Системи опалення для будинку з природною циркуляцією

Зараз системи опалення стали настільки складними, що зробити багато з їх видів самостійно вже практично неможливо. Однак ще зовсім недавно все було по-іншому. Найпоширенішими і тоді, і зараз були системи опалення, які називаються гравітаційними, або з природною циркуляцією теплоносія. Принципова схема такої системи включає досить невелика кількість компонентів, проте вона вважається надійною і довговічною.

Склад і принцип роботи системи

Всі системи опалення приватного будинку з природною циркуляцією теплоносія розраховані на невеликі протяжності трубопроводів - не більш 25-35 м в одну сторону.

Склад системи опалення приватного будинку з природною циркуляцією теплоносія включає наступні елементи:

• котел, як правило, твердопаливний;
• трубопроводи: в залежності від типу системи опалення може бути один або два трубопроводи - подає і зворотний;
• опалювальні радіатори;
• розширювальний бачок.

На першому малюнку видно взаємозв`язок всіх перерахованих вище компонентів.

В котлі згорає паливо (дрова, брикет і так далі). По подаючому трубопроводі нагрітий теплоносій доставляється до радіаторів. Тут теплоносій віддає частину свого тепла в навколишнє середовище. За допомогою зворотного трубопроводу остиглий теплоносій опалювальної системи потрапляє назад в котел. Розширювальний бачок потрібен для безперервної подачі теплоносія в систему опалення.

Такий цикл повторюється постійно. Теплоносій рухається за рахунок створюваного тиску. Його створює розширювальний бачок. Тиск води створюється за рахунок атмосферного тиску, так як розширювальний бачок знаходиться вище всіх інших елементів системи опалення приватного будинку. Саме з цієї причини такі системи називаються системами з природною циркуляцією.

Системи опалення двоповерхового котеджу працюють за таким же принципом, тільки в них існують ще й вертикальні трубопроводи, які називаються стояками.

Вода тече по ним за рахунок тиску, в утворенні якого беруть участь відразу три чинники:

• тиск за рахунок розширювального бачка;
• тиск за рахунок розширення теплоносія внаслідок його нагрівання;
• тиск за рахунок дії холодного, більш важкого теплоносія.

Вода, сильно нагріваючись від котла, піднімається по стояку, а потім витісняється більш важкої холодною водою. Далі вода розтікається по горизонтальному трубопроводу. Ці рухи відбуваються тільки за рахунок зазначених вище складових загального тиску, тобто самопливом. Таким же чином вода надходить назад.

Варто зауважити, що всі радіатори і трубопроводи повинні бути розташовані під невеликим кутом, щоб створити додатковий тиск в трубах.

Крім того, нахил трубопроводів сприяє видаленню повітряних подушок через розширювальний бачок. Це відбувається з тієї причини, що повітря легше води, тому прагне потрапити в саму верхню точку - розширювальний бак.

Розширювальний бак має й інше призначення - забирати нагріту воду, обсяг якої при нагріванні збільшується, при охолодженні вода повертається назад.

Якщо говорити коротко, то принцип дії руху води такий: вода піднімається по стояку внаслідок нагрівання, а також під впливом тиску. Циркуляція теплоносія обумовлюється різницею між двома плотностями - нагрітої і остигнула води.

Незважаючи на наявність тиску, хоч і невеликого, рух води не має великої швидкості. Це зв`язано з тим що атмосферний тиск в системі опалення приватного будинку витрачається на подолання опору, який виникає в результаті тертя води об внутрішні стінки труб. Особливо великий опір теплоносій відчуває в місцях повороту труби, в місцях проходу через водопровідну арматуру і так далі.

У загальному сенсі швидкість руху теплоносія, тобто її натиск, залежить від багатьох чинників:

• від різниці двох висот - висоти центру котла і висоти центру опалювального радіатора. Чим більше ця різниця, тим швидше рухається вода в системі опалення двоповерхового приватного будинку з природною циркуляцією;
• від різниці щільності холодної та гарячої води - чим вище температура, тим менше її щільність, а відповідно, і різниця більше.

Звідки береться натиск?

Почати варто з того, що температура і котла, і опалювальних елементів змінюється дискретно, тобто стрибками, щодо центральних осей цих приладів. Це означає, що гравітаційна система наполовину гаряча (зверху), наполовину холодна (знизу).

Гаряча вода має меншу щільність, ніж холодна. Якщо згадати деякі формули з курсу шкільної фізики, то можна зрозуміти, що при однакових обсягах тіло з меншою щільністю володіє і меншою вагою.

Тепер варто уявити, що верхній частині опалювальних контурів або одного контуру система не має, є тільки нижня. Виходить звичайна система сполучених посудин. Один посудину (котел) розташований нижче другого судини (наприклад, трубопроводу). Цей ефект і призводить до виникнення руху, так як вода прагне розтектися рівномірно. На малюнку 2 схематично показана система сполучених посудин.

Однак труба в котлі з гарячою водою розташована вище, ніж зворотний трубопровід з холодною водою. Це повинно заважати руху води. Але цього не відбувається з тієї причини, що вода в казані постійно гріється, тобто зменшує свою щільність. При цьому маса холодної води стає більше, а значить, вона штовхає потік гарячої води по трубах. Ось цей процес і стає потокообразующім. Тільки за рахунок нього система опалення двоповерхового будинку має постійний рух теплоносія.

На величину напору, як вже було зазначено, головним чином впливає різниця висот між центром котла і центром опалювальних радіаторів. Невеликий вплив на створення напору надає і ухил радіаторів та трубопроводів.

Варто зауважити, що подають трубопроводи повинні мати нахил в кілька градусів в сторону опалювальних елементів, а зворотний трубопровід - у зворотний бік.

Тепер стає зрозумілим, що для забезпечення нормального напору необхідно правильно підібрати місце для котла.

Якщо мова йде про свій будинок, то такий котел в ідеальному варіанті можна поставити в підвалі. Однак це не завжди можливо. хоча схема опалення двоповерхового будинку сама по собі передбачає наявність великої різниці висот. Але якщо все ж немає можливості забезпечити нормальну різниця, то для котла можна в підлозі зробити нішу. При цьому необхідно подбати про всі заходи пожежної безпеки.

Явище саморегуляції швидкості потоку

Різниця температур і мас нагрітого і остиглого носія теж є визначальним фактором. Система опалення приватного будинку з горизонтальною або вертикальною розводкою такого типу є саморегулюючою. Це означає, що як тільки холодний потік стає настільки важче гарячого, щоб вистачило сили зрушити останній, це відбувається в той же момент. Таким чином, впливати на цей показник можна тільки одним способом - сильніше розігрівати воду в котлі.

Це природний процес: чим холодніше в будинку, тим більше потрібно палива, щоб його зігріти. Це означає, що горіння протікає більш інтенсивно, тобто і вода розігрівається до високих температур. Вода в трубопроводі буде циркулювати з більшою швидкістю. Так буде відбуватися до тих пір, поки зворотний трубопровід сам трохи не прогріється, як і повітря в кімнаті. Нагрівання повітря і зворотного трубопроводу автоматично зменшить різницю температур і знизить швидкість потоку.

Це, в свою чергу, призведе до того, що температура в приміщенні почне знижуватися, що збільшить різницю температур. Система знову отримає деяке збільшення у швидкості потоку. Відбувається саморегулювання.

Різновиди систем з природною циркуляцією і їх гідності

Якщо взяти до розгляду дуже старі будинки, побудовані ще до другої половини минулого століття, то можна побачити, що майже повсюдно була використана схема опалення будинків, яка містила тільки один трубопровід - однотрубна схема, як правило, з верхньою розводкою труб.

Зараз така схема ніде не застосовується. Сьогодні нормою вважається така система опалення приватного будинку, яка містить два трубопроводи. Причому вона може мати як верхню розводку, так і нижню.

Отже, вона має ряд переваг перед системами з примусовою циркуляцією:

• простота монтажу і експлуатації;
• повна енергонезалежність, чого не скажеш про системи з примусовою циркуляцією, адже насос в них працює від електрики;
• великий термін служби, який обчислюється 35-45 роками;
• теплова стабільність, що забезпечується явищем саморегуляції.

Наприклад, в сучасних системах, якщо циркуляційний насос виходить з ладу або частково стає непридатним, порушується циркуляція, що навіть при правильній роботі котла веде до зниження температури повітря.

Взагалі процес саморегулювання є відмінною рисою такої системи від системи з примусовою циркуляцією. У них цей процес, пов`язаний зі зміною тиску теплоносія, є чинником, що знижує ефективність.

Деякі особливості застосування гравітаційних систем

Варто сказати, що сучасне будівництво передбачає наявність системи з примусовою циркуляцією. Пов`язано це з тим, що вона має більше переваг над гравітаційними. Останні, в свою чергу, мають недоліки, які і обмежують сферу їх застосування:

• невелика протяжність трубопроводу. Чим більше довжина труб, тим вище потрібно тиск, щоб забезпечити нормальний напір теплоносія. Найчастіше його просто не вдається забезпечити. Вважається, що оптимальною довжиною є 25-35 м, з цієї причини влаштовувати гравітаційні системи опалення в багатоповерхових будинках просто не представляється можливим;
• великий час прогріву. Сама система, щоб випромінювати тепло, повинна як слід прогрітися. Оскільки маса і трубопроводів, і радіаторів, і води досить велика, то і їх загальна теплоємність теж. Отже, частина енергії йде на власний прогрів, а частина - на обігрів навколишнього повітря;
• з попереднього пункту можна зрозуміти, що поки вода не нагріється до певної температури, циркуляції не буде. З цієї причини можна стверджувати, що перші кілька хвилин опалювальний котел працює вхолосту, тобто ККД такої системи значно нижче, ніж ККД опалення з примусовим рухом теплоносія.

Варто відзначити, що схеми опалення приватного будинку з природною циркуляцією добре підходять для опалення дачних будиночків або невеликих будинків. Тут вони показують себе з кращого боку.