Естественная циркуляция
Примерная схема системы
Основным вопросом системы естественной циркуляции является вопрос, который определяет силу движения теплоносителя к отопительным приборам и обратно в котёл. Сила движения нагретого теплоносителя появляется по той причине, что теплоноситель нагревается в тепловом генераторе, тогда, как в приборах отопления данный теплоноситель остывает и его выдавливает нагретый теплоноситель. Другими словами, теплоноситель, который нагрелся в тепловом генераторе до определённой температуры, имеет меньшую массу, чем теплоноситель в холодном состоянии.
Итак, нагретая до нужной температуры вода поднимается по определённому направлению в главном стояке и распределяется трубной разводкой по всем отопительным приборам, то есть радиаторам. Через некоторое время теплоноситель в радиаторах остывает, отдавая своё тепло металлу, что делает его отяжелевшим. По специально подведённым трубам обратного направления остывший теплоноситель транспортируется обратно к нагревательному котлу, где своей массой вытесняет горячую воду из теплового генератора.
Такой цикл движения теплоносителя в отопительной системе будет повторяться до того момента, пока нагревательный котёл будет работать, вследствие чего теплоноситель будет циркулировать по трубной магистрали. Системы отопления с естественной циркуляцией имеют разную силу давления, что приводит к разной интенсивности циркуляции и нагрева отопительных приборов. Сила движения теплоносителя в отопительной системе зависит от разных плотностей и весов холодного и горячего теплоносителя.
Из этого можно сделать вывод, что давление в отопительной системе и сила движения воды зависит от общей разницы горячего и холодного теплоносителя. Другими словами, чем больше эта разница, тем больше сила движения теплоносителя в системе отопления, циркуляция теплоносителя в которой осуществляется естественным путём. Кроме всего прочего, давление в системе отопления и сила движения нагретого теплоносителя зависит от того, на какой высоте располагается отопительный прибор относительно генератора тепловой энергии.
Как правило, теплоноситель в простой системе отопления водяного типа нагревается до 95 градусов, тогда, как остывший теплоноситель имеет температуру не выше 70 градусов. Из таких показателей можно определить общее давление в системе отопления и силу движения теплоносителя к верхним и нижним отопительным приборам. Для того, чтобы визуально представить себе распределение между верхними и нижними радиаторами в системе отопления необходимо нарисовать некое подобие схемы.
По центру обозначаем нагревательный котёл, от которого идёт разводка к верхним и нижним радиаторам, замыкающаяся напротив самого котла. Проведя линию между верхними и нижними нагревательными приборами (радиаторами), мы получим границу перепада температуры от 95 до 70 градусов. Далее рассмотрим отопительный процесс.
Схема системы
Отопительный котёл нагревает теплоноситель, в нашем случае воду, который из-за образовавшегося давления начинает своё движение от одного отопительного прибора к другому. Когда теплоноситель пересечёт проведённую нами линию и отправится в отопительные приборы нижнего этажа, его температура будет значительно ниже, а из последнего радиатора и вовсе выйдет теплоноситель с температурой всего в 70 градусов. При осуществлении движения теплоносителя от радиатора к радиатору не стоит забывать о том, что часть температуры отдаётся и самим трубам, вследствие чего температура теплоносителя постоянно снижается.
Из этого можно сделать смелый вывод, что нагревательные приборы, которые находятся выше линии разделения системы будут нагреваться больше, чем те, которые располагаются на нижнем этаже.
Всё это приводит к тому, что использование данной отопительной системы для двухэтажных домов неактуально, ведь первый этаж будет постоянно холоднее, чем второй. Кроме того, при использовании двухтрубной отопительной схемы, когда радиаторы будут располагаться ниже самого котла или на одном с ним уровне, добиться правильной циркуляции теплоносителя без использования вспомогательных механизмов практически невозможно.
По этим очевидным причинам расположение нагревательного котла должно быть таким, чтобы приборы отопления находились на уровень выше самого котла. Для этого нагревательные котлы располагают в небольшом углублении, а систему отопления немного поднимают под определённым углом, чтобы добиться должного давления и правильной естественной циркуляции теплоносителя. Таких явных недостатков лишены стандартные однотрубные схемы отопления.
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.
2.3. Однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией
Рис. 10. Однотрубная система отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды (вверху) и конструкции радиаторных узлов (внизу)
Однотрубные системы с естественной циркуляцией теплоносителя делаются только с верхней разводкой подающего трубопровода, в которой отсутствуют обратные стояки (рис. 10). По сравнению с двухтрубными системами однотрубные проще в монтаже, на их устройство требуется меньше труб и они выглядят более красиво.
Однотрубные системы отопления подразделяются на два вида.
По одной схеме – проточной, подающий стояк, как таковой, отсутствует, а радиаторы по высоте дома последовательно соединены друг с другом. Горячая вода подачи последовательно, сверху вниз, протекает через все радиаторы, начиная с верхнего, и в радиаторы нижних этажей поступает охлажденной. Поэтому на верхних этажах жарко, а на нижних – холодно. Чтобы как-то сбалансировать отопительный контур, в нижних этажах ставят радиаторы с большим числом секций. В проточной системе нельзя ставить регулировочные краны, так как при уменьшении или перекрытии крана у того или иного радиатора частично или полностью перекрывается весь стояк.
При такой схеме нельзя регулировать температуру воздуха в помещениях. Если дом двухэтажный, то невозможно осуществить пуск системы отопления только на одном этаже. Проточные схемы отопления были весьма популярны в середине ХХ века, когда основной целью была экономия труб. В настоящее время ее почти не применяют.
При другой схеме с замыкающими участками (байпасами), показанной на рис. 11, из стояка часть воды поступает в верхние радиаторы, а остальная вода направляется по стояку к радиаторам, расположенным ниже. Вода в такой системе остывает чуть меньше, а значит, меньше и разница между температурами на верхних и нижних этажах. Фактически это улучшенная проточная схема, в которой между трубами подключения радиатора сделан замыкающий участок – байпас.
Рис. 11. Схемы присоединения отопительных приборов в однотрубной и двухтрубной системах отопления
Диаметр трубы замыкающего участка делают на один размер меньше, чем диаметр труб подключения радиатора. В результате поступающий сверху теплоноситель разделяется на два потока: одна часть поступает в радиатор, другая через байпас – к нижним радиаторам. Если диаметр байпаса сделать таким же, как и трубы для подключения радиатора, то теплоноситель в радиаторе перестанет циркулировать, поскольку гидравлическое сопротивление в радиаторе будет больше, чем в байпасе. Ведь вода всегда течет там, где меньше гидравлическое сопротивление.
При установке байпаса с диаметром, равным диаметрам труб подключения радиаторов для балансировки отопительной системы, количество поступающей в прибор воды регулируется вентилями, которые устанавливаются на трубе подключения и байпасе. Таким образом, закрытием (открытием) вентилей на подающей трубе подключения радиаторов или байпасе можно регулировать поступление теплоносителя в радиатор или стояк. Например, можно полностью отключить радиатор и перенаправить весь теплоноситель в байпас и далее к нижним радиаторам на стояке или, наоборот, закрыть байпас и направить весь тепловой поток в радиатор.
Рис. 12. Схема системы отопления и горячего водоснабжения дома
В современных отопительных системах два вентиля, установленных на подающей трубе и байпасе, заменяют одним, называющимся трехходовым краном. В зависимости от положения закрывающей заслонки, трехходовой кран одновременно открывает путь теплоносителю в радиатор и закрывает поступление в байпас или, наоборот, закрывает байпас и открывает путь к радиатору. Такие краны могут снабжаться электрическим приводом, подключенным к специальному прибору – контроллеру. Контроллер измеряет температуру воздуха в помещении или температуру теплоносителя и отдает команду на трехходовой вентиль, который увеличивает или уменьшает подачу теплоносителя в радиатор, а остальной теплоноситель сбрасывает в байпас.
Как и в системах с двухтрубной разводкой, в однотрубной можно обеспечить тупиковое и попутное движение теплоносителя в обратной магистрали. При попутном движении все кольца отопительного контура становятся одинаковой длины и систему можно сбалансировать. При тупиковом движении делать балансировку температуры теплоносителя очень трудно, поскольку разбалансировка идет не только по длине колец, но и по высоте стояков, чем отличается от двухтрубных систем, где разбалансировка температуры была только по кольцам.
Куда ставить
Устанавливать циркуляционный насос рекомендуют после котла, до первого ответвления, а вот на подающем или обратном трубопроводе — все равно. Современные агрегаты делают из материалов, которые нормально переносят температуры до 100-115°C. Мало найдется систем отопления, которые работают с более горячим теплоносителем, потому соображения более «комфортной» температуры несостоятельны, но если вам так спокойнее, ставьте в обратке.
Можно ставить в обратном или прямом трубопроводе после/перед котлом до первого ответвления
Нет разницы и по гидравлике — котлу, да и остальной системе, абсолютно все равно, в подающей или обратной ветке стоит насос. Что имеет значение — это правильность установки, в смысле обвязки, и правильная ориентация ротора в пространстве
Остальное неважно
По месту установки есть один важный момент. Если в системе отопления две отдельные ветки — на правое и левое крыло дома или на первый и второй этаж — имеет смысл на каждой поставить отдельный агрегат, а не один общий — непосредственно после котла. Причем на этих ветках сохраняется то же правило: сразу после котла, до первого разветвления в этом отопительном контуре. Это даст возможность задавать требуемый тепловой режим в каждой из частей дома независимо от другого а также в двухэтажных домах экономить на отоплении. Как? За счет того, что на втором этаже обычно значительно теплее, чем на первом и там требуется намного меньше тепла. При наличии двух насосов в ветке, которая идет наверх, скорость движения теплоносителя задается намного меньше, а это позволяет сжигать меньше топлива, причем без ущерба для комфортности проживания.
Есть два типа систем отопления — с принудительной и естественной циркуляцией. Системы с принудительной циркуляцией работать без насоса не могут, с естественной — работают, но в таком режиме имеют более низкую теплоотдачу. Тем не менее, меньшее количество тепла, это все-таки намного лучше, чем его полное отсутствие, потому в местностях, где электричество отключают часто, проектируют систему как гидравлическую (с естественной циркуляцией), а затем в нее врезают насос. Это дает высокую эффективность и надежность отопления. Понятное дело, что установка циркуляционного насоса в этих системах имеет отличия.
Все системы отопления с теплым полом принудительные — без насоса через такие большие контура теплоноситель не пройдет
Принудительная циркуляция
Так как система отопления с принудительной циркуляцией без насоса неработоспособна, его устанавливают прямо в разрыв подающей или обратной трубы (по вашему выбору).
Большинство проблем с циркуляционным насосом возникают из-за наличия в теплоносителе механических примесей (песка, других абразивных частиц). Они способны заклинить крыльчатку и остановить мотор. Потому перед агрегатом обязательно ставят сетчатый фильтр-грязевик.
Установка циркуляционного насоса в систему с принудительной циркуляцией
Также желательно с двух сторон установка шаровых кранов. Они дадут возможность заменить или отремонтировать устройство без слива теплоносителя из системы. Перекрываете краны, снимаете агрегат. Сливается только та часть воды, которая была непосредственно в этом куске системы.
Естественная циркуляция
Обвязка циркуляционного насоса в гравитационных системах имеет одно существенное отличие — необходим байпас. Это перемычка, которая делает систему работоспособной при неработающем насосе. На байпасе ставят один шаровый отсечной кран, который закрыт, все время, пока работает перекачка. В таком режиме система работает как принудительная.
Схема установки циркуляционного насоса в системе с естественной циркуляцией
Когда пропадает электричество или агрегат выходит из строя, кран на перемычке открывают, кран, ведущий на насос, перекрывают, система работает как гравитационная.
Особенности монтажа
Есть один важный момент, без которого установка циркуляционного насоса будет требовать переделки: требуется разворачивать ротор так, чтобы он был направлен горизонтально. Второй момент — направление потока. На корпусе есть стрелка, указывающая в какую сторону должен течь теплоноситель. Вот так и разворачивайте агрегат, чтобы направление движения теплоносителя было «по стрелке».
Сам насос может быть установлен как горизонтально, так и вертикально, только при подборе модели смотрите, чтобы он мог работать в обоих положениях. И еще один момент: при вертикальном расположении мощность (создаваемый напор) падает примерно на 30%. Это надо учитывать при выборе модели.
Нормы и требования к автономному отоплению
Перед проектированием отопительной конструкции необходимо заглянуть в СНиП 2.04.05-91, где изложены основные требования к трубам, обогревательным приборам и запорной арматуре.
Общие нормы сводятся к тому, чтобы обеспечить в доме комфортный микроклимат для проживающих в нем людей, правильно оборудовать систему отопления, предварительно составив и утвердив проект.
Многие требования сформулированы в виде рекомендаций в СНиП 31-02, который регламентирует правила строительства одноквартирных домов и обеспечения их коммуникациями.
Отдельно оговариваются положения, связанные с температурой:
- параметры теплоносителя в трубах не должны превышать отметки +90ºС;
- оптимальные показатели находятся в рамках +60-80ºС;
- температура наружной поверхности нагревательных приборов, находящихся в зоне прямого доступа, не должна превышать 70ºС.
Трубопроводы систем отопления рекомендовано устраивать из латунных, медных, стальных труб. В частном секторе преимущественно используются полимерные и металлопластиковые трубные изделия, допущенные к применению в строительстве.
Трубопроводы контуров водяного отопления чаще всего прокладываются открытым способом. Скрытая прокладка допускается при устройстве “теплых полов”
Способ прокладки отопительного трубопровода может быть:
- Открытым. Предполагает прокладку по строительным конструкциям с креплением клипсами и хомутами. Допускается при устройстве контуров из металлических труб. Использование полимерных аналогов разрешено, если исключается их повреждение от термического или механического воздействия.
- Скрытым. Предполагает прокладку трубопроводов в штробах или каналах, выбранных в строительных конструкциях, в плинтусах или за защитно-декоративными экранами. Замоноличивание контура допускается в постройках, рассчитанных минимум на 20 лет эксплуатации и при сроках службы труб не менее 40 лет.
В приоритете открытый способ прокладки, потому что проектирование трассы трубопровода должно предусматривать свободный доступ к любому элементу системы для проведения ремонта или замены.
Трубы скрывают в редких случаях, только тогда, когда подобное решение продиктовано технологической, гигиенической или конструктивной необходимостью, например при устройстве “теплых полов” в бетонной стяжке.
При прокладке трубопровода систем с естественным движением теплоносителя необходимо соблюдать уклон 0,002 – 0,003. Трубопроводы насосных систем, внутри которых теплоноситель движется со скоростью не менее 0, 25 м/с, не нуждаются в обеспечении уклонов
При открытой прокладке магистрали участки, пересекающие неотапливаемые помещения, должны быть обеспечены теплоизоляцией, соответствующей климатическим данным региона строительства.
Трубопроводы автономного отопления с естественным типом циркуляции должны устанавливаться в сторону движения теплоносителя, чтобы нагретая вода самотеком достигала батарей, а после остывания тем же способом двигалась по магистрали обратки в котел. Магистрали насосных систем сооружаются без уклона, т.к. в нем нет необходимости.
Оговаривается использование различных типов расширительных баков:
- открытые, применяемые для систем как с насосным, так и с естественным принуждением, следует устанавливать над главным стояком;
- закрытые мембранные устройства, применяемые исключительно в принудительных системах, устанавливаются на обратной магистрали перед котлом.
Расширительные бачки предназначены для компенсации теплового расширения жидкости при нагревании. Нужны они для сброса излишков в канализацию или банально на улицу, как в случае с простейшими открытыми вариантами. Закрытые капсулы практичней, потому что не требуют участия человека в регулировке давления системы, но дороже.
Расширительный бачок открытого типа устанавливается в наивысшей точке системы. Кроме обеспечения резерва для расширения жидкости на него еще возложена задача отведения воздуха. Закрытые бачки ставят перед котлом, для отведения воздуха используют воздухоотводчики и сепараторы
При выборе запорной арматуры предпочтение отдается шаровым кранам, при выборе насосной установке – оборудованию с напором до 30 кПа и производительностью до 3,0 м3/ч.
Бюджетные открытие разновидности необходимо периодически пополнять из-за стандартного выветривания жидкости. Под их установку необходимо существенно усиливать чердачное перекрытие и утеплять чердак.
Радиаторы и конвекторы рекомендуется монтировать под окнами, в удобных для обслуживания местах. Роль нагревательных элементов в ванных комнатах или санузлах могут играть полотенцесушители, подключенные к отопительным коммуникациям
Как выбрать насос для отопления
Лучше всего подходят для установки специальные малошумные циркуляционные насосы центробежного типа с прямыми лопастями. Они не создают избыточно большого давления, а проталкивают теплоноситель, ускоряя его движение (рабочее давление индивидуальной системы отопления с принудительной циркуляцией 1-1,5атм, максимальное – 2атм). Некоторые модели насосов имеют встроенный электропривод. Такие устройства можно устанавливать прямо в трубу, их называют еще «мокрыми», а есть устройства «сухого» типа. Отличаются они только правилами монтажа.
При установке любого типа циркуляционного насоса желательна установка с байпасом и двумя шаровыми кранами, которые позволяют снять насос для ремонта/замены без останова системы.
Подключать насос лучше с байпасом — для возможности его ремонта/замены без разрушения системы
Установка циркуляционного насоса позволяет регулировать скорость продвижения теплоносителя по трубам. Чем активнее движется теплоноситель, тем больше тепла он разносит, а значит, помещение нагревается быстрее. После того, как заданная температура достигнута (отслеживается или степень нагрева теплоносителя или воздуха в помещении в зависимости от возможностей котла и/или настроек), задача меняется – требуется поддерживать заданную температуру и скорость потока уменьшается.
Для системы отопления с принудительной циркуляцией недостаточно определиться с типом насоса
Важно рассчитать его производительность. Для этого, прежде всего, нужно знать теплопотери помещений/зданий, которые будут отапливаться. Они определяются исходя из потерь в самую холодную неделю
В России они нормированы и установлены коммунальными службами. Они рекомендуют использовать следующие величины:
Они определяются исходя из потерь в самую холодную неделю. В России они нормированы и установлены коммунальными службами. Они рекомендуют использовать следующие величины:
- для одно- и двухэтажных домов потери при самой низкой сезонной температуре -25 о С составляют 173Вт/м 2. при -30 о С потери 177 Вт/м 2 ;
- многоэтажные дома теряют от 97Вт/м 2 до 101Вт/м 2 .
Исходя из определенных теплопотерь (обозначаются Q) можно найти мощность насоса по формуле:
c – удельная теплоемкость теплоносителя (1,16 для воды или другое значение из сопроводительных документов к антифризу);
Dt – разница температур между подачей и обраткой. Этот параметр зависит от типа системы и составляет: 20 о С для обычных систем, 10 о С для низкотемпературных и 5 о С для систем теплого пола.
Полученную величину нужно перевести в производительность, для чего нужно разделить на плотность теплоносителя при рабочей температуре.
В принципе, можно при выборе мощности насоса для принудительной циркуляции отопления руководствоваться усредненными нормами:
- с системах, обогревающих площадь до 250м 2. используют агрегаты производительностью 3,5м 3 /ч и создаваемым напором 0,4атм;
- на площадь от 250м 2 до 350м 2 требуется мощность 4-4,5м 3 /ч и давлением 0,6атм;
- в системы обогрева площади от 350м2 до 800м2 устанавливают насосы производительностью 11м 3 /ч и давлением в 0,8атм.
Но учесть нужно, что чем хуже утеплен дом, тем большие мощности оборудования (котла и насоса) могут потребоваться и наоборот – в хорошо утепленном доме могут потребоваться половинные от указанных величины. Эти данные – средние. То же самое можно сказать относительно создаваемого насосом давления: чем уже трубы и более шероховатая их внутренняя поверхность (выше гидравлическое сопротивление системы), тем выше должно быть давление. Полный расчет – сложный и муторный процесс, в котором учитывается множество параметров:
Мощность котла зависит от площади отапливаемого помещения и потерь тепла
- сопротивление труб и фитингов (о том, как выбрать диаметр труб отопления читайте тут );
- длина трубопровода и плотность теплоносителя;
- количество, площадь и вид окон и дверей;
- материал, из которого сделаны стены, их утепление;
- толщина стен и утепления;
- наличие/отсутствие подвала, цоколя, чердака а также степень их утепления;
- тип кровли, состав кровельного пирога и т.д.
Вообще, теплотехнический расчет – один из самых сложных в области. Так что если хотите знать точно, какой мощности вам нужен насос в системе, закажите расчет у специалиста. Если нет – подбирайте основываясь на усредненных данных, корректируя их в ту или другую сторону в зависимости от вашей ситуации. Только нужно учесть, что при недостаточно высокой скорости движения теплоносителя система сильно шумит. Потому в данном случае лучше взять более мощное устройство — расход электроэнергии небольшой, да и система будет более эффективной.
Отопление загородного дома с помощью устройства тёплых полов
Тёплые полы могут быть использованы не только в ванных комнатах. Если действовать грамотно, с их помощью можно отопить загородный дом полностью. Но, как вы понимаете, эффективность такого решения будет далека от идеальной. Отопление электричеством (как и электрическими котлами, которые мы не стали рассматривать по этой же причине) — удовольствие не из дешёвых.
Схема устройства теплого пола в доме
Кроме этого, вам потребуется серьёзная теплоизоляция всех стен и перекрытий в доме. Также потребуется установить специальные стеклопакеты с усиленной теплоизоляцией и специальным многокамерным профилем. В результате, можно полностью отказаться от традиционной системы отопления, в каждой комнате воздух будет греть такой пол.
Дом, система отопления в котором построена в соответствии с грамотными техническими расчётами, не требует больших денег на обслуживание и несёт своим владельцам радость и тепло домашнего уюта.
