Гравитационная система отопления

Принцип работы гравитационной системы отопления частного дома

Гравитационная система отопления частного дома основана на двух физических принципах. Первый заключается в том, что вещества при разных температурах имеют разную плотность. Второй заключается в том, что давление в системе создается из-за разницы уровней нахождения жидкости, и чем больше разница между верхней и нижней точки, тем выше давление в системе.

Первый принцип гравитационной системы отопления выражается в том, что при нагревании жидкого теплоносителя, и это не обязательно должна быть вода, он меняет свою плотность. Вода в обычном состоянии при температуре 20 градусов имеет плотность большую, чем нагретая до 45 градусов, при нагреве до 80 градусов разница будет такова, что потребуется дополнительный объем для воды. В таком случае теплоноситель одной и той же массы будет занимать разный объем, из-за чего он начинает расширяться и вытесняться за пределы теплообменника. В замкнутом пространстве после начала движения нагретого теплоносителя его место занимает охлажденный теплоноситель. Так под действием нагрева возникает поток, и гравитационная система отопления начинает работать.

Второй принцип работы этой схемы начинает работать с того момента, как только теплоноситель начинает движение. По мере нагрева, у воды или антифриза скорость движения увеличивается, поскольку температура растет быстро и расширение объема заставляет вытеснять жидкость за пределы водяной рубашки котла с большей скоростью. Покидая объем котла, жидкость вырывается по вертикальной трубе к расширительному баку. Достигнув уровня ответвления, жидкость заполняет объем трубы и по петле напора устремляется к трубопроводам ведущим к радиаторам отопления, создавая необходимое давление. Учитывая разницу высот между точкой попадания жидкости в петлю напора и нижней точкой слива создавшееся давление дополнительно воздействует на холодный теплоноситель.

Постепенно прогреваясь, система уменьшает разницу температур между холодным и горячим теплоносителем, и таким образом, скорость движения жидкости в системе увеличивается до максимальной и даже может достигнуть 1 метра в секунду.

Выбор труб

Необходимый размер профиля для трубопровода называют по завершении проектирования системы – это задача мастера. Владелец дома, в свою очередь, может выбрать трубы для монтажа. Вариант всегда может порекомендовать специалист по проектированию, но нужно понимать, какие параметры имеет тот или иной материал, как он повлияет на работу отопления. Для гравитационного обогрева используют следующие варианты:

• профиль из нержавеющей стали;
• полипропилен;
• медь.

Полипропиленовая труба считается лучшим выбором. Материал мало весит, прост в монтаже и не поддается коррозии. Последнее свойство особенно важно, поскольку материал будет в постоянном контакте с жидкостью. Полипропилен имеет отличную шумоизоляцию. Обычно течение воды не сопровождается громкими звуками, но благодаря свойствам материала работа системы будет проходить абсолютно беззвучно.

Основной момент при монтаже полипропиленового трубопровода – максимальная температура, которую выдерживает выбранная труба. Сопротивляться температурной деформации полипропиленовому трубопроводу помогает армирующее покрытие. Это защитный слой, нейтрализующий воздействие горячей воды на материал.

Часть трубопровода, по которой вода возвращается в котел рекомендовано монтировать из стали. Этот металл ускоряет охлаждение жидкости и снижает гидравлическое сопротивление во время работы отопительной системы.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:

• При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
• Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
• При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

Преимуществ у данного решения несколько:

1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
2. Экономятся средства на монтаж системы.

Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования ).

Двухтрубная система с самоциркуляцией

Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:

1. Подача и обратка проходят по разным трубам.
2. Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
3. Второй подводкой батарея подключается к обратке.

В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:

1. Равномерное распределение тепла.
2. Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
3. Проще выполнить регулировку системы.
4. Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
5. Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.

Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.

Монтажная схема

На рисунке представлена упрощенная схема монтажа самотечной системы отопления частного дома.

Основными элементами являются:

• котел отопления;
• приборы нагревания (радиаторы);
• трубы;
• компенсационный (расширительный) бак.

В реальности она должна выглядеть примерно так. Котел устанавливается в самой нижней точке дома на заранее спроектированном месте. От него выводится стояк на самую верхнюю точку. Лучше, если она будет на чердаке. Разгонный стояк должен соединяться с компенсационным или расширительным баком.

Если бак открытого исполнения, то на нем устанавливают переливную трубу, которая выводится как можно ближе к канализационной системе. Когда бак делают закрытым, то его можно располагать в котельной на обратке (В таком исполнении ставится предохранительный клапан сброса). На бак открытого исполнения необходимо устанавливать автовоздушник и от него сделать отпуск. К отпуску приваривается розлив системы.

Все, остов, костяк системы, готов. Осталось подсоединить трубы, радиаторы отопления и готово. Греемся, но, как говорится, «гладко было на бумаге…».

[warning]Важно знать: монтаж котла должен быть обязательно ниже уровня радиаторов.[/warning]

Монтаж

Для увеличения нажмите

При остановке выбора на гравитационной системе отопления в первую очередь необходимо ее спроектировать. Пожалуй, это единственный момент, когда своими руками ничего невозможно сделать.

Эту часть работы необходимо поручить специалистам-теплотехникам. А чтобы система имела эстетический вид, к проектированию желательно привлечь еще и дизайнера. Когда их работа будет выполнена, расчеты произведены, схемы нарисованы, можно приступать непосредственно к монтажу.

Для начала нужно выбрать трубы для отопления. Диаметры и длина уже известны из проекта, осталось выбрать материал. Предпочтение лучше отдать трубам из полипропилена . Положительных сторон у них очень много. Это и малый вес, простота соединения, высокая антикоррозийная устойчивость, высокая шумоизоляция, устойчивость к размораживанию.

Все перечисленные параметры идеально подходят для ГСО. Остальные приборы отопления приобретаются, исходя из возможностей и предпочтения, по показателям, не выходя за рамки проекта.

При монтаже системы предпочтение отдается двухтрубным системам отопления. Это значит, что при монтаже необходимо делать два трубопровода – подающий и обратный.

В этом случае подающая магистраль (с горячей водой) размещается под потолком, а обратная на полу или в подвале.

Если необходимо сделать теплый пол, то придется делать коллекторную врезку. В этом случае каждый контур системы можно запитать через свой регулятор температуры, что создаст дополнительные удобства, но и несколько усложнит систему в целом. Подающий коллектор устраивается в самой верхней точке, желательно на чердаке. При этом нужно не забыть о его утеплении, кстати, как и всего чердака.

Теперь можно приступать к монтажу системы. Начинать нужно с котла подогрева воды. Выдерживая вертикальность как можно точнее, от него выводится на верх труба, которая соединяется с компенсационным баком. Сразу же ее нужно хорошо теплоизолировать. В нижней трети бака врезается труба горячего контура. Ее соединяют с разводкой.

В самом верху бака необходимо врезать переливную трубу, сообщающуюся с канализацией. По ней будут уходить излишки воды в системе.

Далее необходимо проложить трубопровод к приборам обогрева (радиаторам). После выполнения этих работ можно заняться прокладкой обратки – магистрали, по которой уже холодная вода будет возвращаться в котел. Когда все соединения будут завершены, в систему можно заливать воду. При отсутствии подтекания воды из мест соединения, система запускается в работу.

Такая система отопления без труда справляется с обогревом небольшого двухэтажного коттеджа со всеми бытовыми помещениями. Таким образом, из всех типов системы предпочтение желательно отдать двухтрубной.

[advice]Замечание мастера: подающий и обратный трубопроводы монтируются с обязательным уклоном по ходу движения воды. Уклон 5-10 мм на 1 м трубы.[/advice]

Дополнения для повышения эффективности системы

Отопительная установка может работать лучше, если в проект будут внесены усовершенствования. Данные меры оптимизируют систему, увеличивают КПД и сглаживают недостатки, которые могут сказаться на качестве функционирования. Можно предложить следующие дополнения:

1. Монтаж обратного капкана, который блокирует случайное движение жидкости не в том направлении.
2. Монтирование циркуляционного насоса. Установка этого дополнения снижает инерционность гравитационной системы. В случае превышения времени, отведенного на нагрев, данное улучшение увеличивает скорость протекания воды. В результате жидкость нагревается до необходимого уровня.
3. Уклон магистрали. Позволяет получить оптимальный уровень давления в ходе работы системы.

Гравитационное отопление в базовой комплектации будет работать и без дополнительных мер, но монтаж вспомогательных элементов значительно повысит эффективность и снизит вероятность поломок. Для внесения изменений, их заранее обговаривают с теплотехником, ответственным за проект.

Рекомендации по установке

Уклон труб в гравитационной системе отопления

Выполнив расчет для гравитационной системы отопления, изготовленной из полипропилена или стальных труб, можно приступать к ее установке. Для достижения оптимального КПД специалисты рекомендуют сделать небольшие, но важные правки в стандартную схему:

• Уклон магистралей. Оптимальное гравитационное давление для системы отопления может быть достигнуто уклоном труб после воздухоотводчика и на обратной магистрали за последним прибором отопления;
• Установка циркуляционного насоса на байпасе. Он будет способствовать уменьшению инерционности системы. Время нагрева теплоносителя может быть очень долгим, поэтому насос может увеличить скорость его продвижения по магистрали до достижения нужного температурного режима;
• Минимум поворотных узлов в трубопроводе. Они создают лишнее гидравлическое сопротивление, которое сказывается на уменьшении скорости движения воды;
• Монтаж защитных элементов. Установив обратный клапан для гравитационного отопления, можно избежать циркуляции воды в неправильном направлении. В особенности это необходимо для системы с верхней разводкой и несколькими контурами.

Главными составляющими правильно сделанного гравитационного отопления под давлением являются профессионально сделанный предварительный расчет, выбор правильных материалов и следование технологии установки. Это даст возможность создать эффективную систему поддержания комфортной температуры в доме.

Советы по обустройству и применению гравитационного клапана для отопления при установке теплого пола, дополнительных элементов, можно посмотреть в видео:

Отличия в работе твердотопливного котла

Сердцем любой отопительной системы является котел. Несмотря на то что можно устанавливать одинаковые модели, работа с разным типом отопления будет отличаться. Для нормальной работы котла температура водяной рубашки должна быть не ниже 55 °C. Если температура будет ниже, то в этом случае котел внутри будет покрываться дегтем и сажей, в результате чего КПД его будет снижаться. Его нужно будет постоянно очищать.

Чтобы этого не происходило, в закрытой системе на выходе из котла устанавливается трехходовой клапан, который гоняет теплоноситель по малому кругу, минуя отопительные приборы, до тех пор, пока не нагреется котел. Если температура начинает превышать 55 °C, то в этом случае клапан открывается, и начинается подмес воды в большой круг.

Трехходовой клапан для гравитационной системы отопления не требуется. Дело в том, что здесь циркуляция происходит не за счет насоса, а за счет нагрева воды, и пока она не нагреется до высокой температуры, движение не начинается. Топка котла в данном случае остается постоянно чистой. Трехходовой клапан не требуется, что удешевляет и упрощает систему и добавляет плюсов к ее достоинствам.

Безопасность отопления

Как упоминалось выше, давление в закрытой системе больше, чем в гравитационной. Поэтому в них применяется разный подход к обеспечению безопасности. В закрытом отоплении расширение теплоносителя компенсируется в расширительном баке с мембраной.

Он полностью герметичен и имеет регулировку. После превышения предельно допустимого давления в системе излишки теплоносителя, преодолевая сопротивление мембраны, уходят в бак.

Гравитационное отопление называется открытым по причине негерметичного расширительного бачка. Можно установить бак мембранного типа и сделать закрытую гравитационную систему отопления, но ее эффективность будет гораздо ниже, потому что повысится гидравлическое сопротивление.

Объем расширительного бака зависит от количества воды. Для расчета берется ее объем и умножается на коэффициент расширения, который зависит от температуры. К полученному результату добавляют 30 %.

Коэффициент выбирается согласно максимальной температуре, которую достигает вода.

Воздушные пробки и как с ними бороться

Для нормальной работы отопления необходимо, чтобы система была полностью заполнена теплоносителем. Присутствие воздуха категорически не допускается. Он может создать пробку, препятствующую прохождению воды. В этом случае температура водяной рубашки котла будет сильно отличаться от температуры отопительных приборов. Для удаления воздуха монтируются воздушные клапаны, краны Маевского. Они устанавливаются в верху отопительных приборов, а также на верхних участках системы.

Однако если гравитационное отопление имеет правильные уклоны подающих и отводящих труб, то никаких клапанов не требуется. Воздух в наклонном трубопроводе будет беспрепятственно подниматься к верхней точке системы, а там, как известно, находится открытый расширительный бак. Это также добавляет преимущество открытому отоплению, сокращая количество ненужных элементов.

Можно ли монтировать систему из полипропиленовых труб

Люди, делающие отопление самостоятельно, часто задумываются о том, можно ли сделать гравитационную систему отопления из полипропилена. Ведь пластиковые трубы монтировать легче. Здесь нет дорогих сварочных работ и стальных труб, а полипропилен может выдерживать высокие температуры. Можно ответить, что такое отопление будет работать. По крайней мере какое-то время. Затем эффективность начнет снижаться. В чем причина? Дело в уклонах подающей и отводящей труб, которые обеспечивают самотек воды.

Полипропилен имеет большее линейное расширение, нежели стальная труба. После многократных циклов нагревания горячей водой пластиковые трубы начнут провисать, нарушая необходимый уклон. В результате этого скорость потока если не прекратится, то значительно снизится, и придется задумываться об установке циркуляционного насоса.

Сложности установки гравитационной системы в двухэтажном доме

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

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

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

Преимущества и недостатки ГСО

Гравитационная система отопления становится все более востребованной при отоплении небольших одно-двухэтажных загородных домов.

Широкое распространение она получила, благодаря ряду преимуществ, присущих только ей.

В первую очередь к ним относятся:

• высокая экономичность;
• надежность работы;
• простота обслуживания и ремонта.

Экономия от такой системы отопления бросается в глаза еще на подготовительном этапе. В системе нет подкачивающих насосов. Экономия на покупке насосов и электроэнергии, которую они расходуют, налицо. Сама система очень простая по устройству, значит дорогостоящие ремонты обойдут ее стороной. Эти два аспекта уже дадут значительную экономию.

Гравитационная система отопления способна работать без поломок в течение 40-50 лет. Это обуславливается тем, что в ней нет вибрации от насосов, и долговечностью материалов, которые в ней используются. Аккуратное, бережное отношение и своевременное обслуживание могут увеличить эти цифры.

К недостаткам этой системы отопления, пожалуй, можно отнести затраты на топливо (газ, уголь, дрова). К сожалению, совсем бесплатным может стать только костер в лесу.

Отопительные системы с естественной циркуляцией устанавливаются в небольших 1-2 этажных домах. Длина труб по горизонту должна быть не более 30 метров, иначе функционирование системы может прекратиться. Это связано с низким циркуляционным давлением. При установке подпитывающего насоса длина труб может быть намного увеличена.

Выбирая схему отопления частного дома, необходимо получить развернутую консультацию по этому вопросу у специалистов-теплотехников. В противном случае появится возможность вложить деньги, смонтировать систему отопления, но при этом ожидаемого комфорта можно не получить.

Смотрите полезное видео, в котором специалист разъясняет особенности расчета гравитационной системы отопления:

Движение охлажденного теплоносителя

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

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

Расположение радиаторов

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

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

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

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

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

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

Получившееся циркуляционного давления достаточно для работоспособности приведенной системы.

Гравитационное отопление — замена воды на антифриз

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

Использование открытого расширительного бака

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

Использование циркуляционного насоса в гравитационном отоплении

В разговоре с одним монтажником я услышал, что насос, установленный на байпасе главного стояка, не может создать эффект циркуляции, так как установка запорной арматуры на главном стояке между котлом и расширительным баком запрещена.
Поэтому можно поставить насос на байпасе обратной линии, а между врезками насоса установить шаровой кран. Такое решение не очень удобно, так как каждый раз перед включением насоса надо не забыть перекрыть кран, а после выключения насоса – открыть. При этом установка обратного клапана невозможна из-за его значительного гидравлического сопротивления. Чтобы выйти из этого положения, мастера пытаются переделать обратный клапан в нормально открытый.

Такие «модернизированные» клапаны создадут в системе звуковые эффекты из-за постоянного «хлюпанья» с периодом, пропорциональным скорости теплоносителя. Могу предложить другое решение. На главном стояке между врезками байпаса устанавливается поплавковый обратный клапан для гравитационных систем. Поплавок клапана в режиме естественной циркуляции открыт и не мешает движению теплоносителя. При включении насоса на байпасе клапан перекрывает главный стояк, направляя весь поток через байпас с насосом.

В этой статье я рассмотрел далеко не все заблуждения, существующие у специалистов, монтирующих гравитационное отопление. Если статья вам понравилась, готов продолжить ее ответами на ваши вопросы.

Заключение

Эта статья, конечно же, не претендует на полноту освещения вопроса и призвана дать читателю только начальные знания о гравитационных системах отопления. Поэтому прошу не судить строго. Главным преимуществом такого отопления является его независимость от работы насосов и долговечность системы. Ее наиболее удобно применять в глухих уголках нашей страны, где могут возникать долгие перебои с электроэнергией. Главный недостаток ГСО — высока начальная стоимость материалов и сложности монтажа. Но долгий срок ее службы вполне все окупает. На этом пока все, жду ваших вопросов в комментариях! Не забываем делиться статьей через социальные сети.