Двухтрубная система отопления с верхней разводкой
Вода из котла поднимается вверх по подающему трубопроводу и далее поступает по стоякам и подводкам в нагревательные приборы (рис. 3). Горизонтальные магистрали прокладываются с уклоном 0,002–0,003. От нагревательных приборов вода по обратным подводкам и стоякам поступает в обратный трубопровод и из него в котел. Каждый прибор данной системы отопления обслуживается двумя трубопроводами — подающим и обратным, поэтому такая система называется двухтрубной. Подпитку воды в систему осуществляют от водопровода, а если такового не имеется, то воду заливают вручную через отверстие расширительного бака. Подпитку отопительной системы из водопровода лучше делать в обратку: холодная вода из водопровода смешивается с относительно горячей водой обратки и повышает ее плотность, увеличивая циркуляционный напор на время подпитки.
рис. 3. Схема двухтрубной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя
Для улучшения циркуляции теплоносителя главный стояк (от котла до расширителя) желательно утеплить, чтобы он не остывал, доставляя воду к боковым ответвлениям. Расширительный бачок делают в двух вариантах: простом, без циркуляции воды и более сложном — с циркуляцией.
Простой вариант расширительного бачка представляет собой емкость с вваренными (или ввернутыми на резиновых прокладках) в него двумя трубами. Одна труба, это стояк подачи системы отопления, другая — труба, сигнализирующая о заполнении бачка водой. Место соединения стояка с бачком не имеет принципиального значения, труба может быть введена в бачок как в днище, так и в боковую стенку. Главное, чтобы она была введена как можно ниже, для того чтобы полностью использовать объем расширительного бачка. Сигнальная труба вводится в бачок сбоку, в 100 мм от верха: вода при запитывании системы займет объем бачка и начнет переливаться в эту трубу, сигнализируя о заполнении системы. В процессе эксплуатации нагретая вода будет расширяться в объеме и стекать через сигнальную трубу. В конечном итоге, при самом большом нагреве система «выплюнет» в трубу расширившийся объем воды и произойдет саморегулирование уровня воды в бачке. При дальнейших увеличениях и уменьшениях объема уровень воды в бачке будет меняться, но перелива ее в сигнальную трубу не будет. У такой конструкции расширителя два недостатка: первый, периодически, примерно раз в полгода нужно визуально проверять наличие воды в расширителе и, второй, бачок нужно очень хорошо утеплять, вода в нем остывает и при сильных морозах может замерзнуть. Однако эти недостатки с лихвой оправдываются простотой системы и к ним очень быстро привыкаешь: утеплить бачок нужно всего лишь один раз, а к расходу системой воды приноравливаешься буквально через год эксплуатации и уже знаешь, когда нужно долить воду — раз в полгода или раз в год. Обычно уровень проверяют и доливают воду перед началом отопительного сезона и забывают о нем до начала следующего сезона.
В деревенских домах, переведенных на отопление от котлов, но не имеющих водопровода и канализации, эту простую конструкцию бачка еще более упрощают — не ставят в нее сигнальную трубу. Очень хороший бачок получается из старой молочной фляги, имеющей подходящий объем и крышку, с которой снимают уплотнитель. Закрытая или прикрытая крышка пропускает воздух и препятствует проникновению в бачок мусора, в изобилии имеющегося на чердаке, а доливая воду, нужно просто поднять крышку. Систему заливают ведрами или из шланга, а уровень воды контролируют визуально. Бачок в этом случае заполняют на одну треть или половину высоты, оставляя свободный объем на расширение воды. Если воды залили много, система отопления вытолкнет ее через верх бачка (бачок-то открытый), в результате протечет перекрытие и хозяин дома уже никогда не зальет воды в бачок больше, чем нужно — своего рода тоже саморегуляция.
рис. 4. Схема гравитационного отопления с расширительным бачком сложной конструкции
В более сложные конструкции расширителей (рис. 4) вваривают (вкручивают) уже не две трубы, а четыре (можно, три). Две из них: подача и обратка обеспечивают циркуляцию воды в бачке, многократно снижая вероятность замерзания теплоносителя. А две другие: трубы перелива и контроля следят за уровнем наполнения бачка. При заполнении системы отопления водой (включении подпитки) на нижнем конце трубы контроля открывают кран, как только из нее польется вода, заполнение системы прекращают: труба просигнализировала, что система и бачок полны. Кран на контрольной трубе закрывают и не открывают до следующей подпитки системы. Труба перелива работает так же, как в простом расширителе, то есть при сильном скачке объема горячей воды она принимает излишек и сбрасывает его в канализацию. На трубе перелива никакой запорной арматуры (кранов) не ставится. Необходимо отметить, что несмотря на более высокий уровень автоматических процессов, в частном секторе такие расширители непопулярны. Уж очень много труб нужно тащить через весь дом для одноразовой (не чаще одного-двух раз в год) процедуры долива воды в трубопровод отопительной системы.
Системы отопления с естественной циркуляцией делают одно- и двухконтурными. В одноконтурных системах котел устанавливается в начале контура, а трубная разводка выполняется от него по левую или правую сторону, опоясывая по периметру весь дом или квартиру, при этом длина кольца по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше не более 20 м ). Чем длиннее кольцо, тем больше в нем гидравлические сопротивления (силы трения внутри трубы). При длине кольца более 30 м в системе попросту не хватает циркуляционного напора, чтобы это сопротивление преодолеть, он (напор) и 25 м осиливает с трудом. В двухконтурных системах — котел располагают в центре, а трубную разводку (контуры колец) в обе стороны от котла, общая длина труб каждого контура по горизонтали опять же не должна превышать 30 (20) м. Для обеспечения гидравлической балансировки системы длины колец двухконтурной системы и количество секций радиаторов должны быть примерно одинаковы (рис. 5).
рис. 5. Примеры двухтрубных систем отопления с естественной циркуляцией воды и верхней разводкой подающего трубопровода Примечание: схемы разводки трубопроводов, способы подключения радиаторов и диаметры труб, показанные на рисунке, приведены только в качестве иллюстрации, в реальных схемах отопления здесь возможны и другие решения
В зависимости от направления движения теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления могут быть тупиковыми и с попутным движением воды.
В тупиковых системах отопления движение горячей воды в подающей магистрали противоположно движению остывшей воды в обратной магистрали. В этой схеме длина циркуляционных колец неодинакова, чем дальше от котла расположен нагревательный прибор, тем больше протяженность циркуляционного кольца, и наоборот, чем ближе отопительный прибор расположен к главному стояку, тем меньше протяженность циркуляционного кольца.
В тупиковых системах добиться одинаковых сопротивлений в коротких и более отдаленных циркуляционных кольцах трудно, поэтому отопительные приборы, близко расположенные к главному стояку, будут прогреваться значительно лучше, чем отопительные приборы, удаленные от главного стояка. А когда ближайшие к главному стояку циркуляционные кольца имеют небольшую тепловую нагрузку (теплоотдачу в помещение), увязка циркуляционных колец становится еще более сложной.
В системах отопления с попутным движением воды все циркуляционные кольца имеют одинаковую протяженность, следовательно, стояки и нагревательные приборы работают в одинаковых условиях. В таких системах независимо от расположения нагревательного прибора по горизонтали в отношении главного стояка прогрев их будет одинаковый. Однако системы отопления с попутным движением воды применяют ограниченно, так как часто при проектировании реальных отопительных систем, учитывающих планировку дома, оказывается, что при монтаже потребуется большее количество труб, чем для тупиковых систем. Поэтому такие системы используют в тех случаях, когда в тупиковой системе невозможна увязка циркуляционных колец между собой.
Для того чтобы расширить применение тупиковых систем, сокращают протяженность магистралей и вместо одного контура большой протяженности делают два коротких контура или несколько. В таких случаях обеспечивается лучшая горизонтальная регулировка системы. Балансировку отопительных колец контура начинают еще на стадии проектирования системы отопления. Чтобы она работала равномерно, все кольца контура должны иметь примерно одинаковые гидравлические сопротивления, то есть кольцо, расположенное близко к главному стояку, должно иметь почти такое же сопротивление, как и кольцо, удаленное от главного стояка, а сумма гидравлических сопротивлений всех колец не должна превышать величины циркуляционного напора. Иначе теплоноситель в системе отопления встанет — такие системы называются «зажатыми».
Представим себе контур отопления в виде замкнутой автомагистрали (рис. 6), на которой одновременно стартуют шесть грузовичков, груженных теплоносителем, и проследим их передвижение при условии, что все шесть грузовичков двигаются с одинаковой скоростью и не могут ни отстать, ни обогнать друг друга. Задача, поставленная перед грузовичками: достигнуть радиатора отопления, разгрузиться и прибыть обратно к месту старта за новой порцией теплоносителя.
рис. 6. Иллюстрация движения теплоносителя по контуру отопительной системы
Очевидно, что для одновременного старта всех шести грузовичков нам нужно построить шестиполосную автодорогу, это будет главный стояк отопления, имеющий самый большой диаметр трубы. Предположим, что мы рассматриваем двухконтурную систему отопления, значит впереди на нашей автомагистрали появляется Т-образный перекресток (тройник — в системе отопления), грузовички разделяются на два потока: один поворачивают налево, другой — направо. При повороте грузовички, идущие ближе к центру, поворачивают по дальнему радиусу, проделывают больший путь и на выходе из поворота несколько отстают от грузовичка, повернувшего по ближнему радиусу. Произошли первые потери энергии. В системе отопления, правда, «повезло» больше тем молекулам воды, которые находятся ближе к центру трубы и «не цепляются» за его стенки, но аналогия с грузовичками очевидна. В тройнике происходят потери гидравлического давления.
Следим дальше. На Т-образный перекресток въехало шесть грузовичков, шесть должно с него и выехать (объем воды, вошедший в тройник, равен объему воды из него вышедшей — это аксиома). Для трех грузовичков, повернувших налево, нам уже больше не нужна шестиполосная магистраль, хватит и трех полос. Значит, сечение трубы можно смело уменьшить вполовину. Заметьте, уменьшаем в половину площадь сечения, а не диаметр, это все-таки разные величины. Итак, у нас осталось три грузовичка, едущие по трем полосам. Делаем шириной в одну полосу первое ответвление от магистрали к месту выгрузки теплоносителя (устанавливаем еще один тройник на трубопроводе отопления). Несущиеся грузовички влетают на вновь созданный перекресток, один из них замечает ответвление дороги и делает поворот, два других проезжают мимо, поскольку в ответвлении свободной была только одна полоса движения. Происходит вторая потеря давления в тройнике на повороте теплоносителя, «проходная» вода протекает прямой участок практически без потерь давления. На выходе из тройника сечения диаметров труб опять должны быть уменьшены, в данном случае в пропорциях 2 к 1, для двух и однополосного движения грузовичков. Грузовичок, свернувший в ответвление, почти у цели, он мчится прямо к месту выгрузки, два других продолжают движение по автомагистрали, им еще ехать и ехать.
Делаем еще одно ответвление дороги (устанавливаем тройник) и разделяем грузовички. Один пошел на выгрузку, другой продолжил движение по магистрали. Очевидно, что от этого перекрестка дорог достаточно каждому из грузовиков оставить по одной полосе движения, сделав сечение труб одинаковым. Дальнейшее разветвление дороги делать бессмысленно, последний грузовик свернет в ответвление к месту выгрузки. Дальше по магистрали ехать некому… Мощность теплового ресурса котла исчерпана, дальнейшее увеличение длины труб ни к чему не приводит.
Однако вернемся к грузовичку, свернувшим первым, он давно выгрузился (отдал тепло) и спешит обратно к месту загрузки, а в это время второй грузовик только подъезжает к месту выгрузки, а третий еще на магистрали. Налицо разбалансированность системы отопления. Пока третий грузовичок доедет до места выгрузки, первый успеет сделать еще один круг и привезти еще одну порцию теплоносителя. Значит, необходимо задержать первый грузовик: покрыть дорогу ухабами (уменьшить сечение трубы) или поставить на его пути регулировщика (регулятор количественного изменения объема проходящего теплоносителя, а попросту — вентиль). Пусть регулировщик его остановит и заставит выгружать теплоноситель не самосвалом, а лопатой. Такого же контролера поставим и на пути второго грузовика, пока они будут возиться с выгрузкой, третий грузовик доберется до своего места и разгрузится самосвалом. В системах с попутным движением воды, можно обойтись без регулировщика, поскольку длина всех циркуляционных колец равна.
В результате уменьшения диаметров труб, подходящих к радиаторам, или установки на них вентилей (ручных или автоматических терморегуляторов) можно добиться того, что все три грузовика, путешествующие по этому контуру, одновременно приедут к месту соединения с тремя другими грузовиками, приехавшими из другого контура. Здесь они опять соединяются в один поток на шестиполосной магистрали и следуют к месту загрузки и нового старта. Такую систему можно назвать сбалансированной.
Балансировку системы с помощью вентилей производят после запуска системы отопления, поочередно проходят каждую комнату, замеряют температуру нагрева воздуха и прикрывают вентили перед радиаторами. Процедуру нужно неоднократно повторять, пока не выровняется тепловой баланс. Если применить термостатические вентили, то процесс упрощается: на рукоятке вентиля устанавливается требуемая температура воздуха и он автоматически закрывает или открывает подачу теплоносителя в радиатор.
Следует заметить, что проезжая разные расстояния, грузовички затрачивают разное количество энергии, преодолевающие долгий путь сжигают больше топлива и встречают больше препятствий. При движении по прямой теплоноситель преодолевает гидравлическое сопротивление трений стенок труб, у стальных — больше, у полимерных — меньше. Все тройники, крестовины и повороты труб также имеют сопротивления. Сумма всех сопротивлений не должна превышать циркуляционного напора. И в самом деле, что произойдет, если нам вдруг взбредет в голову на пути шести грузовичков взять да и уменьшить дорогу с шести полос до двух (то есть увеличить гидравлическое сопротивление)? Результат известен, будет «пробка», дорога, конечно, полностью не встанет, но и «движением» это назвать трудно. Так что для избегания эффекта «зажатой» отопительной системы сечения трубопроводов должны соответствовать пропускаемому потоку теплоносителя.
Теплоноситель в трубе должен двигаться с определенной скоростью, чтобы в каждую секунду достаточный объем горячего теплоносителя поступал в радиаторы, и достигалась нужная теплоотдача. Этот объем называют расходом теплоносителя. Чем выше скорость движения теплоносителя, тем больше его расход. Но при повышении скорости возрастает и сопротивление (трение) в трубе. То есть, с увеличением расхода теплоносителя увеличивается и сопротивление системы. Если использовать трубу большего диаметра, сопротивление понизится, меньшего — повысится. При слишком тонких трубах, вследствие чрезмерного увеличения силы трения (гидравлического сопротивления), расход теплоносителя снижается, котел чаще перегревается, а отопительные приборы остаются холодными, так как горячий теплоноситель не поступает в них в нужном объеме.
Расчет системы отопления производится инженерами-теплотехниками и довольно сложен для того, чтобы приводить его на сайте. Однако для систем с естественной циркуляцией теплоносителя с длиной стальных горизонтальных трубопроводов до 20 м он проводился тысячи раз и поэтому можно воспользоваться былым опытом. От котла обычно делают стояк диаметром 50 мм (2 дюйма), труба подводящая или собирающая воду из одного или нескольких радиаторов с общим количеством секций более 35, проектируется диаметром 2 дюйма, с 25–35 чугунных секций — 1½ дюйма, с 10–25 секций — 1 дюйм, менее 10 секций — 3/4 дюйма. При протяженности трубы без радиаторов сверх 10 м надо добавлять еще 1/2 дюйма к указанным размерам для уменьшения сопротивления движению воды в трубах.
Для выбора тепловой мощности радиатора в климатическом поясе Москвы можно следовать простому правилу: для отопления 10 м² жилой площади в комнате высотой 2,5 м с одной наружной стеной и одним окном достаточно одного киловатта (1 кВт) тепловой мощности радиатора; если в комнате две наружные стены и одно окно, для отопления требуется 1,2 кВт тепловой мощности; если в комнате две наружных стены и два окна — 1,3 кВт. Нужно просто знать площади каждой отапливаемой комнаты и рассчитать требуемую мощность радиаторов. Обычно мощность одной секции радиатора (любого) указывается в магазине прямо на ценнике. Мощность котла должна обеспечивать суммарную мощность всех секций радиаторов.
При выборе материала трубопроводов, мощности радиаторов и котла, лучше спроектировать отопительную систему с перебором мощности, чем с ее недостачей. Например, полимерные трубы имеют меньшее гидравлическое сопротивление, чем стальные трубы и предполагают их установку меньшим диаметром. Однако диаметр лучше не уменьшать, а делать систему с теми же диаметрами, как и для стальных труб. Также нужно поступить и с мощностями котлов и радиаторов, поскольку качественное регулирование системы позволяет уменьшать мощность, но не позволяет ее увеличивать.
Здесь необходимо сделать некоторое пояснение. В теплотехнике существует два понятия регулирования тепловой системы: качественное и количественное, которые меняют тепловой напор, а следовательно скорость движения теплоносителя, температуру и объем протекающей в системе жидкости по определенному сечению трубы за единицу времени. Количественное регулирование производится различными типами вентилей, которые можно открыть или закрыть. Качественное — путем изменения нагрева теплоносителя (регулированием пламени горелки котла), и как следствие, его плотности, вызывающее изменение объема, напора и температуры.
