Применение систем отопления на жидком теплоносителе в частных домах сегодня основано на нескольких схемах, одной из которых является гравитационная система отопления, считающаяся самой надежной и элементарной в плане эксплуатации, и организации. По законам термодинамики гравитационный обогрев получил широкое распространение, как в инженерных расчетах, так и в практических установках, благодаря малому количеству элементов и простоте работы.
Как работают гравитационные системы отопления частного дома?
Гравитационные системы отопления в частных домах основаны на нескольких физических принципах. Во-первых, материя имеет разную плотность при разных температурах. Второй – давление в системе создается за счет разницы уровня жидкости, то есть чем больше разница между верхней и нижней точкой, тем больше давление в системе.
Первый принцип самотечной системы отопления основывается на том, что при увеличении температуры теплоносителя, меняется его плотность. Вода в своем обычном состоянии 20 градусов плотнее воды, нагретой до 45 градусов, при нагреве до 80 градусов разница нуждается в использовании дополнительного объема воды. При этом одна и та же масса теплоносителя будет занимать разные объемы, поэтому он начинает расширяться и вытесняется из теплообменника. В замкнутом пространстве, после того как нагретый теплоноситель начинает движение, его место занимает остывший теплоноситель. Затем под действием нагрева образуется поток, и начинает работать гравитационная система отопления.
Второй принцип работы начинает функционирование с момента начала протекания теплоносителя. По мере нагревания воды или охлаждающей жидкости скорость движения становится выше за счет объемного расширения, которая осуществляет вытеснение жидкости из рубашки котла с большей скоростью, потому как показатель температуры быстро увеличивается. Покинув объем котла, жидкость по вертикальным патрубкам уходит в расширительный бачок. Достигнув уровня патрубка, жидкость заполняет объем трубы и устремляется по напорному контуру к трубе, ведущей к радиатору, создавая тем самым необходимое давление. Результирующее давление влияет и на холодный теплоноситель, учитывая разницу высот между точкой входа жидкости в напорный контур и нижней точкой нагнетания.
По мере постепенного нагрева системы разница температур между горячим и холодным теплоносителем уменьшается, а скорость движения жидкости в системе увеличивается до максимального значения, которое может достигать даже 1 метра в секунду.
Преимущества гравитационного отопления
Прежде чем рассматривать преимущества системы отопления гравитационного типа с естественной циркуляцией воды, стоит рассмотреть все недостатки этой системы по отдельности. Для многих людей первым и главным недостатком самотечной системы отопления является ее возраст. По сути, это одна из старейших систем отопления, использующих жидкий теплоноситель. Именно на основе этой системы впоследствии были разработаны схемы однотрубной и двухтрубной разводки, и именно эта система применялась для массовых установок, когда промышленность осваивала отопительные твердотопливные, а затем и газовые котлы. Но в противовес этому данные схемы являются одними из самых надежных – средний срок службы составляет 45-50 лет. Другими словами, именно за это время металлическая трубка потеряет свою герметичность под действием теплоносителя.
Второй момент – неэффективность гравитационной системы отопления. Фактически схема, основанная на естественной циркуляции воды, подразумевает инертность процесса обогрева помещения, и пройдет значительное количество времени, пока отопительный котел получит необходимую мощность и разница температур между нагревающим и охлаждающим теплоносителем достигнет минимума. Однако, стоит отметить, что даже после затухания котла, процесс циркуляции не прекращается, и время остывания наливной воды в системе будет значительно больше, чем в системе с принудительной циркуляцией.
Система с принудительной циркуляцией будет занимать меньше места, чем гравитационная при той же отапливаемой площади. В гравитационной системе отопления помимо батарей будут размещены трубы для верхней разводки, которые требуются для обеспечения определенного давления жидкого теплоносителя.
Большой объем теплоносителя в системе обеспечивает равномерное и плавное повышение температуры в помещении. Также объем нагретого теплоносителя остывает достаточно долго в отличие от теплоносителя в системах с использование циркуляционного насоса. Особенно это заметно при отключении электроэнергии или при тлении топлива в топке.
Это свойство, как правило, учитывается, когда в доме проживают кратковременно – вместо обычной воды, в систему заливают антифриз, чтобы трубы и радиаторы не подвергались риску лопнуть из-за замерзания воды даже после ее полного остывания.
Следует, конечно, отметить, что такая система отлично работает в эксплуатации. Это может длиться около 50 лет, если все сделано правильно, и у него есть только два фактора риска. Во-первых, это вероятность нагрева котла до экстремальных температур. Второй – кристаллизация антифриза, но в этом случае использование антифриза сводит риск такой аварии практически к нулю.
Упрощенная система отопления
При организации гравитационной системы отопления необходимо выполнить несколько расчетов, чтобы понять, какое количество тепла система будет отдавать помещению. В обычных условиях сантехника устраивается с учетом объема отдельных комнат и мощности установленных в них радиаторов. Данный вид системы отопления могут выполнять обогрев дома при установке радиаторов одинакового номинала неравномерно. Ближайший к котлу первый радиатор будет нагреваться до более высоких температур, однако, при этом в дальних от котла радиаторах температура теплоносителя будет на порядок ниже. Поэтому при выборе отопительного оборудования сначала устанавливайте маломощное, а более мощное устанавливайте дальше.
Правильный выбор расширительного бака важен при подборе элементов конструкции. При расчете объема расширительного бачка за основу принято брать соотношение 1/10. То есть, если объем воды в системе составляет примерно 250 литров, бак должен иметь объем не менее 25 литров.
Гравитационные системы отопления предъявляют очень высокие требования к строительным материалам. Во-первых, речь идет о сантехнике. Большой объем теплоносителя и низкое давление в системе требуют циркуляции с минимальными потерями, что возможно, как в стальной, так и в полипропиленовой трубе. Стальные трубы, соединенные между собой газо- или электросваркой, обеспечивают соединение с небольшим количеством сварных швов внутри трубы. А если в качестве соединения используется резьбовой способ, то при этом образуется множество неровностей внутри трубы. Что касается полипропиленовых трубок, то у них есть один ярко выраженный недостаток. Этот недостаток связан со способностью труб выдерживать высокие температуры – производители заявляют, что такие трубы выдерживают температуру до +95 градусов, что не относится к трубам, установленным сразу после котла.
Но, несмотря на все эти оговорки, упрощенная схема гравитационной системы отопления сильно отличается от системы с принудительной циркуляцией.
Чтобы организовать такую систему необходимо следующее:
- котел отопления (обязательным условием такой системы является наличие котла с большой водяной рубашкой);
- водопроводная труба большого диаметра 11/2 дюйма;
- Расширительный бак вместимостью 1/10 объема жидкости системы;
- 1″ водопроводная труба;
- радиаторы;
- обратка;
- сливной клапан;
- В качестве контрольной аппаратуры в системе в котлах установили термометры и манометры, а Маевский установил краны в радиаторах.
Основные решения для отопления дома
На сегодняшний день существует несколько типов гравитационных систем отопления. Самыми востребованными являются системы с напорными контурами и наклонными линиями подачи и возврата. Здесь принята схема естественной циркуляции охлаждающей жидкости, а верхняя часть расширительного бачка открыта. Недостатком этого типа самотечной системы отопления является ее инерционность и сложность реализации. Поэтому после установки напорного контура труба должна сохранять наклон 0,05 градуса к котлу. Этого наклона достаточно, чтобы обеспечить начальное движение жидкости. Обеспечьте такой же уклон при прокладке обратной линии.
Такие сценарии подразумевают одноконвейерный вариант построения безопасных систем. Более совершенная система отопления обуславливает организацию двухтрубной схемы. Для правильного функционирования такой системы общая длина подводящего трубопровода должна составлять примерно 25 метров, а максимальный размер такого трубопровода может составлять 35 метров. Более длинные трубы снизят температуру подачи теплоносителя из-за необходимости прокладки дополнительных пандусов, что потребует использовать в системе дополнительный объем на чердаке или внутренний объем.
На что обратить внимание при проектировании системы отопления гравитационного типа?
Одним из важных параметров системы является величина циркуляционного давления, который обусловлен расстоянием от центра до центра котла. Чем выше индекс, тем выше эффективность работы всей системы.
Неэффективность твердотопливных и газовых котлов отопления, устанавливаемых в самотечных системах, часто связана с малой разницей высоты между радиатором и котлом. Так что в нормальных условиях такой зазор обычно составляет всего 0,2-0,3 метра. Это не приводит к экономии топлива до 25%. Большая часть энергии тратится на перегрев жидкости. В то же время, если перепад высот увеличить на 0,5 метра до 0,7-0,8 метра, то КПД возрастет на 6-11%, а перепад высот в 2,0 метра позволит сэкономить до 20% энергии. Поэтому при проектировании самотечной системы отопления котел планируют разместить в самой нижней точке, обычно в подвале.
В то же время, рассматривая все варианты и способы обустройства системы отопления частного дома, лучше обратиться за помощью в организации к специалистам, несмотря на то, что создание данного вида системы процесс несложный.
Заключение
Гравитационная система отопления использует силу гравитации для перемещения тепла из одной области в другую. Это метод использования природных сил для вытеснения тепловой энергии вместо использования внешних технологий, таких как вентилятор или компрессор. Было обнаружено, что гравитационный процесс более эффективен, чем система с принудительной подачей воздуха, и используется для передачи тепла из теплой области в холодную для создания более теплого пространства.
Принцип работы гравитационной системы отопления основан на том, что горячий воздух поднимается вверх, а холодный опускается. Когда воздух нагревается, он расширяется и становится менее плотным и, следовательно, легче. По мере того, как тепло поднимается вверх, оно собирается в верхних частях помещения или здания, а более холодный воздух опускается на нижние уровни, создавая естественный цикл конвекции. Это явление известно как эффект стека. Гравитационная система отопления использует это преимущество, используя вентилятор или насос для забора холодного воздуха с нижних уровней помещения и его подачи через серию теплообменников.
По мере того, как холодный воздух втягивается вверх и проходит через теплообменники, его температура повышается. Затем нагретый воздух поднимается в самую высокую точку системы, например, к потолку, откуда его можно выпустить обратно в помещение. Таким образом, гравитационная система отопления создает круговорот теплого воздуха вокруг помещения, позволяя ему естественным образом подниматься и собираться в верхних частях, в то же время нагнетая холодный воздух вниз, чтобы заполнить пространство внизу.
В целом, гравитационная система отопления – это эффективный и надежный способ обогрева помещения в соответствии с природой. Используя разницу температур между верхом и низом замкнутого пространства, система может эффективно передавать тепло из одной точки в другую. Этот метод не только более эффективен, чем традиционные системы отопления, но также создает меньше шума и ограничивает количество пыли и загрязняющих веществ, которые могут попасть в систему.
