Схема отопления (с естественной циркуляцией) частного дома своими руками. Диаметр труб для отопления с естественной циркуляцией Чертежи отопления с естественной циркуляцией из металла

Система отопления с естественной циркуляцией на сегодняшний день считается самой простой и популярной среди владельцев квартир и одноэтажных частных домов. Очевидным преимуществом является длительный срок службы: при правильной эксплуатации долговечность достигает 40 лет без необходимости ремонта. Кроме того, есть возможность установить ее своими руками, прибегнув к уже существующим схемам.

Какое топливо удобнее?

В случае если в качестве топлива используется газ, то отопление с естественной циркуляцией основано на принципе отбора воздуха из помещения в открытую горелку и отвода продукта сгорания в вентиляционные ходы. В данном случае для котла понадобится помещение от 4м2 с хорошей вентиляцией (окнами и дверью).

Поэтому такая схема не слишком удобна. Намного чаще применяется закрытая или открытая система водяного отопления с естественной циркуляцией, которую можно провести своими руками.

В многоэтажных домах часто используется однотрубная система. В основном используется схема с замыкающими участками, когда из стояка часть воды идет вверх, часть – вниз, благодаря замыкающему участку, что обеспечивает баланс температур между нижними и верхними этажами. Система работает благодаря разнице в диаметре труб подключения и трубы замыкающего участка (на размер меньше). Двухтрубная система в сравнении с однотрубной – менее компактна и удобна в монтаже.

Недостатки

Во-первых, сокращенный радиус: он составляет не больше 30 м относительно горизонтали. Недостаток вызван такими факторами, как низкое давление циркуляционного типа и медленный старт. Последний обусловлен высокой тепловой ёмкостью жидкости и приведенными силами давления. Второй недостаток - вероятность замерзания воды в расширительном бачке.
Системы отопления с естественной циркуляцией не подходят для площадей более 100 м2: не все пространство будет прогреваться должным образом. Поэтому чаще всего она используется для небольшого одноэтажного дома, дачи.

Схема действия

В состав системы водяного отопления входит котёл (водонагреватель), трубопроводы обратного и подающего типа, а также нагревательное оборудование, расширительный бачок и защитный клапан. Жидкость прогревается до нужной температуры в котле и поднимается в подающий трубопровод и стояки, благодаря расширению.

Оттуда она переходит в нагревательное оборудование – батареи и радиаторы, которым отдаёт часть тепла. Затем обратный трубопровод направляет воду в котёл, где она опять прогревается до заданной температуры. Цикл повторяется, пока система находится в рабочем состоянии.

Важно помнить, что горизонтальные трубы монтируют с уклоном по отношению к движению рабочей среды.

Защитные механизмы

Уклон труб позволяет отводить из системы воздух в сторону расширительного бачка: попадает в атмосферу, не задерживаясь в трубах и не мешая движению воды.

Важна работа защитных механизмов. Так, обратный гравитационный клапан позволяет избежать циркуляции потока воды в неправильном направлении, что очень необходимо двухтрубным и однотрубным системам с верхней разводкой при нескольких контурах.

Использование бака

Расширительный бак выполняет ряд важных функций. Во-первых, создаёт постоянное давление, необходимое для нормальной работы всей системы. Во-вторых, принимает на себя объём воды, увеличивающийся после нагрева. В-третьих, возвращает охлаждённую жидкость в трубопровод.

Процессы в трубопроводах

Процессы в трубах в естественной циркуляции связаны с движением воды. Так, подъём жидкости происходит посредством расширения из-за нагрева и гравитационного давления. Гравитационное давление нужно для преодоления водой трения о трубопровод, которое мешает ее движению. Циркулировать вода начинает благодаря разной плотности холодной и горячей воды: она движется вверх по подающему и вниз по обратному стояку.

Величина гравитационного давления напрямую зависит от возникающих сопротивлений. Чем больше их появляется на пути теплоносителя, тем выше должен быть показатель. Также необходимо предпринять меры, чтобы свести сопротивления к минимуму. Так, трение можно снизить путём применения труб с большим диаметром.

Из законов физики

Предположим, в радиаторах и котле температура жидкости изменяется скачками по центральным осям: верхние части содержат горячую жидкость, а в нижних находится холодная.

Горячая вода отличается меньшей плотностью, что снижает ее вес в сравнении с холодной. В результате система отопления представляет собой два сообщающихся сосуда замкнутых между собой, в которых сверху вниз перемещается жидкость.

Высокий столб, образуемый охладившейся водой с большим весом, по достижению радиаторов выталкивает столб низкий. В результате горячая жидкость подталкивается и возникает циркуляция.

Показатели напора

Для создания циркуляционного напора центры радиаторов ставятся выше центральной части котла. Именно эта высота считается основным фактором напора циркуляции. Уклон труб и «обратки» тоже влияют на данный процесс: благодаря им вода лучше преодолевает сопротивления местного типа.

Увеличение температур

Другой фактор заключается в разнице между плотностью холодной и горячей воды. Отметим следующий факт – отопление с естественной циркуляцией относится к саморегулирующемуся типу. Таким образом, если увеличить температуру нагрева воды, то меняется ее расход и становится выше циркуляционный напор.

Сильный прогрев жидкости в немалой степени способствует более быстрой циркуляции. Но так происходит только в холодном помещении: когда температура воздуха в них достигнет определённой отметки, батареи будут остывать гораздо медленнее.

Плотность, как прогретой в котле, так и уже попавшей в радиаторы воды практически сравняется. Напор снизится, быстрое обращение воды сменится размеренной циркуляцией внутри системы.

Как только температура помещений частного дома вновь опустится до определённого уровня, это послужит сигналом для увеличения напора. Система попытается выровнять температурные условия. Для этого придётся заново запустить процесс быстрой циркуляции. Отсюда и происходит способность к самостоятельной регуляции.

Вкратце правило следующее – одномоментная смена температуры и объёма воды позволяет получить нужную тепловую отдачу от батарей для отопления помещений.

Как результат, поддерживаются комфортные температурные условия.

Куда ставить котёл?

В частном доме, в помещении одноэтажного дома отопительные котлы лучше всего монтировать ниже уровня приборов для прогрева помещений. В квартирах ситуация обстоит несколько иначе. Здесь котлы часто ставятся на одном уровне с радиаторами, что не совсем эффективно. Поэтому монтаж лучше произвести как бы в яму, то есть поставить оборудование на перекрывающие плиты.

Для этого вокруг котла обычно выпиливается пол. «Яму» следует делать, соблюдая правила противопожарной безопасности. Они предполагают разравнивание основания тонкой стяжкой и укладку листов, изготовленных из железа и асбеста. Котёл в «яме» нагоняет лучший циркуляционный напор.

Выбор труб

Сечение труб является одним из решающих факторов для циркуляции: диаметр труб не должен быть максимально большим, но и не должен мешать течение воды. Как правило, для обогрева частного дома необходимо 100 Вт /м2. Тогда для отопления 25 м2 требуется 2500 Вт, т.е. 2,5 кВт. Определенному диаметру трубы соответствует своя тепловая нагрузка. Три основные категории:

диаметр в ½ дюйма – тепловой эквивалент 5,5 кВт;
диаметр ¾ дюйма – тепловой эквивалент 14,6 кВт;
диаметр 1 дюйм – тепловой эквивалент 29,3 кВт.

В данном случае для обогрева одноэтажного дома в 25 м2 нужно использовать самые небольшие трубы диаметром в ½ дюйма. Материалы, из которых изготавливают трубы, могут быть разными: качественная сталь, популярны также трубы из полипропилена.

Несмотря на технический прогресс и постоянно внедряемые инновации, схема отопления частного дома с естественной циркуляцией себя не изжила. Секрет долголетия такого типа водяного отопительного контура – в простоте монтажа и независимости от других источников энергии (электричества). Статья о том, как работает отопление при самотечном движении жидкости, и какие разновидности схем в себя включает.

Что приводит жидкость в движение – немного о законах физики

Основой для самостоятельного движения жидкости по отопительному контуру без применения нагнетающих устройств (циркуляционных насосов) является конвекция. Это физическое явление основано на том, что любая среда, нагреваясь, теряет плотность, то есть становится легче. Актуально это и для жидкостей, поэтому более холодная вода в замкнутом контуре стремится вниз, выталкивая более горячую вверх. Нагретый в теплообменнике котла теплоноситель устремляется вверх по вертикальному стояку, его место занимает остывшая жидкость, пришедшая по обратной трубе.

Так образуется избыточное давление, достаточное для преодоления гравитации и сопротивления труб. В результате теплоноситель циркулирует самостоятельно, применяя лишь тепловую энергию, выделяемую использующимся для работы котла энергоносителем. Циркуляция воды в системе отопления такого типа не отличается высокой скоростью, поэтому прогрев отапливаемого помещения при первоначальном запуске котла происходит медленно. Увеличить скорость движения воды позволяют такие особенности самотечной отопительной системы, которые учитывают при устройстве контура:

использование труб большого диаметра (обычно 50 мм или два дюйма) с целью максимально снизить сопротивление трубопровода;
котел монтируют как можно ниже относительно горизонтальной разводки первого этажа;
делают разгонную петлю (высокий вертикальный стояк, от которого в верхней точке отходит труба, идущая к батареям);
горизонтальные участки разводки устаивают под уклоном (3-4 градуса) по направлению к котлу, используя для ускорения циркуляции силу гравитации.

Кроме того, для нормальной скорости движения теплоносителя по трубам должна поддерживаться температурная разница между выходом из котла и входом обратного трубопровода не менее 25 градусов. Чем длиннее контур (больше количество секций батарей), тем разница температур должна быть выше.

Система отопления с естественной циркуляцией имеет еще одну особенность – она не может быть закрытого типа. В самотечном контуре предполагается только открытый расширительный бак, что устанавливается выше верхней точки разгонного стояка. У компенсационного бака две функции – выводить пузырьки образующихся газов из системы и сглаживать перепады давления, которые в самотечном отопительном контуре бывают значительными. Закрытый бачок мембранного типа, что устанавливается в системах, смонтированных по современным схемам с принудительной циркуляцией, не сможет полноценно сглаживать скачки давления, что неизбежно приведет к аварийным ситуациям.

Нужно учитывать, что отопление с естественной циркуляцией из-за большого диаметра труб предполагает гораздо больший объем теплоносителя, который, расширяясь при нагревании, образует значительное количество "лишней" жидкости, она и заполняет открытый компенсационный бак.

Отопление с самотечной циркуляцией – оцениваем преимущества и недостатки

По сути, самотечная система является менее совершенной, чем современные контуры, где движение жидкости обеспечивает циркуляционный насос. Но у рассматриваемых отопительных систем есть бесспорное преимущество – для естественной циркуляции не нужно электричества, от которого работает насос. Какими бы длительными не были перебои с электроснабжением, на обогреве помещений это никак не отразится.

К плюсам самотечных контуров отопления можно отнести и их инерционность. Это актуально, если используется классический твердотопливный котел, для которого характерна такая эксплуатационная особенность, как большие и частые перепады температуры в топке. Большая инерция контура с естественным движением жидкости сглаживает температурные скачки в такой ситуации, делая обогрев помещений более равномерным.

На этом преимущества самотечных систем отопления заканчиваются и начинаются их минусы, которых гораздо больше.

1. Использование труб большого сечения и обязательный их монтаж под уклоном не дают возможности произвести скрытую прокладку отопительных коммуникаций, поэтому все элементы системы будут на виду. На практике для устройства самотечного контура используются только металлические трубы (пластиковые плохо выдерживают высокую температуру и давление, предполагают множество резких переходов, повышающих сопротивление трубопровода). А это сложность монтажа (сварочные работы) и необходимость ежегодной покраски коммуникаций. Кроме того, громоздкие трубопроводы, проложенные на виду, плохо сочетаются с современными интерьерами.
2. Ограниченный выбор батарей отопления. Для естественной циркуляции очень важен диаметр внутренних отверстий радиаторов, их способность выдерживать давление и высокую температуру. Таким требованиям лучше всего соответствуют чугунные изделия, которыми чаще всего и оснащаются самотечные контуры. Алюминиевые "слабые" насчет давления и быстро окисляются (скорость коррозии напрямую зависит от температуры теплоносителя), биметаллические батареи имеют узкие просветы, стальные делаются в виде моноблоков (неразборная конструкция), поэтому тяжело подобрать необходимую тепловую мощность радиатора.
3. Необходимость максимально углублять котел. Для этого приходится делать площадку, расположенную ниже общего уровня пола до полуметра. В результате котел неудобно обслуживать (особенно твердотопливный) и подводить к нему трубы при обвязке теплогенератора. Понятно, что об эксплуатации современных котлов настенной установки речь не идет.
4. Ограничена площадь обогреваемых помещений. Учитывая, что трубы расположены под уклоном, на большую длину проложить их не удастся. К тому же, чем длиннее контур, тем больше его сопротивление, следовательно, меньше скорость циркуляции. При большой протяженности коммуникаций крайние точки (батареи) будут нагреваться плохо, и добиться качественного обогрева не удастся даже добавлением секций.

Система отопления с естественной циркуляцией не отличается совершенством, в том числе эстетическим. Однако возможность не зависеть от электроснабжения привлекает некоторых домовладельцев до сих пор, особенно в регионах, где с электричеством часто случаются проблемы. Для тех, кто предпочитает надежность техническому совершенству, предлагается несколько схем устройства самотечного контура.

Основные схемы трубной разводки – выбираем оптимальный вариант

Отопительные контуры, предполагающие естественную циркуляцию теплоносителя, имеют два основных варианта (схемы) устройства:

однотрубный, когда подача и отведение жидкости от батарей происходит по одной трубе;
двухтрубный – подача теплоносителя и его отведение от радиаторов осуществляется различными трубопроводами.

Однотрубный контур прост в монтаже. От котла отходит стояк, который поднимают как можно выше в пределах помещения. От верхней точки стояка отходит и спускается почти до уровня пола разгонная труба, плавно переходящая в подающий трубопровод. К коммуникации по ее ходу поочередно присоединяются батареи с помощью двух патрубков меньшего диаметра (при двухдюймовом трубопроводе обычно используют отводы на ¾ дюйма). "Обслужив" все радиаторы, трубопровод превращается в "обратку", которая уходит к котлу. разводки хороша только простотой устройства и относительной эстетичностью (трубы на виду, но расположены низко). Дальше одни недостатки.

Из-за того, что остывший теплоноситель от батарей впадает в ту же трубу, из которой приходит горячая жидкость, температура воды после прохождения каждого радиатора довольно быстро падает. Если к первой батарее коммуникация доставит теплоноситель температурой 85 градусов (например), то крайнему от котла обогревателю можно рассчитывать только на 60 градусов. Отсюда неравномерный обогрев, который приходится компенсировать добавлением секций батареям, удаляющимся от котла, поэтому крайние радиаторы часто громоздкие и тяжелые (особенно, если чугунные).

Подключить батареи при однотрубной разводке можно только снизу (вход и выход), а это самый неэффективный способ подключения радиаторов (прогреваются неравномерно, что сказывается на качестве обогрева). Диагональное подключение радиаторов возможно, если подающая труба проложена выше батарей, но это уже двухтрубная схема.

При двухтрубной разводке от стояка отходит подающая труба, расположенная под потолком. От нее опускаются патрубки к каждой батарее (подключаются в верхнем положении). Внизу расположена вторая, обратная труба, в которую впадают отводящие патрубки от радиаторов (присоединяются к в нижнем положении по диагонали). С точки зрения эстетики картина не очень, но по эффективности такая система намного лучше. К каждой батарее подходит жидкость одинаковой температуры, что обеспечивает равномерный обогрев всех комнат, плюс есть возможность подключения большего количества обогревателей.

Вариант с использованием системы отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома (гравитационной или самотечной системы) по-прежнему популярен, несмотря на достигнутый уровень технического прогресса. Объясняется это просто: системы естественной циркуляции жидкости (ЕЦ) работают автономно и не нуждаются в подключении к источникам тока.

Поэтому сложно переоценить значение подобной системы отопления с естественной циркуляцией для одноэтажного дачного дома, расположенного на участке, где нет возможности подключения электричества установки циркуляционных насосов. Либо в местах, где наблюдаются частые перебои с электроснабжением.

О принципе работы систем с самотечной циркуляцией

В основе работы гравитационной системы заложен знакомый со школьных времен принцип расширения жидкости при нагревании. То есть в результате нагрева вес и плотность воды уменьшаются, а при остывании – возвращаются к прежним значениям.

Процесс естественной циркуляции в системе отопления выглядит следующим образом: при нагреве котлом некоего объема жидкости, жидкость расширяется и, за счет уменьшения плотности, поднимается к верхней точке отопительной самотечной системы, вытесняемая более плотными холодными слоями. Делая круг по отопительной системе, жидкость постепенно остывает и сама вновь возвращается к источнику нагрева. Далее данный цикл повторяется.

То есть основной принцип обогрева циркулированием теплой воды основан на использовании разницы уровней гидростатического давления холодного и горячего столбов жидкости. Когда горячая вода вытесняется холодной, стекающей в направлении теплообменника, нагретая поднимается по трубе. Величина циркуляционного напора находится в непосредственной зависимости и от размещения середины котла и самого нижнего из имеющихся в доме радиаторов. С увеличением перепада высот, увеличивается скорость перемещения жидкости по трубам. Так и работает схема с естественной циркуляцией жидкости.

Условно отопительный контур здания может быть разделен на отдельные фрагменты: «горячие» с жидкостью, направляющейся вверх и «холодные» – с водой, направляющееся вниз. Роль границ между фрагментами будут выполнять нижняя и верхняя точки отопительного контура.

В ходе моделирования самотечных систем важно обеспечить максимум разницы между уровнями давления столбов жидкости в «холодном» и «горячем» контурах.

Как правило, система проектируется таким образом, чтобы обеспечить предельное совпадение верхних крайних точек коллектора разгона (основного стояка, отходящего от теплообменника) и остального контура. На уровне верхней точки устанавливается и выход к баку-расширителю или воздухоотводящему клапану (при использовании мембранного бака). Это помогает сделать «горячий» фрагмент общего контура минимально коротким. Благодаря этой мере циркуляция воды в системе отопления на данном отрезке будет осуществляться с минимальными теплопотерями.

Приемлемая скорость продвижения жидкости по контуру возможна при наличии температурной разницы выходящего (от котла) и входящего контура – не меньшей чем 25 0 С градусов. При этом с увеличением длины трубопровода, разница в температурах должна возрастать.

О видах и схемах данных систем

Различают два способа установки контуров гравитационной системы отопления. Речь идет об однотрубном и двухтрубном контурах. В первом случае вода от радиатора отводится и подается по одной и той же трубе, во втором – за отвод и вхождение жидкости «отвечают» две разных трубы. Также используются открытая и закрытая системы циркуляции.

Однотрубная

Выгодно отличается простотой монтажа низким (практически по уровню пола) размещением трубопровода. Однотрубная система отопления представлена стояком с отходящей от его верхней точки и направленной максимально вниз разгонной трубой, которая заканчивается подающим контуром. Подсоединение системы (входа и выхода воды) к батареям осуществляется снизу с использованием пары патрубков, имеющих меньший диаметр (если имеется в виду двухдюймовый трубопровод, целесообразно применение ¾-дюймовых отводов). Далее теплоноситель от батарей движется в направлении котла.

Минусом подобной схемы с естественной циркуляцией теплоносителя остается ее низкий КПД: остывая, жидкость попадает в тот же трубопровод, по которому теплая вода движется к следующей батарее. Таким образом, потеря тепла каждого последующего радиатора заметно отличается, что становится причиной неравномерности обогрева дома. Чтобы решить эту проблему, приходится увеличивать число секций каждой последующей батареи.

Закрытая

Одна из наиболее популярных в Европе. От обычных самотечных схем отопления она выгодно отличается присутствием расширительного бака. Этот процесс можно разделить на этапы:

За счет увеличения температуры, нагретый теплоноситель вытесняется холодными слоями и покидает контур нагрева;
Разогретая жидкость оказывается в закрытом расширительном мембранном баке (в емкости, разделенной пополам при помощи разделительной мембраны, при этом одна половина заполняется водой, а во второй содержится газ – чаще всего азот);
Нагрев воды ведет к увеличению давления, в результате чего газ во второй половине емкости сжимается, охлаждение теплоносителя ведет к обратному процессу – газ, расширяясь, выталкивает жидкость из бака.

Ее недостатком, при необходимости в обогреве значительных площадей, может стать потребность в установке достаточно объемного бака.

Открытая система

Отличается от предыдущей схемы устройством расширительного бачка. В этом случае его изготавливают самостоятельно и устанавливают на чердаке или под самым потолком. Обычно открытая система используется для обогрева небольших помещений.

Минусом остается частое «заглатывание» воздуха и попадание его в батареи, что негативным образом сказывается на работе всей системы, а также приводит к досрочному износу батарей и металлических труб за счет усиления коррозионных процессов. Для борьбы с завоздушиваним батареи рекомендуется кранами Маевского.

Двухтрубная

Обеспечивает более рациональное использование тепла за счет строгого разделения холодного и теплого контуров и обеспечивает возможность подключения значительного числа батарей.

От размещенной у самого потолка и отходящей от коллектора подающей трубы опускаются (по одному к каждому радиатору) несколько патрубков (с верхним подключением). По полу проходит труба-обратка, в которой собирается остывший теплоноситель, поступающий из батарей (нижнее диагональное подключение). В результате остывшая и горячая жидкости не смешиваются, что обеспечивает равномерный обогрев всех помещений в доме.

Лучевая

Является гибридом, объединившим принципы работы двухтрубной схемы отопления и теплого водяного пола. От распределительного коллектора отходят подающий и обратный контуры. При этом обратка прокладывается под полом. Используется прямое соединение с радиаторами с минимумом поворотов.

О преимуществах и недостатках гравитационной системы теплоснабжения

При перечислении достоинств систем отопления с естественной циркуляцией теплоносителя стоит упомянуть о:

простоте монтажа, запуска и обслуживания;
независимости от наличия доступа к источникам тока;
неплохой тепловой отдаче;
экономичности (при условии хорошей теплоизоляции стен и оконных проемов здания);
бесшумном функционировании, поскольку нет необходимости в использовании насоса, часто создающего неблагоприятный для отдыха и работы звуковой фон;
долговечностьи (минимальный срок службы – от 30-35 лет, при условии монтажа из новых качественных труб).

Говоря о минусах подобного вида теплообеспечения частных домов, нельзя ничего не сказать об:

ограниченном радиусе действия системы (не более 30 метров);
низкой продуктивности при установке в зданиях площадью более 100 м 2 ;
необходимости наличия чердаков для установки систем с расширительным баком;
значительном количестве времени, требующемся для прогрева всех помещений в здании;
необходимости в утеплении труб, проложенных в не отапливаемых помещениях;
увеличении затрат на приобретение труб значительного диаметра, используемых для снижения сопротивления при прохождении воды.

О расчете параметров системы отопления с естественной циркуляцией для одноэтажного дома

Ввиду отсутствия в гравитационных системах отопления одноэтажного здания дополнительных механизмов, обеспечивающих стабильно высокое давление, любое из возможных нарушений при установке трубопровода может обернуться проблемами с подачей тепла. К таким нарушениям можно отнести:

пренебрежение необходимостью в соблюдении углов наклона;
неверный выбор труб;
избыток поворотов при монтаже системы.

Уровень уклона при установке трубопровода для отопления частном доме регламентируется положениями СНиПов. В соответствии с ними, для каждого погонного метра необходим наклон, величиной в 1 см. Это обеспечивает нормальное продвижение теплоносителя по трубопроводу. При нарушении указанного норматива возможно завоздушивание системы и снижение общего уровня ее КПД.

О расчете давления и мощности отопления

Исходя из положений СНиП, каждый кВт тепловой мощности предназначен для обогрева площади в 10 кв.м дома. При расчете уровня мощности для регионов с жарким или холодным климатом, следует воспользоваться специальными коэффициентами. В первом случае он составит от 0,7 до 0,9, во втором – от 1,5 до 2.

Однако способ расчета, пренебрегающий высотой потолочных перекрытий, не всегда идеален. Поэтому существует еще один вариант – на основе объема помещения. В этом случае в основу расчетов ложатся показатели тепловой мощности (40 ватт) для каждого кубического метра. При этом наличие окон увеличивает полученное в итоге число на 100 ватт (для каждого окна), а двери – на 200 ватт (для каждой). При этом для одноэтажных частных домов применяется коэффициент 1,5.

Собственно, стандартный объем мощности, закладываемый в проекте частных одноэтажек, предполагает необходимость в мощности обогрева не менее чем в 50 ватт на 1 кв.м

Расчет диаметра трубы в системе с естественным оборотом

Диаметр труб в гравитационных системах рассчитывают исходя из:

потребности здания в объеме тепловой энергии (+20%);
определение требуемого типа материала изготовления трубы (например, диаметр трубы из стали должен составлять не менее 0,5 см);
данных СНиП относительно отношения мощности и внутреннему диаметру трубы.

Стоит учитывать, что при выборе труб с неоправданно большим сечением могут увеличиться расходы на отопление при снижении теплоотдачи. Расчет диаметра труб для систем с самоциркуляцией предполагает выполнение еще одного простого правила, предполагающего сужение диаметра трубы на размер после каждого разветвления.

Как сделать своими руками отопление частного дома с естественной циркуляцией

Качественная система отопления частного дома с естественной циркуляцией может быть смонтирована самостоятельно, без привлечения специалистов. Для этого следует выполнить необходимые расчеты и неукоснительно следовать подробным указаниям специальных пособий, пошагово описывающих весь процесс монтажа систем водяного отопления с естественной циркуляцией в частном доме.

Система отопления с естественной циркуляцией (с использованием гравитационного давления) применяется в частных домах. Основным достоинством такой системы является практически полная независимость от энергоснабжения дома.

Циркуляция воды (теплоносителя) в такой системе обусловлена гравитационным давлением. Условиями возникновения такого давления являются разность температуры воды и взаимное расположение по высоте котла и приборов отопления (батарей и т.п.).

На примере простейшей системы можно понять принцип работы системы. Нагретая котлом вода, как известно, расширяется и ее плотность (удельный вес) уменьшается. Поскольку она становится легче холодной воды, она, как масло, всплывает наверх. Ее место в котле занимает холодная вода и тоже подвергается нагреву.

Разумеется, что этот процесс возможен только в замкнутой системе. В приборах отопления нагретая вода охлаждается, становится тяжелее, и, как следствие, стремится вниз, активно помогая циркуляции. Система всегда стремится к равновесию. Об этом нельзя забывать, рассматривая те или иные варианты.

Таким образом, гравитационное давление зависит от разности температур. А как влияет расстояние по вертикали? На рисунке мы видим, что батарея находится несколько выше котла. Именно в батарее вода охлаждается, становится тяжелее. Поскольку охлажденная вода находится выше нагретой в котле, она естественным образом стремится вниз и вытесняет из котла нагретую воду, занимая ее место.

В других условиях, когда батарея находится на уровне котла (как правило, уровни определяются по центрам котла и батареи), уровень охлажденной воды в батарее находится на том же уровне, что и холодная вода в котле.

Результат очевиден: гравитационное давление снижается, ухудшается и циркуляция. Ровно настолько, чтобы только поддерживать уровень более холодной воды в батарее на уровне воды такой же температуры в котле.

Однако, система еще остается работоспособной, и батарея продолжает отдавать тепло. Котел продолжает работу, охлажденная вода в батарее еще имеет достаточно высокую температуру, и создается эффект полного прогрева батареи.

Но совсем иначе обстоят дела, когда батарея находится ниже котла. Ее температура невысока, а охлажденная вода не может вытеснить горячую воду из котла, поскольку она уже ниже его. Гравитационное давление на грани исчезновения, циркуляция практически исчезает.

Возникает парадоксальная ситуация: батарея холодная, а поднимать температуру котлом уже нельзя, он и без того на грани закипания. Вот такая зависимость гравитационного давления от высоты расположения батарей относительно котла.

А как выглядит система с естественной циркуляцией с математической точки зрения? Вернемся к нашему первому варианту и рассмотрим давление столба воды высотой H в области котла (P кот) и в области батареи (P бат).

Давление в области батареи будет опреляться формулой:

а давление такого же столба воды в котле:

Действующее гравитационное давление при этом будет равно разности давлений:

p o – плотность охлажденной воды, кг/м3;
p г – плотность горячей воды, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, 9.81 м/с2;
h – расстояние по вертикали от центра нагрева до центра охлаждения (от середины высоты котла до середины нагревательного прибора), м.

Плотность воды можно узнать в Таблице плотности воды в зависимости от температуры .

Исходя из вышеизложенного можно с уверенностью сказать, что от расположения подающей трубы с горячей водой гравитационное давление очень мало зависит, ведь труба не является основным охлаждающим элементом в системе. Она влияет на давление ровно настолько, насколько она способна охлаждать воду.

Поэтому иногда стояки от котла к верхней подающей трубе вместе с нею утепляют, а от подающей трубы к батарее воду подают трубой увеличенного диаметра без изоляции, что вполне оправдано. Таким образом сохраняют высокую температуру по всей длине подающей горизонтальной трубы и создают охлаждение в подающем стояке.

В результате небольшого охлаждения в трубе средняя точка прибора охлаждения несколько повышается, что ведет к некоторому повышению действующего гравитационного давления в системе с естественной циркуляцией.

Надежность работы естественной циркуляции в системе отопления зависит также от общего сопротивления движению воды в системе, а также и от схемы ее построения.

Систему отопления с естественной циркуляцией водяного теплоносителя запантетовал в 1832 г. российский ученый-металлург П.Г. Соболевский. В наш век стремительно изменяющихся технологий эту схему (называемую также гравитационной или самотечной) теплоснабжения частного дома можно было бы считать морально устаревшей, если бы не ее простота, надежность и экономичность. Самотечная система отопления по-прежнему широко используется в строительстве своими руками собственного дома и считается оптимальным технико-экономическим решением. Небольшое давление в сети ограничивает область ее применения, но для одноэтажного жилого здания данная схема весьма эффективна и часто рассматривается в качестве альтернативы отоплению с использованием насосных агрегатов.

Система отопления частного дома с естественной циркуляцией

Схема отопления с естественной циркуляции

Схема движения водяного теплоносителя в системе отопления с естественной циркуляцией

В схеме приняты следующие обозначения:

поз. 1 – котел отопления;
поз. 2 – бак расширительный;
поз. 3 – радиаторы отопления;
Т1 – нагретый теплоноситель, красными стрелками показано направление его движения;
Т2 – остывший теплоноситель, синие стрелки указывают на его движение в контуре.

В автономном отоплении одноэтажного или двухэтажного собственного дома допускается применение специальных незамерзающих составов-антифризов, но в системах с естественной циркуляцией теплоносителя использовать антифризы не рекомендуется.

Главные недостатки антифризов для использования в контуре отопления естественной циркуляции:

В схеме отопления с естественной циркуляцией в конструкциях расширительных баков предусмотрен контакт с окружающим атмосферным воздухом. Антифризы быстро испаряются, загрязняя окружающую экологию;
Необходимость постоянного контроля за объемом теплоносителя и его периодическом пополнении;
У антифризов низкая теплоотдача, способствующая малому съему тепла радиаторами от теплоносителя при его циркуляции. Это приводит к перегреву антифриза в контуре и самого котла;
Использование перегретого антифриза в замкнутом контуре способствует обильному образованию отложений внутри теплообменника, забивающих проходное сечение в трубках.

Наиболее оптимальным носителем тепла в контуре гравитационного типа для отопления одноэтажного или двухэтажного жилого здания является водяной теплоноситель благодаря своей дешевизне и доступности.

Естественная циркуляция в контурах отопления

Основными функциональными элементами системы отопления с естественной циркуляцией жилого здания являются:

Котел, нагревающий водяной теплоноситель;
Расширительный бак, представляющий собой емкость для сброса излишков воды, появляющихся при увеличении объема водяного теплоносителя в контуре при его нагреве;
Трубопроводы подачи из котла горячей воды в отопительные радиаторы и возврата остывшей жидкости из радиаторов обратно в котел (за что возвратная часть теплосети в обиходе получила название обратки). Вместе они составляют замкнутый контур циркуляции теплоносителя;
Отопительные радиаторы.

Схема теплосети отопления с естественной циркуляцией для обогрева частного дома

При разогреве теплоносителя его объем увеличивается, излишки нагретой воды поднимаются вертикально вверх к расширительному баку, в системе создается гидростатическое давление, зависящее от разности весов водяных столбов горячей (линия подачи) и холодной (линия обратки) воды.

Под этим давлением горячая вода поступает с верхней точки теплотрассы (красная линия на схеме) к радиаторам отопления. Остывшая в радиаторах вода поступает по обратке (синяя линия) на вход котла. Самотечная система отопления в одноэтажном или двухэтажном доме работоспособна лишь в том случае, если при монтаже обеспечены уклоны горизонтальных участков трубопроводной теплотрассы в сторону движения жидкости. Тогда теплоноситель сможет перемещаться вниз под действием собственного веса с наименьшим гидравлическим сопротивлением.

Другим фактором, влияющим на перемещение жидкости, является циркуляционный напор, обозначенный на рисунке буквой Н. Чем выше перепад уровней размещения радиаторов и котла, тем быстрее движение воды в контуре.

В гравитационных системах отопления расширительный бак не закрывается крышкой, поэтому нередко данную систему называют открытой. Все воздушные пробки из теплотрассы вытесняются в верхнюю часть контура, там и устанавливают бак, открытый для контакта с атмосферой. Систему, использующую герметичные баки, называют закрытой. В ее составе используется насос, по принципу действия она уже принудительного характера.

Скорость движения воды

При цикличных изменениях температуры горячая вода находится в верхней части теплосети, холодная влага движется в нижних трубах. Основной побудительной силой для естественного (без принуждения от насоса) движения жидкости в контуре является циркуляционный напор, зависящий от соотношения высот расположения котла и самого нижнего радиатора. На рисунке ниже представлена графическая схема возникновения циркуляционного напора h. Параметр h имеет постоянную величину для данной схемы и не изменяется во время работы системы отопления.

Схема возникновения циркуляционного напора

Для создания оптимального напора отопительный котел устанавливается с максимальной глубиной размещения, например, в подвале. В свою очередь, расширительный бак необходимо установить повыше. Довольно часто его ставят на чердаке дома.

Скорость циркулирования воды в контуре при монтаже своими руками гравитационной отопительной системы частного дома определяется следующими факторами:

Величиной циркуляционного напора. Чем он больше, тем выше скорость протекания воды в теплотрассе;
Диаметрами труб отопительной разводки. Малые размеры внутреннего сечения трубы будут оказывать большее сопротивление водяному потоку, чем трубы с диаметром побольше. Для однотрубной или двухтрубной самотечных систем под разводку намеренно завышают размеры труб до Д у 32-40 мм;
Материалами изготовления труб контура. У современных полипропиленовых труб сопротивление потоку в несколько раз ниже, чем у поврежденных коррозией и покрытых отложениями стальных трубопроводов;
Наличием поворотов в сети теплотрассы. Идеальный вариант – прямой трубопровод;
Обилием арматуры, переходников, подпорных шайб. Каждый вентиль снижает величину напора.

Процессы естественной циркуляции весьма инертны и протекают медленно. Время между растопкой котла и полной стабилизацией температуры в помещениях составляет несколько часов.

Монтажные схемы контуров

По способу присоединения радиаторов отопления принято выделять две схемы монтажа контуров отопительных систем: однотрубную и двухтрубную.

Для однотрубной монтажной сборки своими руками характерно последовательное расположение обогревающих приборов на подающем контуре. Пройдя от верхней точки сквозь все радиаторы (линия красного цвета), вода возвращается по обратке (линия синего цвета) к котлу.

Однотрубная схема самотечной системы отопления

В двухтрубной схеме монтируются два отдельных контура циркуляции. По одному протекает горячий теплоноситель, подводящий тепло к радиаторам, по другому контуру – остывшая вода отправляется от радиаторов к котлу.

На рисунке ниже показана двухтрубная система отопления двухэтажного дома. Раздача теплоносителя (линия красного цвета) по радиаторам начинается с максимальной высоты Н, обеспечивающей требуемый циркуляционный напор. Остывший теплоноситель (линия синего цвета) собирается в обратке и направляется на вход котла.

Двухтрубная схема самотечной системы отопления

Схема циркуляции. Видео

О том, что из себя представляет схема отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, можно узнать из видео ниже.

Гравитационные системы обогрева частного дома импонируют своей простотой устройства, легкостью обслуживания и энергонезависимостью. В них отсутствуют насосные агрегаты, своим шумом создающие дискомфорт проживающим, нет вибраций, сопровождающих их работу. Срок безаварийной службы систем с естественной циркуляцией оценивается в полвека, поскольку в них отсутствуют электрические насосы и средства автоматики. В целом самотечные схемы проигрывают принудительным системам отопления по ряду пунктов:

излишняя инерционность вынуждает ждать несколько часов, пока контур выйдет на требуемый тепловой режим;
сложность монтажа, вызванная необходимостью точных расчетов уклонов горизонтальных участков теплотрассы;
отсутствие насоса ограничивает общую протяженность теплотрассы;