Что залить в систему отопления частного дома и как рассчитать объем жидкости

Индивидуальная система отопления в зимнее время должна функционировать непрерывно, даже при отсутствии жильцов, в экономичном режиме работы. Но если хозяева на долгое время покинули загородный коттедж или дачный дом, могут возникнуть непредвиденные ситуации, приводящие к замерзанию воды в трубах отопления, и в этом случае становится актуальным вопрос — что залить в систему отопления частного дома.

Задача усложняется тем, что существует несколько вариантов замены воды морозоустойчивыми жидкостями, имеющими различные химические свойства и физические характеристики. Также необходим точный расчет объема теплоносителя в системе — это позволит правильно определить нужное количество незамерзающей жидкости для функционирования в системе отопления, и соответственно сэкономить финансовые средства и время.

Рис. 1 Система отопления в частном доме

Что такое теплоноситель и какие бывают виды

Теплоносителем называют жидкое или газообразное вещество, предназначенное для передачи тепловой энергии, в индивидуальной отопительной системе дома используется только жидкое рабочее тело.

В домашнюю систему отопления заливаются следующие виды теплоносителей:

• Вода. Самый доступный и универсальный теплоноситель, не требующий финансовых затрат на его приобретение и используемый в большинстве систем отопления, обладает наибольшей теплоемкостью среди жидких веществ.
• Антифризы. Для передачи тепловой энергии используются два вида антифризов — этиленгликоль и пропиленгликоль. Они имеют низкую температуру кристаллизации и разводятся с водой в определенном соотношении — это позволяет изменять точку замерзания жидкости.
• Смеси антифризов. Наиболее популярные антифризы этиленгликоль и пропиленгликоль обладают разными химическими и физическими свойствами. Некоторые производители добавляют в их состав гликоли для получения жидкостей, сочетающий в себе преимущества двух компонентов.
• Автомобильные антифризы. Этиленгликоль является одним из основных компонентов автомобильных охлаждающих жидкостей, поэтому можно использовать общеизвестный Тосол для отопления дома. В его марках цифры 40 (голубой цвет) и 65 (красный цвет) означают температуру замерзания.
  При эксплуатации раствор тосола меняет цвет на сине-зеленый, затем зеленый, желтый и в конце обесцвечивается (точнее становится грязно-коричневым из-за отложений ржавчины). Это говорит о снижении ее эксплуатационных качеств и необходимости замены. Нормальной рабочей температурой эксплуатации Тосола считается показатель до 95º С, при превышении этого порога срок службы жидкости резко падает.

Рис.2 Антифризы — виды

• Другие вещества. Чтобы понизить точку замерзания воды, можно использовать любые солевые растворы (хлористые натрий, калий, кальций), спирты, глицерин, гликоли, анилин и многие другие химические компоненты. Очень хорошим антифризом считается вода с 40% содержанием этилового спирта, но его использование довольно дорого и ограничено высокой летучестью и воспламеняемостью. Аналогичными свойствами обладает и более дешевый метиловый спирт, который опасно использовать в качестве теплоносителя вследствие его высокой ядовитости.

На рынке встречаются антифризы на основе глицерина — ни в коем случае не следует использовать эти составы в отопительной системе, они обладают температурной неустойчивостью, разлагаются с образованием вредных для материалов компонентов, затрудняют настройку котла отопления.

Основные требования к теплоносителю для отопления загородных домов

Теплоноситель, который следует заливать в систему отопления загородного дома, должен обладать следующими свойствами:

• Иметь высокую теплоемкость. Данный показатель характеризует свойство вещества накапливать тепловую энергию — чем больше рабочая жидкость впитает в себя энергии, тем больше ее будет подано на радиаторы отопления.
• Вязкость. Рабочее тело должно иметь низкую вязкость — в этом случае электронасосу для подачи жидкости потребуется меньше электроэнергии.
• Экологичность. Многие жидкости, обладающие подходящими физическими параметрами для применения в роли теплоносителя, не используются в качестве рабочего тела из-за высокой опасности нанесения вреда здоровью человека.
• Безопасность. Проводящая тепло жидкость не должна быть взрыво- и пожароопасной.

Рис. 3 Однотрубный контур отопительной системы с открытым расширительным баком

• Нейтральность. Теплоноситель не должен оказывать вредного воздействия на трубы, котлы, отопительное оборудование, радиаторы, приводящего к их коррозии, химическому повреждению и соответственно быстрому выходу из строя.
• Стоимость. Цена теплопроводящей жидкости является наиболее важным параметром при выборе подходящих материалов, многие из них с хорошими физическими характеристиками не используются в системах по той причине, что слишком дороги.
• Температура. Подающая тепло жидкость должна выдерживать максимальную и минимальную рабочие температуры, а также их нижний и верхний предел с учетом экстренных ситуаций (отключение электроэнергии, поломка оборудования, повреждение магистрали).
• Срок эксплуатации. Все антифризы в процессе эксплуатации меняют свои химические свойства с ухудшением технических параметров. При использовании в автомобильной технике их рекомендуется менять раз в 3 — 5 лет, этот параметр необходимо учитывать и при использовании в качестве незамерзающей жидкости, выбирая состав с наиболее длительным сроком службы.

Рис. 4 Однотрубная система отопления с герметичным контуром

Вода в качестве теплоносителя

Применение воды в отопительной системе оптимально в том случае, если в доме постоянно проживают люди — даже при каких-то неполадках или длительном отключении электроэнергии в зимнее время, если не удастся быстро устранить неисправность и подключить электричество, можно просто слить воду из системы.

Идеальным вариантом для заполнения магистрали отопления является дистиллированная вода, но ее получение или приобретение в больших количествах обходится слишком дорого. Выходом из положения может быть сбор дождевой воды и ее дальнейшее использование после фильтрации, также воду можно умягчить кипячением или использовать для этого химические реагенты.

Плюсы и минусы воды в роли теплоносителя

Вода является самым распространенным элементом среди используемых жидкостей для переноса тепла, она обладает следующими свойствами:

• Доступность. Вода есть везде, она практически ничего не стоит, в экстренных ситуациях ее всегда можно слить и снова наполнить систему.
• Высокая удельная теплоемкость. Среди всех жидкостей вода обладает наивысшей теплоемкостью со средним значением 4200 Дж./кг.*К. (4,2 КДж./кг.*К.) — это означает, что она медленно нагревается, и медленно остывает.
• Низкая вязкость. Вода имеет низкую кинетическую вязкость 1,006 м.кв./с.(10-6) при температуре 20º С, с увеличением вязкость падает и при рабочей температуре котла около 70 С. данный показатель имеет значение около 0,4 м.кв./с.(10-6). Это означает, что вода меньше поддается сопротивлению при движении во время проталкивания ее в систему рабочим колесом электронасоса.
• Низкий коэффициент объемного расширения. При нагреве вода незначительно увеличивается в объеме, по сравнению с нулевой температурой при 80 градусах ее объем увеличивается на 2,8%.
• Экологичность. Применение воды безвредно для здоровья, при аварийных утечках она не нанесет ущерба здоровью человека.
• Нейтральность. Вода химически нейтральна по отношению ко всем синтетическим материалам, она не оказывает вредного воздействия на широко используемые в настоящее время трубопроводы из сшитого полиэтилена (металлопластик), применяемые для систем отопления.

Рис. 5 Физические свойства воды

К недостаткам относятся следующие свойства воды:

• Высокая температура замерзания. Это основной недостаток, не позволяющий эксплуатировать систему отопления дома зимой в отключенном состоянии.
• Коррозионное воздействие на сталь. Использование воды не позволяет применять в качестве материала трубопроводов дешевую сталь длительное время, приходится эксплуатировать трубы из более дорогих материалов и сантехническую арматуру из цветных или нержавеющих сплавов.
• Накипь. При повышении температуры, соли, содержащиеся в воде, оседают на трубах, в радиаторах и сантехнических приборах — это приводит к уменьшению сечения рабочего канала и нарушению работы запорной и регулирующей арматуры.

Что такое антифриз и его виды

Антифризами называется класс жидкостей, не поддающихся кристаллизации при низких температурах, их основное назначение — охлаждение автомобильных двигателей и работа в низкотемпературных установках.

Известны два основных вида антифризов: пропиленгликоль и этиленгликоль (также в продаже есть составы на основе глицерина), они обладают разными химическими и физическими свойствами и сферами применения.

Использование незамерзающей жидкости в отопительных системах оправдано в тех случаях, если хозяева индивидуальных домов отсутствуют в них зимой некоторое время — при возникновении экстренной ситуации (поломки, отключение электроэнергии) может произойти размораживание отопительной системы. Как только температура воды в трубах упадет до нуля градусов, произойдет ее замерзание и расширение на 10%, связанное с меньшей плотностью льда по сравнению с водой на аналогичную величину. При этом придется менять весь трубопровод, полностью заполненный водой, радиаторы отопления и нагревательный котел — убытки будут огромны.

Рис. 6 Физические свойства гликолей и температуры замерзания антифризов

Плюсы использования антифриза

Помимо предотвращения размораживания трубопроводной системы применение антифризов имеет следующие преимущества:

• Температурный диапазон работы незамерзающих составов для отопительных систем, лежащий в диапазоне от -70º до +110º С обеспечивает сохранение трубопровода при любых существующих в природе низких температурах и эффективную работу в качестве теплоносителя.
• При температуре охлаждения гликолей ниже кристаллизации, они становятся желеобразными, незначительно расширяясь в объеме — это не приводит к размораживанию системы и выходу ее из строя. После оттаивания труб жидкость можно разморозить и использовать повторно без потери качества.
• Наличие специальных присадок (ингибиторы коррозии и другие) в составе гликолей предотвращают появление накипи, ржавчины, пены, завоздушивание, увеличивая тем самым срок службы системы.
• Использование красителей позволяет легко обнаружить протечки, а изменение цвета жидкости говорит о необходимости ее замены.

Минусы использования антифризов

Использование антифризов имеет следующие недостатки:

• При применении незамерзающих составов необходимо помнить, что этиленгликолевые антифризы ядовиты, смертельная доза для человека при приеме внутрь составляет 2 мг. на 1 килограмм массы тела. В связи с этим был разработан экологически чистый и абсолютно безопасный пропиленгликоль.
• Большой минус незамерзающих жидкостей — их слишком высокая цена, стандартная 20-литровая емкость этиленгликоля с предельной температурой — 65º С стоит в среднем около 30 у.е. Такую же стоимость имеет 20-литровая канистра пропиленгликоля с максимальной температурой -30º С — фактически это говорит о том, что пропиленгликолевый состав стоит в 2 раза дороже.
• Применение относительно недорогого ядовитого этиленгликоля невозможно в доме с открытым расширительным баком.
• Незамерзающие жидкости имеют ограниченный срок службы, в среднем он составляет 5 лет или 10 отопительных сезонов, после чего жидкость необходимо сливать, промывать трубопровод и заливать новый состав, а при использовании ядовитого этиленгликоля придется дополнительно решать вопрос о его утилизации. Данная процедура приводит к существенным финансовым затратам и потерям времени.

Рис. 7 Влияние процентного содержания этиленгликоля в растворе на температуру его кристаллизации

• Применение некачественного антифриза или использование его после истечения срока службы может стать причиной повреждения водопроводной арматуры, засорения труб и фитингов — в интернете есть немалое количество подобных примеров.
• Один из критических недостатков применения незамерзающих составов заключается в том, что многие производители котлов отказывают потребителю в их в дальнейшем гарантийном обслуживании после заливки в систему антифриза.
• При использовании гликолей придется устанавливать более мощный циркуляционный насос, пропиленгликоль потребует увеличения его напора на 10% и производительности на 60%, аналогично понадобится более объемный расширительный бак.
• Не рекомендуется использовать пропиленгликолевые составы в электролизных котлах (Галан) и отопительных системах с оцинкованными трубами.

Сравнение антифриза с водой

Используемые в системах обогрева незамерзающие составы уступают воде по всем параметрам:

• Имеют на 10% меньшую теплопроводность — это говорит о том, что для передачи одинакового с водой количества тепла скорость их движения по трубам должна быть больше на 10%.
• Вязкость некоторых антифризов в 5 -10 раз превышает аналогичный показатель воды, поэтому насосу понадобится приложить больше кинетической энергии (возрастут затраты электроэнергии) для продвижения жидкости по трубам.
• Антифризы обладают высокой текучестью, то есть будут проникать через мелкие щели, в которых ранее задерживалась вода — это может привести к дополнительным протечкам, данный недостаток устраняют применением высококачественных соединений и уплотнителей (паронитовые или тефлоновые прокладки).
• Коэффициент теплового расширения этиленгликоля в 1,5 раза больше, чем у воды, то есть при температуре + 80º С он может достигать 4,5% от общего объема и в некоторых случаях понадобится установка расширительного бака больших размеров.

Рис. 8 Сравнение характеристик антифриза и воды

Основные виды антифризов и их свойства

Антифризы применяют для того, чтобы не разморозилась отопительная система, их основные виды — водные пропиленгликолевые и этиленгликолевые растворы, порог замерзания которых зависит от соотношения гликоля и воды.

Состав антифризов

Низкозамерзающие жидкости состоят из активного вещества (антифриз 60 — 65%) дистиллированный или деионизированной воды (около 30 — 35% от общего объема) и 3 — 4% специальных присадок (ингибиторов коррозии), которые поставляются крупными зарубежными химическими концернами (BASF). Иногда производитель поставляет на рынок дешевые низкозамерзающие жидкости, в состав которых входит диэтиленгликоль, обладающий низкой химической стабильностью и соответственно малым сроком службы.

Этиленгликолевый антифриз — когда стоит выбрать

На рынок поставляются две основные разновидности этиленгликолевой незамерзающей жидкости (красный цвет), температура кристаллизации которых составляет -30 и -65º С, несмотря на токсичность использовать его можно без сильных опасений в закрытых отопительных системах. Большой угрозы в закрытом контуре он здоровью детей и животных не представляет, в отличие от лекарственных препаратов и бытовой химии, находящихся дома в доступных местах.

Этиленгликоль вреден только при попадании внутрь организма (детей может привлечь его сладкий вкус), долгое вдыхание его паров вызывает кратковременное расстройство здоровья, при попадании на кожу рук в случае ликвидации протечки или прорыва трубопровода нужно будет их просто промыть водой.

Рис. 9 Сравнение температуры замерзания антифризов

Пропиленгликолевый антифриз когда стоит выбрать

Положительные качества пропиленгликоля — малый коэффициент теплового расширения и абсолютная безвредность для человека (он является пищевой добавкой), поэтому использовать его можно в контурах с открытыми расширительными баками. На рынок поставляется пропиленгликолевый состав зеленого цвета (в название часто добавляют ЭКО) с температурой замерзания до -30º С, для получения стандартной температуры замерзания в пределах 20 градусов его следует разбавить водой приблизительно на 40%. К недостаткам относят низкую теплопроводность (на 30% меньше, чем у воды), поэтому при использовании низкотемпературной жидкости производительность насоса придется повышать.

Триэтиленгликолевый антифриз — когда стоит выбрать

Основное отличие триэтиленгликоля от других теплоносителей — способность выдерживать рабочую температуру до 170 — 180º С, и высокая вязкость (в 2 раза больше этиленгликоля), что делает проблематичным его использование в качестве антифриза в высоких концентрациях. Триэтиленгликоль используют в качестве добавок в смеси с другими незамерзающими жидкостями в антифризных составах для повышения верхнего температурного порога.

Плюсы использования антифризов с присадками

Отличительные особенности антифриза различных производителей — наличие присадок разного химического состава и назначения, в большинстве случаев они предназначены для борьбы с ржавчиной в металлических трубах и содержат ингибиторы коррозии. При использовании незамерзающих жидкостей в системах со стальными трубами и элементами отопительной системы, чугунными радиаторами польза от таких присадок несомненна — они замедляют коррозионные процессы в 100 раз.

При применении незамерзающей жидкости в современных пластиковых трубах и алюминиевых радиаторах антикоррозионные присадки бесполезны (за исключением веществ, растворяющих накипь) и не оказывают положительного влияния на работу системы.

Рис. 10 Объем теплоносителя, который заливают в трубы для отопления

Расчет жидкости в системе отопления

Определить объем жидкости можно двумя способами: путем расчетов и экспериментов, в последнем случае магистраль заполняют водой и затем ее сливают, измеряя полученное количество ведрами или другими емкостями с известными параметрами.

Для расчета по формулам складывают объемы следующих составляющих (кроме расширительного бака):

• V(объем) = V(труб) + V(радиаторов) + V(котла)

Для расчета объема жидкости в трубах используется следующее уравнение:

• V(объем) = S(площадь сечения трубы) х L(длина трубы)

Площадь сечения можно вычислить вручную по формуле площади круга:

• S = 3,14(число пи) х R2(радиус в квадрате)

или определить по таблицам объема жидкости в одном погонном метре трубы заданного внутреннего диаметра (Рис. 10) – такой вариант намного проще и точнее.

Объем воды в радиаторах обычно указывается в паспорте, при его утере можно воспользоваться таблицами с указанием данных для одной секции батарей различного образца и материала изготовления (рис. 11), параметры котла берут из паспортных данных.

Рис. 11 Таблица расчета объема радиаторов

Объем расширительного бака берут не менее 10% от общего объема системы — этого должно хватить для любого теплоносителя, наибольший коэффициент теплового расширения имеет этиленгликоль, и данный показатель не превышает 5% при температуре до 80º С.

Что залить в систему отопления частного дома — выбор производителя антифриза

При покупке антифризов следует выбирать составы от отечественного производителя — их стоимость значительно ниже импортных при одинаковых показателях (многие жидкости изготавливаются на основе импортного фармакологического пропиленгликоля, отсюда их высокая стоимость).

Наиболее известными поставщиками своей продукцией считаются фирмы Форвард групп (торговые марки Dixis, Теплый дом), ВинтХим (марка Hot Blood), Primoclima, Обнинскоргсинтез (марки Thermagent, Sintec, Sintoil), при выборе товара сложно отдать предпочтение какому-либо производителю — все гликоли имеют практически одинаковый состав, приблизительно равную стоимость и высокий срок службы в 5 лет.

Рис. 12 Популярные марки гликолей

Как самостоятельно приготовить антифриз

Единственным приемлемым вариантом самостоятельного изготовления антифриза является использование 40% спиртового раствора с достаточно низкой температурой замерзания (около -28,9º С).

Если рассматривать затраты на изготовление данной смеси, то стоимость 5-литровой канистры 95% этилового спирта составляет около 20 у.е., 20-литровая емкость будет стоить 80 у.е., а 40% раствор такого же объема обойдется потребителю в 33,7 у.е. — это близко к цене пропиленгликоля, который заливается как теплоноситель.

Если вместо высококачественного этилового спирта использовать денатурат (метанол не стоит рассматривать — он очень ядовит), то по затратам можно получить стоимость относительно недорогого этиленгликоля.

Применение самостоятельного приготовленного спиртового раствора в качестве теплоносителя имеет неоспоримые преимущества по сравнению с составами промышленного изготовления, основные из них:

• Длительное использование. Через 10 лет, если не раньше, антифриз придется сливать и заливать в систему новый состав. Спиртовой раствор в закрытой системе можно использовать очень долгое время — это уменьшение затрат минимум в 2 раза.
• Экономия электроэнергии. Спиртосодержащий раствор имеет значительно меньшую вязкость, чем незамерзающие жидкости, поэтому электронасос будет работать в таком же режиме, как и при использовании воды.
• Водно-спиртовой раствор имеет аналогичное с водой поверхностное натяжение — это уменьшает риск протечек в отличие от незамерзающих жидкостей.
• Если воду со спиртом сравнивать с промышленным антифризом, то состав оказывает полезное влияние на трубопроводную магистраль, растворяя накипь и препятствуя коррозии.
• Проверить качество теплоносителя в отличие от антифризов намного проще — для этого понадобится простейший спиртометр. А при понижении процентного содержания спирта его легко повысить доливанием основного компонента и использовать раствор дальше.
• У производителя будет слишком мало оснований отказать в гарантийном обслуживании котла при применении данного раствора.
• Некачественные антифризы засоряют систему осадком и даже способны повредить сантехническую арматуру, вызывая ее ускоренную коррозию продуктами распада — с водно-спиртовым раствором этого можно избежать.

Рис. 13 Характеристики некоторых марок гликолей

Как заливать незамерзающую жидкость в систему отопления самостоятельно

Перед применением состава, его разводят водой для получения необходимой точки замерзания. При использовании пропиленгликолей оптимальным считается раствор с температурой кристаллизации -25º С для котлов на жидком и твердом топливе, при применении нагревателей газового или электрического типа, выбирают нижний температурный порог — 20º С.

При использовании полипропиленгликолевого состава с температурой -30º С, для получения необходимых температурных значений обычно добавляют 10% и 20% воды (для температур -25º С и -20º С соответственно). Если используют растворы этиленгликоля с предельной температурой в -30º или -65º С, то количество добавленной воды рассчитывают с учетом процентного содержания гликолей для разных температур по таблицам (Рис. 7).

К примеру, если мы имеем состав объемом 20 л. с температурой кристаллизации -30º С с 46% содержанием гликоля, то для получения жидкости с температурой замерзания -20º С. необходима его 36% концентрация, умножаем 20 на 46, делим на 36 и получаем искомое значение 25,55.

Для получения состава с температурой кристаллизации -20º С. необходимо долить 5,5 литра воды — для разбавления используют умягченную или дистиллированную воду.

Рис. 14 Плотность этиленгликоля в зависимости от температуры

При самостоятельной заливке жидкости в систему поступают следующим образом:

• Сливают теплоноситель через кран опорожнения и заполнения, расположенный в области водонагревательного котла, также минимум один раз промывают систему.
• Это делают с помощью электронасоса любого типа (можно использовать недорогие вибрационные модели Малыш). Промывают трубопровод и элементы отопительной системы, подавая в магистраль воду из емкости под давлением около 2 бар.
• После наполнения магистрали прекращает подачу воды, перекрывают кран подачи и включают котел на некоторое время (от одного часа) до нагрева воды. Не обязательно производить нагревание до 80 градусов, следует лишь добиться чистого состояния грязевого фильтра, который до и в процессе промывания периодически очищают. Промывку магистрали считают законченной, если в течение 30 минут работы на фильтре не появится грязь.
• По завершении промывочной процедуры сливают воду, и приступают к заполнению радиаторной системы. Для этого накачивают насосом (можно использовать ручные гидравлические насосы) глюколь до двух атмосфер и начинают стравливать воздух из радиаторов, при этом важно учесть, что работу следует начинать с нижних этажей.
• Воздух в радиаторах выпускают через краны Маевского, открывая их шлицевой отверткой или специальным сантехническим ключом до появления жидкости. При этом давление в магистрали немного падает, и его снова поднимают до необходимого порога подкачкой гликоля в систему.
• Процедуру стравливания и подкачки производят повторно, после чего теплоноситель нагревают до температуры приблизительно 65º С и проверяют радиаторы на нагрев с двух противоположных сторон. Если одна половина более холодная, значит воздух стравлен не полностью и процедуру необходимо повторить.
• Если при стравливании воздуха из радиатора идет пена (она образуется при прохождении гликоля через крыльчатку компрессионного насоса), оборудование и насос отключают, давая жидкости возможность отстояться.

Рис. 15 Как незамерзающую жидкость залить в систему

Решая, что залить в отопительную систему для предотвращения ее размораживания, можно прийти к выводу, что наилучшим вариантом является спиртовой 40% раствор, изготовленный самостоятельно. Его стоимость сопоставима с выпускаемыми промышленностью гликолями для теплоносителей, а совокупные физические характеристики состава (вязкость, теплоемкость, экологичность, срок службы и другие) на порядок выше широко разрекламированных незамерзаек.