Як зробити систему опалення з природною циркуляцією

У разі відключення електрики циркуляційний насос зупиняється, течія води по трубах опалювальної мережі приватного будинку припиняється. Проблема вирішується 3 способами: встановленням блоку безперебійного живлення, запуском електрогенератора чи організацією самопливу. Мається на увазі система опалення з природною циркуляцією – конвекційним рухом теплоносія без допомоги насоса. Розповімо, як розробити і змонтувати таку схему своїми руками.

Теоретичний вступ – як працює самоплив

Природна циркуляція води в системах опалення функціонує завдяки гравітації. Як це відбувається:

Беремо відкриту ємність, наповнюємо водою і починаємо підігрівати. Найпримітивніший варіант – каструля на газовій плиті.
Температура нижнього шару рідини зростає, щільність зменшується. Вода стає легшою.
Під впливом сили тяжіння верхній важчий шар опускається на дно, витісняючи менш щільну гарячу воду. Починається природна циркуляція рідини, яка зветься конвекцією.

Довідка. Залежність щільності води від температури – не лінійна. Чим сильніше гріється рідина, тим швидше знижується її щільність, що добре помітно на графіку.

Приклад: якщо нагрівати 1 м³ води від 50 до 70 градусів, він полегшає на 10.26 кг (нижче дивимося таблицю щільності при різних температурах). Якщо продовжити нагрівання до 90 °С, то куб рідини втратить вже 12.47 кг, хоча дельта температур лишилася незмінною – 20 °C. Висновок: чим ближче вода до точки кипіння, тим активніше відбувається циркуляція.

Аналогічним чином теплоносій циркулює самопливом по домашній мережі теплопостачання. Підігріта котлом вода втрачає вагу і виштовхується догори остиглим теплоносієм, який повертається з радіаторів. Швидкість течії при перепаді температур 20–25 °C становить усього 0.1…0.25 м/с проти 0.7…1 м/с в сучасних насосних системах.

Мала швидкість руху рідини у магістралях і приладах опалення викликає такі наслідки:

Батареї встигають віддати більше теплової енергії, а теплоносій – охолонути на 20—30 °C. У звичайній опалювальної мережі з насосом і мембранним розширювальним баком температура падає тільки на 10–15 градусів.
Відповідно, котел має виробляти більше теплоти після запуску пальника. Тримати генератор на температурі 40 °C безглуздо – течія сильно сповільниться, батареї стануть холодними.
Щоб доставити до радіаторів потрібну кількість тепла, треба збільшити прохідний перетин труб.
Фітинги та арматура з високим гідравлічним опором здатні погіршити чи зовсім зупинити самоплив. Сюди відносяться зворотні і триходові клапани, різкі повороти на 90° і звуження труб.
Шорсткість внутрішніх стінок трубопроводів не грає великої ролі (в розумних межах). Маленька швидкість рідини = невисокий опір від тертя.
Котел на твердому паливі + самопливна система опалення може спокійно працювати без теплоаккумулятора і змішувального вузла. Завдяки повільному руху води конденсат у топці не утворюється.

Як бачите, в конвекційному русі теплоносія є позитивні і негативні моменти. Перші слід використати, другі – мінімізувати.

Конструктивні особливості

Щоб самопливна система працювала ефективно, треба виконати такі вимоги:

джерелом тепла виступає будь-який енергонезалежний теплогенератор з вихідними патрубками діаметром 40–50 мм;
на виході котла або печі з водяним контуром відразу монтується розгінний стояк – вертикальна труба, якою піднімається нагрітий теплоносій;
стояк закінчується розширювальним баком відкритого типу, встановленим на горищі чи під стелею верхнього поверху (залежно від типу розводки і конструкції приватного будинку);
місткість резервуара – 10% від об’єму теплоносія;
для самопливу бажано підібрати опалювальні прилади з великими розмірами внутрішніх каналів – чавунні, алюмінієві, біметалеві;
для кращої тепловіддачі радіатори опалення під’єднуються за різнобічної схемою – нижньою чи діагональною;
на радіаторних підводках ставляться спеціальні повнопрохідні клапани з термоголовками (з боку подачі) та балансувальні вентилі (на виході);
батареї краще оснастити ручними розповітрювачами – кранами Маєвського;
підживлення теплової мережі робиться у найнижчій точці – біля котла;
усі горизонтальні ділянки труб прокладаються з ухилами, мінімальний – 2 мм на метр погонний, середній – 5 мм/1 м.

Приєднання котла до самопливного опалення — Зліва на фото – стояк подачі теплоносія від підлогового котла, праворуч – приєднання зворотної лінії

Примітка. Ухили виконують 2 функції – допомагають теплоносієві текти в потрібному напрямку, а повітрю – підніматися трубопроводами та виходити крізь відкриту розширювальну ємність. Уточнення щодо застосовуваних радіаторів: якщо система збудована правильно, сталеві панелі теж прекрасно гріють.

Гравітаційні системи опалення робляться відкритими, експлуатуються під атмосферним тиском. Але чи буде самоплив працювати у схемі закритого типу з мембранним баком? Відповідаємо: так, природна циркуляція збережеться, але швидкість теплоносія знизиться, ефективність зменшиться.

Обгрунтувати відповідь нескладно, досить згадати зміну фізичних властивостей рідин, що знаходяться під надлишковим тиском. При напорі в системі 1.5 Бар точка кипіння води зміститься до 110 °C, її щільність теж збільшиться. Тому циркуляція сповільниться через малу різницю мас гарячого і охолодженого потоку.

Принципова схема самопливу — Спрощені схеми самопливу з розширювальним резервуаром відкритого і мембранного типу

4 схеми гравітаційного опалення

Для організації енергонезалежного обігріву приватних будинків застосовується 4 види схем з природним плином теплоносія:

горизонтальна двотрубна з верхнім розливом;
комбінована з горизонтальними колекторами і однотрубними вертикальними стояками;
однотрубна з нижньою розводкою – класична «ленінградка»;
вертикальна розводка з індивідуальною подачею води на кожен радіатор – так званий «павук».

Доповнення. Варто ще згадати самопливні теплі підлоги – деякі умільці примудряються їх облаштувати. Затія не виправдовує вкладених сил і засобів, набагато простіше змонтувати традиційний підлоговий підігрів, встановити насос + блок безперебійного живлення.

Відразу хочемо порекомендувати до використання 2 перших системи – двотрубну і комбіновану. Ленінградська розводка погано суміщується з самопливом, а «павук» занадто складний в монтажі. Детальніше про плюси і мінуси усіх схем читаємо далі.

Двотрубна і комбінована розводка

Ми об’єднали ці 2 схеми, оскільки вони практично однакові. Перша з минулого століття застосовується в одноповерхових будинках з дров’яними грубками, таке опалення без насоса називали паровим. Джерелом тепла служив бак, встановлений у топці, газові котли з’явилися пізніше.

Самоплинне двотрубне опалення — Двотрубне розведення необов’язково робити кільцем через весь будинок, можна розділити опалення на 2 гілки

Як влаштоване двотрубне гравітаційне опалення:

від теплогенератора піднімається розгінний колектор, який виходить на горище або під стелю котельні, там і ставиться відкритий розширювальний бачок;
зверху в стояк врізається горизонтальний трубопровід подачі, що йде під ухилом через всі кімнати (під стелею);
інший варіант – утеплена труба прокладається горищем;
від роздавальної магістралі робляться вертикальні відгалуження до батарей;
виходи радіаторів врізаються у зворотний колектор, прокладений з ухилом над підлогою;
опалювальні прилади оснащуються запірною арматурою – кранами або термоголовками на подачі, балансовими вентилями – з боку зворотної лінії.

Примітка. З метою економії матеріалів і кращого розподілу теплоносія перетин горизонтальних гілок зменшується з наближенням до останніх батарей. Точний діаметр визначається розрахунком.

Комбінована самопливна система призначена для двоповерхових заміських будинків. Відмінність від двотрубної розводки: кожен стояк забезпечує теплом 2–4 радіатори, розташовані на різних поверхах. Спосіб під’єднання приладів – однотрубний, на верхніх батареях передбачається байпас. Більше ніякої різниці немає.

Як зробити самопливну систему циркуляції теплоносія — Комбінована схема з однотрубним під’єднанням радіаторів для двоповерхового будинку

Головна перевага обох розводок – надійна схема самопливу, перевірена десятиліттями успішної експлуатації. Навіть якщо ви зробите мінімальні ухили, але чітко витримаєте діаметри магістралей (а краще – візьмете з запасом), природна конвекційна циркуляція успішно працюватиме.

Негативні моменти:

труби прокладаються відкрито у приміщеннях;
теплову мережу не можна наповнювати антифризом, оскільки рідина випаровується з відкритої розширювальної ємності;
систему треба кілька разів поповнювати протягом сезону, інтервал залежить від режиму роботи опалення;
труби Ø40…50 мм дорогі, для здешевлення монтажу доводиться брати чорну сталь або поліпропілен.

Перелічені мінуси властиві будь-яким тепломережам з природною циркуляцією. Відкриту прокладку можна приховати – винести подачу на горище, замурувати стояки і колектори у стіни чи зробити декоративні короби. Ми рекомендуємо останній варіант, оскільки зварювати сталеві і пластикові труби в борознах стін дуже непросто.

Порада. Двотрубний варіант годиться для невеликої дачі, гаража, літньої кухні. До інтер’єру зазначених будівель не висувається високих вимог, труби можна не ховати.

«Ленінградка» з природною циркуляцією

Конструкція схеми повністю повторює класичну ленінградську розводку. Уздовж зовнішньої стіни будинку прокладається єдиний колектор, до нього приєднуються всі радіатори. Відмінності самопливної «ленінградки»:

збільшений розмір і ухил головної магістралі;
наявність розгінного колектора у вигляді петлі, завдяки йому теплоносій затікає до батарей;
обмежена кількість приладів опалення – максимум 4 шт.

Перевага ленінградської системи – спрощений монтаж, для розведення знадобиться одна труба замість двох. Правда, перетин колектора зменшувати не можна, тому економія виходить мізерна.

Гравітаційна схема водяного обігріву — Щоб теплоносій добре затікав до радіаторів, мусимо передбачити високий розгінний колектор після теплогенератора

Головний недолік – «ліниве» затікання води у радіатори, звідси втрата ефективності. Основна маса теплоносія циркулює кільцевим колектором напряму. Число батарей обмежене, оскільки віддалені прилади гріють набагато гірше.

«Ленінградку» бажано доповнювати циркуляційним насосом, встановленим на байпасі. З примусовим спонуканням схема точно запрацює веселіше, навіть можна додати пару радіаторів. Коли світло відімкнуть, перейдете на самоплив, додавши потужності на котлі.

Схема «павук» – будова і принцип роботи

Конструкція даної системи виглядає так:

утеплений розширювальний резервуар знаходиться на горищі, рівно по центру будівлі;
до баку підходять стояки різних діаметрів від батарей і теплогенератора;
збір охолодженого теплоносія з радіаторів організований у традиційний спосіб – через горизонтальну магістраль.

Принцип дії наступний: нагріта котлом вода самопливом піднімається до ємності, звідти розходиться споживачам трубами меншого перетину. Розводка може застосовуватися в одно- і двоповерхових будинках.

Реальні плюси «павука» – вдалий гідравлічний розподіл теплоносія та відсутність верхньої горизонтальної розводки по кімнатах. На подачі є тільки 1 стояк великого розміру, що йде від котла до бачка, решта відгалужень робиться трубою Ø15…25 мм. Для спусків можна використовувати металопластик або зшитий поліетилен.

Мінуси гравітаційної схеми «павук»:

складність монтажу, безліч труб і стиків на горищі;
економії матеріалів немає, замість 1 розподільної магістралі використовується десяток менших труб, які обов’язково треба утеплити;
«павук» не вийде змонтувати у будинку без горища.

Нижче на відео домашній умілець демонструє саморобного «павука» закритого типу в триповерховому будинку. Якщо уважно придивитися, то легко виявити схожість між горищним резервуаром-розподільником та верхнім колектором комбінованої схеми з природною циркуляцією.

Розрахунок самопливної системи

Щоб розрахувати і спроектувати опалення з природною циркуляцією, дійте в такому порядку:

З’ясуйте кількість тепла, необхідне для обігріву кожної кімнати. Скористайтеся для цього нашою інструкцією.
Підберіть енергонезалежний котел – газовий або твердопаливний.
Розробіть схему, прийнявши за основу один із запропонованих тут варіантів. Поділіть розводку на 2 плеча – тоді магістралі не перетинатимуть вхідні двері будинку.
Визначте витрату теплоносія на кожне приміщення і розрахуйте діаметри труб.

Примітка. Ухили обчислювати не потрібно, беріть стандартне значення 0.5 см на метр довжини. Допускаються відхилення в більший чи менший бік у діапазоні 0.7…0.2 см/1 м.

Відразу зазначимо, що «ленінградку» розбити на 2 гілки не вдасться. Це означає, що кільцевий трубопровід обов’язково пройде під порогом вхідної двері. Щоб витримати всі ухили, котел доведеться розмістити в приямку.

Розрахунок діаметра труб на всіх ділянках гравітаційної двотрубної системи робиться так:

Беремо тепловтрати всієї будівлі (Q, Вт) і визначаємо масову витрату теплоносія (G, кг/год) у головній магістралі за наведеною нижче формулою. Перепад температур між подавальною і зворотною лінією Δt приймаємо рівним 25 °C. Потім переводимо кг/год в інші одиниці – тони за годину.
За наступною формулою знаходимо площу перетину (F, м²) головного стояка, підставивши швидкість природної циркуляції ʋ = 0.1 м/с. Перераховуємо площу кола в діаметр, отримуємо розмір основної труби, яка підходить до котла.
Рахуємо теплове навантаження на кожну гілку, повторюємо обчислення і з’ясовуємо діаметри цих магістралей.
Переходимо до наступних кімнат, знову визначаємо діаметри ділянок за тепловими втратами.
Вибираємо стандартні розміри труб, округляючи отримані цифри в більшу сторону.

Наведемо приклад розрахунку самопливної системи одноповерхового будинку 100 м. кв. На представленому нижче плануванні вже нанесені радіатори опалення і вказані теплові втрати. Починаємо з основного колектора котла і рухаємося у напрямку останніх приміщень:

Величина тепловтрат будинку Q = 10.2 кВт = 10200 Вт. Витрата теплоносія в головному стояку G = 0.86 х 10200 Вт / 25 °C = 350.88 кг/год або 0.351 т/год.
Площа перетину подавальної труби складе F = 0.351 т/год / 3600 х 0.1 м/с = 0.00098 м², діаметр d = 35 мм.
Навантаження на праву і ліву гілку становить 5480 і 4730 Вт відповідно. Кількість теплоносія: G1 = 0.86 х 5480/25 = 188.5 кг/год або 0.189 т/год, G2 = 0.86 х 4730/25 = 162.7 кг/год або 0.163 т/год.
Перетин правої гілки F1 = 0.189 / 3600 х 0.1 = 0.00053 м², діаметр становитиме 26 мм. Ліве відгалуження: F2 = 0.163 / 3600 х 0.1 = 0.00045 м², d2 = 24 мм.
У дитячу кімнату й кухню прийдуть лінії DN32 і DN25 мм (округлили цифри в більшу сторону). Тепер обчислюємо розміри колекторів для спальні і вітальні + коридор з тепловтратами 2.2 і 2.95 кВт відповідно. Отримуємо обидва діаметри DN20 мм.

Самопливна розводка на плануванні будинку — Для приєднання невеликих батарей можна використовувати підводки DN15 (зовнішній d = 20 мм), на плані вказані розміри DN20

Увага! Отримані в результаті розрахунків діаметри вказують на розмір внутрішнього проходу трубопроводів (позначення – DN або Ду).

Залишилося підібрати труби. Якщо зварювати опалення зі сталі, на котловий стояк піде Ø48 х 3.5, гілки – Ø42 х 3 і 32 х 2.8 мм. Решту розводки, включаючи підводки до батарей, робимо трубопроводом 26 х 2.5 мм. Перша цифра розміру вказує на зовнішній діаметр, друга – товщину стінки (сортамент водогазопровідних стальних труб).

Заключний висновок

Наостанок спробуємо відрадити вас від монтажу гравітаційної системи з природною циркуляцією.? Це найбільш складний і дорогий варіант опалення приватного будинку. Плюс зовнішній вигляд – не завжди вдається замурувати здоровезні труби в стіни або зашити їх гіпсокартонними коробами. Порівняйте вартість самопливу із закритою двотрубною розводкою плюс електрогенератор. Цілком ймовірно, що ціна вийде однаковою.