ2– ρ1) – h2 · (ρ2– ρ3)] = 9,9 · [ 7· (977 – 965) – 3 · (973 – 965) – 6 · (977 – 973)] = 352,8 Па.

Здесь:

ρ1 = 965 кг/м3 – плотность воды при 90 °С;

ρ2 = 977 кг/м3 – плотность воды при 70 °С;

ρ3 = 973 кг/м3 – плотность воды при 80 °С.

Получившееся циркуляционного давления достаточно для работоспособности приведенной системы.

Как еще повысить эффективность

Казалось бы, система с естественной циркуляцией уже доведена до совершенства, и ничего повышающего эффективность придумать невозможно, но это не так. Можно значительно повысить удобство ее использования, увеличив время между топками котла. Для этого нужно установить котел большей мощности, чем требуется для отопления, а излишки тепла отводить в теплоаккумулятор.

Такой метод работает даже без использования циркуляционного насоса. Ведь горячий теплоноситель также может подниматься по стояку из теплоаккумулятора, в то время когда в котле прогорела закладка дров.

Гравитационное отопление — замена воды на антифриз

Где-то прочитал, что гравитационное отопление, рассчитанное на воду, можно безболезненно перевести на антифриз. Хочу вас предостеречь от таких действий, так как без надлежащего расчета такая замена может привести к полному отказу системы отопления. Дело в том, что растворы на гликолевой основе обладают значительно большей вязкостью, чем вода. Кроме того, удельная теплоемкость этих жидкостей ниже, чем у воды, что потребует, при прочих равных условиях, повышения скорости циркуляции теплоносителя. Эти обстоятельства существенно увеличивают расчетное гидравлическое сопротивление системы, заполненной теплоносителями с низкой температурой замерзания.

Плюсы и минусы

Любой метод отопления имеет свои сильные и слабые стороны. На них следует обратить внимание для сравнения с альтернативными вариантами отопления. Знание плюсов и минусов позволяет оценить, насколько удобен этот вид обогрева для конкретного здания.

Преимущества:

  1. Работа без электропитания.
  2. Прочность (металлические трубы очень устойчивы к разрушению, они могут служить до 40 лет без ремонта).
  3. Легкость в использовании.
  4. Бесшумная работа (течение воды не сопровождается громкими звуками, их наличие указывает на возможную неисправность).

Недостатки:

  1. Организация гравитационного отопления для дома требует значительных финансовых вложений. Затраты на проект, материалы и монтаж, вкупе с возможными дополнениями могут быть действительно крупными.
  2. Отдельные разводные схемы бывают связаны с сильной разницей температур в радиаторах системы.
  3. Прогрев всех батарей в доме – медленный процесс, когда установку для обогрева запускают впервые. На нагрев уходит от 4 часов.
  4. Есть риск замерзания расширительного бака. Это случается, когда вода циркулирует с небольшой скоростью. Чтобы исключить возникновение подобной проблемы, некоторые части системы придется утеплить.

Гравитационная система отопления – самая архаичная, но самая надежная из существующих. С момента изобретения она прошла некоторые этапы «эволюции», но основной принцип остался неизменным. При сотрудничестве с грамотным проектировщиком, затрате определенных средств и наличии условий для проведения отопления это один из лучших вариантов для загородного дома.

О гравитационной системе отопления дома можно узнать и из видео:

Использование открытого расширительного бака

Практика показывает, что в открытый расширительный бак необходимо постоянно доливать теплоноситель, так как он испаряется. Воздушная трубка с гидрозатворомСогласен что, это действительно большое неудобство, но его можно легко устранить. Для этого можно использовать воздушную трубку и гидравлический затвор, устанавливаемый, ближе к нижней точке системы, рядом с котлом. Данная трубка служит воздушным демпфером между гидравлическим затвором и уровнем теплоносителя в баке. Поэтому, чем больше ее диаметр, тем меньше будет уровень колебаний уровня в бачке гидрозатвора. Особо продвинутые умельцы умудряются закачивать в воздушную трубку азот или инертные газы, тем самым предохраняя систему от проникновения воздуха.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.