В условиях холодного климата отопление играет важную роль в создании жизненного комфорта. А в зданиях с большой площадью печное отопление становится неэффективным. В таком случае лучше использовать системы с теплоносителем, нагреваемым в котле. Самый простой вариант – самотечное отопление частного дома, будет работать, только если будут соблюдены обязательные условия при проектировании и монтаже.
Принцип работы самотечной системы отопления частного дома
Любая система отопления, предполагающая использование теплоносителя, работает за счет его нагревания и последующего остывания. Так тепло, получаемое от сжигания топлива в котле, раздается по всему зданию. Теплоноситель, имеющий высокую температуру, поступает по трубам в радиаторы. Остывая в них, он возвращается в котел, чтобы снова нагреваться. А тепло, исходящее от поверхности радиаторов, обогревает помещения.
Существует две основных разновидности таких систем – с естественной циркуляцией теплоносителя, и с принудительной.
Как следует из названия, самотечная система отопления (ее иногда называют гравитационной) отличается от принудительной отсутствием насоса, который необходим для побуждения к циркуляции.
Движение в системе с естественной циркуляцией осуществляется лишь за счет разницы в весе холодной и горячей воды. Основные преимущества очевидны:
- самотечное отопление частного дома может быть совершенно автономным и независимым от наличия инженерных коммуникаций;
- устройство естественной циркуляции отопления несложно выполнить своими руками;
- правильное отопление с естественной циркуляцией эффективно, экономично и безопасно.
Как же работает самотечное отопление частного дома без насоса? Секрет в том, что вес воды (как и любой жидкости) понижается с повышением температуры. Жидкость увеличивается в объеме, а плотность уменьшается. При температуре, близкой к кипению, вода насыщается воздухом и становится легче.
Зависимость веса кубометра воды от температуры
Стоит обратить внимание, что если вес одного кубометра воды при температурой 90°С и 80°С различается на 6,5 килограмм, то при температуре 40°С и 30°С – всего на 3,5 кг. Это очень важное явление, которое нельзя не учитывать при выборе диаметра труб.
И как же это сделать? Один кубометр воды при температуре 90°С весит 965 килограмм, а при 80°С – 971 килограмм. Если же снизить температуру с 90°С до 70°С, то куб станет на 12 килограмм тяжелее. На этом явлении и основан принцип работы самотечной системы отопления. Из котла нагретый теплоноситель поступает в разгонный коллектор под давлением поступающей в котел холодной воды, имеющей больший вес (это происходит, так как система практически замкнутая).
Уже на выходе из коллектора, вода теряет несколько градусов, а после прохода через радиаторы она остывает еще сильнее. В результате в дальних от котла стояках вода давят вниз сильнее, так как она в них холоднее. Соответственно скорость движения ее может быть больше.
Поступая под действием гравитации в котел, холодная вода вытесняет горячую, имеющую меньший вес, обратно в систему отопления. Такое движение происходит циклично. В замкнутой системе отопления естественная циркуляция будет продолжаться до тех пор, пока котел нагревает воду до нужной температуры.
Диаметр трубы для самотечного отопления
Первое и основное условие надежной работы гравитационного отопления – большой диаметр стояков (вертикальных магистральных труб) и лежаков (верхних и нижних горизонтальных подводящих труб). И по этому поводу часто можно услышать одно из главных заблуждений:
Миф 1-й: В самотечной системе отопления с тонкими трубами циркуляции не будет никогда.
Это не совсем так. Циркуляции можно добиться и при тонких трубах. Однако для комфортного отопления такая система будет непригодна.
Дело в том, что в тонкой трубе окажется воды меньше, чем в толстой. И это понятно – площадь сечения увеличивается в зависимости от диаметра в квадратичной пропорции. В трубе диаметром, например, 20 мм при высоте стояка 6 метров будет всего два литра воды. При разнице температур между «подачей» с 60°С и «обраткой» с 40°С вес в них будет различаться на 11 грамм. Этого уже достаточно, чтобы привести в движение воду – тяжелая холодная начнет давить вниз. Но при большой длине труб трение воды об их стенки уравновесит силу тяжести и циркуляции не будет. Запустить ее можно двумя способами:
- увеличить разницу температур между «подачей» и «обраткой»;
- увеличить начальную температуру «подачи» – разница в весе при высоких температурах ощутимее (см. таблицу).
Первый способ обычно и применяют – включают в циркуляционную систему радиаторы отопления. Они быстрее остужают теплоноситель, забирая из него тепло и отдавая в помещение. Но это не может происходить бесконечно. Сравнявшись с комнатной температурой, вода перестанет остывать, а разница в весе еще не будет достаточной для естественной циркуляции. К тому же сами радиаторы тоже увеличивают сопротивление системы.
В результате приходится нагревать воду в котле до более высокой температуры. Циркуляция запустится, но тогда в доме станет жарко, ведь температура теплоносителя поднимется выше расчетной. Да и КПД такой системы резко упадет. Дело в том, что холодная вода «принимает» большее количество теплоты от сжигания топлива, нежели горячая. Поэтому при попытке нагреть горячий теплоноситель еще сильнее, большая часть тепла от сгорания топлива будет буквально вылетать в трубу котла, оставшись неиспользованной.
А теперь – расчет для трубы диаметром 50 мм. В шестиметровом стояке из такой трубы вместится почти 12 литров воды. А при разнице температур между «подачей» с 60°С и «обраткой» с 40°С вес будет различаться уже на 72 грамма. Такая система будет циркулировать и при более низкой температуре. Это позволит осуществлять топку котла равномернее и эффективнее, поднимая температуру, только если это необходимо для обогрева помещения.
Диаметр труб для гравитационной системы отопления частного дома должен быть как можно больше, и уж точно не меньше выходного и входного патрубков котла. При этом нельзя забывать, что диаметр нижней разводки не может быть меньше, чем у верхней. В противном случае движение воды будет затруднено.
Угол наклона трубы отопления при естественной циркуляции
Миф 2-й: Если монтаж гравитационной системы отопления выполнен без уклона в сторону движения воды, то и циркуляции не будет.
И это утверждение тоже в корне неверно. Как уже объяснялось выше, циркуляция возникает не от того, что вода движется сверху вниз «самотеком», хоть иногда систему так и называют. Движение происходит из-за разницы веса воды в закольцованной схеме. Если ее разомкнуть, вода, конечно, двигаться по горизонтальным участкам не станет. А вот при соблюдении прочих условий, циркуляция будет, даже если горячей воде придется подниматься вверх по контруклону. И это совершенно естественно. Ведь поднимается же она от котла по совершенно вертикальному коллектору. Просто снизу ее подпирает холодная вода с большим весом. Таким образом, самотечная система отопления частного дома без уклона тоже будет работать.
Однако смысл в том, чтобы делать лежаки с уклоном в сторону движения теплоносителя, все же присутствует. Дело в том, что в водяной системе с естественной циркуляцией, как и с принудительной, всегда будет собираться воздух. Он будет выделяться из воды при нагревании или будет попадать в систему при пополнении теплоносителя.
В принудительной системе насос разгонит этот воздух и теплоноситель будет двигаться вместе с ним. А в гравитационной системе скорость движения низкая. Поэтому воздух, собравшись в какой-либо точке, образует пробку, которая будет препятствовать движению воды.
Такую воздушную пробку можно удалить, установив в самом высоком месте системы кран для спуска воздуха. Однако если таких мест сбора воздуха будет несколько, обслуживание системы будет затруднено.
Если уклоны (не обязательно их делать большими) будут равномерными и не будет контруклонов, при заполнении системы весь воздух будет выдавливаться к спускному крану.
Заполнять трубы отопительной системы нужно, подключившись к ее нижней точке, и очень медленно. При большой скорости подачи воды в трубах обязательно останется воздух.
Расширительный бак для самотечной системы отопления частного дома
Миф 3-й: Расширительный бак для самотечной системы отопления должен быть обязательно открытого типа.
Расширительный бак в системе отопления необходим для выравнивания давления в ней. При нагревании объем жидкости увеличивается, а для правильной работы и надежной циркуляции потребуется удалять из труб ее излишки. Если этого не сделать, давление может разорвать трубы и радиаторы.
Для выравнивания давления и устанавливают расширительный бак. Вода выдавливается в него, а вместе с ней обычно выходит воздух. Поэтому расширительный бак рекомендуется устанавливать в самой высокой точке системы. Однако ничто не мешает установить такой бачок в любом месте системы.
Давление жидкости одинаково во всех точках и зависит только от высоты гидравлического столба. Поэтому в нижней точке системы оно будет наибольшим. Это потребует установки бака более надежной конструкции. К тому же, он должен быть герметичным, иначе теплоноситель выльется. В таких конструкциях применяют мембранный бак закрытого типа.
Самым простым в обслуживании является вариант, когда самотечное отопление частного дома оборудовано закрытым расширительным бачком установленным в верхней точке водяной системы, а в нижнюю трубу подключена система подпитки. Она представляет собой трубу, которая выходит вверх и заканчивается небольшим открытым бачком. Если снабдить трубу краном, то после заполнения системы и выхода на рабочую температуру, его можно закрыть. В результате получится закрытая система отопления с естественной циркуляцией. Если перед расширительным бачком установить кран для стравливания воздуха, такую систему легко будет обслуживать самостоятельно.
Расположение радиаторов в системе естественной циркуляции и их подключение
Миф 4-й: Если нижние радиаторы расположены ниже средней линии котла, то циркуляции не будет и система без насоса работать не будет.
На самом деле для циркуляции неважно, на какой высоте будут установлены радиаторы. Иногда на нижнем этаже их просто невозможно расположить выше котла. Побуждением к циркуляции станет увеличивающийся вес остывающей воды в дальнем стояке. Он будет перевешивать вес разогретой воды в подающем коллекторе. Точно так же, остывая в каждом стояке и в радиаторах верхних этажей, теплоноситель под своим весом будет двигаться и через нижние приборы отопления. Поэтому утверждение о том, что циркуляции не будет, несостоятельно.
Однако подводные камни есть и здесь. Дело в том, что температура нижних радиаторов при расположении на уровне котла, будет невелика. Ведь скорость движения теплоносителя зависит от скорости его остывания. На одной высоте в системе он будет иметь примерно одинаковую температуру.
То есть температура радиаторов, расположенных ниже котла, будет не выше, чем у «обратки». Потребуется увеличивать полезную площадь поверхности отопительных приборов, увеличивая число секций или самих радиаторов.
Читайте, как рассчитать количество секций радиаторов на комнату в доме или в квартире.
Разрабатывая схему отопления с естественной циркуляцией воды, рекомендуется располагать котел как можно ниже. Если есть подвальное или полуподвальное помещение, то это идеальное место для котельной. Ну а если все же не удается разместить котел в нижней точке дома, то рекомендуется расположить радиаторы как можно выше.
Утепление главного коллектора
Особую роль играет то, как функционирует разгонный коллектор в системе отопления естественной циркуляции. Это, как правило, труба большого диаметра, по которой и поднимается рабочий теплоноситель. Диаметр коллектора не должен быть менее выходного отверстия котла.
Очень часто плохая работа системы отопления с естественной циркуляцией связана с тем, что в главном коллекторе теплоноситель остывает. Так как он здесь имеет самую высокую температуру, то и потери значительны. Ведь чем горячее жидкость, тем быстрее температура стремится выровняться с окружающей средой.
Чтобы улучшить работу системы, иногда достаточно лишь утеплить коллектор. Возможно, в этом случае некоторые дальние радиаторы, которые не прогревались до необходимой температуры, станут отдавать тепло в помещения.
Котел для самотечного отопления и его подключение
Особое внимание следует уделить выбору котла для самотечного водяного отопления. По сути, любой отопительный агрегат, предназначенный для работы с принудительной циркуляцией, будет работать и в самотечной системе. Однако для надежной работы необходимо выполнение нескольких условий:
- входной и выходной патрубки котла должны быть достаточно большого размера;
- внутренние элементы котла должны быть достаточно объемными, так чтобы сопротивление движению жидкости было минимальным;
- выходной патрубок должен быть направлен вверх, а не в сторону.
Читайте, как выбрать мощность котла для отопления частного дома.
Подключение котла к системе должно производиться трубами не меньшего диаметра, чем входной и выходной патрубки. Допускается незначительное уменьшение сечения на небольшом участке магистрали, однако протяженность такого участка должна быть невелика.
Правильная схема естественной циркуляции водяного отопления
Итак, самотечное отопление частного дома с естественной циркуляцией необходимо проектировать, соблюдая ряд условий:
- секции котла и трубы магистрали (стояки и лежаки) должны быть как можно большего диаметра;
- для того, чтобы система не завоздушивалась, лежаки не должны быть идеально горизонтальными, а небольшой уклон должен быть направлен от самой высокой точки в направлении движения теплоносителя;
- схема самотечного отопления в частном доме должна быть оборудована расширительным баком, подключенным в самой верхней точке;
- котел для самотечной системы отопления необходимо располагать как можно ниже по отношению к остальным элементам системы, что обеспечит лучший нагрев радиаторов, а соответственно и комнаты, в которой они расположены;
- главный коллектор и все трубы самотечной системы, проходящие в неотапливаемых помещениях, должны быть хорошо утеплены.
А вот устанавливать теплоаккумулятор для отопления с гравитационной системой не рекомендуется — эффект он не даст, а дополнительное сопротивление для движения теплоносителя обеспечит.
Несоблюдение одного из вышеприведенных условий может значительно ухудшить работу системы. Если же пренебречь двумя или более, отопление может не работать вовсе. И наоборот, правильная самотечная система отопления, выполненная своими руками, обеспечит тепло при любых погодных условиях.
