Технология отопления домов постоянно совершенствуется. Регулярно разрабатывается высокоэффективное оборудование. Несмотря на возможность использования современных способов обогрева помещений, гравитационная система отопления по-прежнему используется на объектах. Рассмотрим ее принцип действия и конструктивное устройство. Читайте и узнаете основные нюансы расчета и распространенные виды системы.
Изобретателем гравитационной системы отопления является М. Боннеман. Этот французский инженер физик еще в 1777 году разработал ее для обогрева инкубатора. Постепенно она распространилась по миру и стала широко использоваться во всех странах.
Сокращенно этот вид системы отопления обозначают ГСО. Специалисты и даже обычные обыватели ее еще называют просто «гравитационка». Она обогревает помещения благодаря движению горячей воды в трубопроводах и приборах. Свое название отопительная сеть получила благодаря перемещению теплоносителя в ней естественным образом. Он движется за счет действия гравитационной силы.
Получается, что традиционная гравитационная система отопления работает без циркуляционного электрического насоса. Теплоноситель в ней движется самотеком. Поэтому она является системой с естественной циркуляцией, которая может оказаться незаменимой на объектах, где существует большой риск прекращения подачи электрической энергии. Ее устраивают в загородных домах, включая дачные жилые строения.
Типовая гравитационная система водяного отопления состоит из следующих частей:
Вода — это оптимальный вариант теплоносителя для системы с естественной циркуляцией. Например, антифриз практически не используют, потому что он отличается меньшей теплоотдачей и большей плотностью. Тем более его дольше нагревать. Чтобы он стал нужной температуры, понадобится потратить больше топлива в котле. При этом антифриз обладает высокой текучестью даже при -10 °С, что способствует его движению.
Гликолевый состав применяют в системах, которые используются периодически или крайне редко. Антифриз позволяет не выполнять постоянный слив теплоносителя из отопительной сети.
Выгодное предложение
В дома с несколькими этажами циркуляция теплоносителя осуществляется за счет перепада давления в трубопроводной сети. Ведь этот параметр имеет разное значение в подаче и обратке. Именно из-за большого давления в одной трубе теплоноситель совершает движение.
В загородных домах часто создаются автономные отопительные сети. Необходимую энергию для их работы получают из твердого и газообразного топлива, а также ее источником является электричество. Обычно для эффективного перемещения нагретой воды по трубопроводам в системе устанавливается циркуляционный насос. Однако его монтаж не является гарантией бесперебойного движения теплоносителя. Ведь насосный агрегат не включится, если будет отсутствовать электричество.
Раньше практически во всех загородных домах создавалась гравитационная система отопления. Чтобы лучше понять ее принцип работы, рассмотрим следующий пример:
Снижение плотности теплоносителя ускоряется с увеличением скорости его нагрева. Опытным путем проверено, что при повышении температуры 1 куба воды с 50 °C до 70 °C его масса уменьшается на 10,3 кг. При продолжении нагрева до 90 °C 1 м3 этой жидкости становится легче уже на 12,5 кг. Благодаря таким измерениям удалось выяснить, что циркуляция воды будет усиливаться с повышением ее температуры.
Заказать монтаж системы отопления можно в нашей компании. Чтобы ознакомиться со стоимостью работ и порядком оказания услуги и связаться со специалистом, перейдите в раздел «услуги».
Именно на этом принципе основано естественное перемещение теплоносителя в домашней системе теплоснабжения. Так, вес воды, нагреваемой котлом, уменьшается. Она выталкивается в верхнем направлении теплоносителем, который уже успел остыть и вернуться из трубопроводной системы в теплогенерирующий агрегат.
Обратите внимание! Если перепад температуры составляет от 20 до 25 °C, тогда вода будет двигаться со скоростью от 0,1 до 0,25 м/с. Для сравнения, в системе с насосом она перемещается за одну секунду на 0,7-1 м.
Невысокая скорость движения теплоносителя в гравитационной системе отопления становится причиной целого ряда последствий:
Приведенные выше последствия позволяют понять, что гравитационное отопление дома имеет свои достоинства и минусы. Преимущества стараются использовать по максимуму, а недостатки свести к минимуму.
Существует ряд требований, при выполнении которых гравитационное отопление будет эффективно работать:
Еще одним обязательным условием является прокладка горизонтальных трубопроводов под уклоном. Его значение четко указано в СНиП. Чтобы теплоноситель беспрепятственно перемещался в отопительном контуре, делают уклон 10 мм на каждый погонный метр труб. Наклонное расположение горизонтальных трубопроводов необходимо для преодоления гидравлического сопротивления системы, которое создает запорно-регулирующая арматура, различные разветвления, повороты, расширения и сужения сети.
Если не соблюсти требование относительно уклона, в теплоносителе будут скапливаться воздушные пузырьки. Нарушение правила также приведет к недостаточному прогреву удаленных радиаторов.
При устройстве гравитационных систем отопления важным моментом также является выбор труб. Ведь они изготавливаются производителями из разных материалов, каждый из которых имеет свои характеристики. В частности, трубопроводы отличаются теплопроводностью и гидравлической сопротивляемостью.
Гравитационная система отопления дома может быть организована с использованием следующих типов труб:
Эффективное гравитационное отопление можно сделать только после расчетов, на основе которых разрабатывается проект. Вычисления выполняются в соответствии с рекомендациями СНиП. Грамотно разработанный проект позволяет избежать переделок.
При расчете «гравитационки» определяется давление внизу системы. Для его вычисления используется формула: Pниж = Pвер + ρ*g*h.
В уравнении к давлению в верху отопительной сети прибавляется произведение плотности теплоносителя (ρ), разности высот между верхним и нижним уровнем внутридомового теплового контура (h) и ускорения свободного падения (g=9,8 м/с^2). Эта формула позволяет определить гидростатическое давление. Оно будет больше, чем выше находится верхняя точка системы.
При максимально точном расчете также применяется уравнение Бернулли, которое учитывает циркуляцию теплоносителя по внутридомовому гравитационному тепловому контуру: P = (ρ*v^2/2) + ρ*g*h.
Эта формула позволяет понять, что на полное давление отопительной сети влияет высота системы, плотность и скорость воды. При этом гидродинамическая сила незначительна. Она существенно меньше, чем гидростатическое давление. Ее величина составляет меньше 5% полного давления. Поэтому гидродинамическую силу не учитывают, что позволяет упростить расчет.
Теплоноситель в «гравитационке» циркулирует благодаря разному давлению в подаче и обратке. Это естественное движение воды. Для вычисления разницы циркуляционного давления применяют следующие уравнение: ΔP = Pхол — Pгор = g*h*(ρхол — ρгор).
В уравнении разницу плотности (ρ — справочная величина) холодного и горячего теплоносителя умножают на произведение ускорения свободного падения (g) и высоты системы (h). Данная формула применяется для вычисления естественного давления в тепловом контуре жилого здания с одним этажом.
Одноэтажная постройка отличается наличием только одного центра охлаждения. Если рассчитывается гравитационная система отопления двухэтажного дома, тогда применяется следующие уравнение: ΔP = g*〈h1(ρ1 — ρг) + h2*(ρ2 — ρг)〉.
В этой формуле h1, ρ1, h2, ρ2 уровни центров охлаждения и плотности теплоносителя на первом и втором этаже здания соответственно.
На следующем этапе расчета вычисляют расход используемой воды в системе. Для этого применяется уравнение: G = Q/(C*Δt).
В формуле общее количество тепловой энергии, которую производит котельная установка, делится на произведение удельной теплоемкости и разности температур воды в подаче и обратке.
Подробнее о расчете гравитационной системы в ролике
По причине неиспользования насоса в типовом гравитационном отоплении важно не ошибиться в выборе сечения труб. Для расчета их диаметра предварительно вычисляют тепловую энергию, которая нужна для обогрева каждого помещения. Полученные значения увеличивают на 20%. Чтобы не пользоваться сложными специальными формулами, многие выполняют вычисления с помощью онлайн-калькулятора.
Важно! Подбирается сечение трубопроводов на основе теплотехнического расчета. Слишком большой диаметр труб не делают, потому что ухудшается процесс теплоотдачи и возрастают затраты на обогрев помещений. Однако маленькое сечение тоже не выбирают. К примеру, у трубопроводов из стали минимальный диаметр должен составлять 50 мм, а у пластиковых — 63 мм.
Сечение труб должно обеспечивать требуемый расход жидкости в гравитационной системе отопления. В то же время создаваемое давление обязано компенсировать потери на трение, которое возникает во время движения воды. Ведь она соприкасается со стенками труб.
Для вычисления падения давления из-за трения на конкретном участке отопительной сети с естественной циркуляцией используют уравнение Дарси Вейсбаха: ΔP = λ*L*V2*ρ/2*D.
Чтобы применить эту формулу, сначала определяют коэффициент потерь на трение с учетом длины каждого участка. Он берется из специальных таблиц и обозначается λ. Нужно также знать для каждого участка длину (L) и диаметр (D) трубы. В уравнение еще используется значение скорости (V) и плотности (ρ) воды в трубопроводе.
Все потери давления на трение в отопительной сети вычисляют путем сложения рассчитанных потерь на каждом конкретном отдельном участке системы. К результату также прибавляют местные сопротивления, для нахождения которых применяют формулу:ΔPарматура = ξ*(v^2*ρ/2).
В этом уравнении используется табличный коэффициент ξ. Из-за сложности всех вычислений, использования специальных формул из справочной литературы рекомендуется доверить гидравлические расчеты профессионалам.
Чтобы горячая вода циркулировала в гравитационной системе отопления, необходимо обеспечить превышение естественного давления над общими суммарными его потерями. Другими словами, должно выполняться условие: ΔP ≥ ΔP + ΔPарматура..
Для упрощения всех расчетов опытные строители используют специальные таблицы. Они позволяют за минимальный временной промежуток подобрать трубы с требуемым диаметром.
Для усиления циркуляции диаметр труб уменьшают на 1 размер после каждого разветвления системы. Так, если теплогенерирующая установка соединена с трубопроводом, диаметр которого составляет 2 дюйма, тогда после первого тройника используют трубы с сечением 1 3/4 дюйма, после второго — 1 1/2 дюйма и так далее.
Важно! Обратный трубопровод после каждого ответвления должен расширяться по направлению к котлу.
Благодаря просмотру ролика можно лучше разобраться в теме расчета гравитационной системы отопления
Отопление гравитационного типа может быть организовано при использовании нескольких распространенных схем. Когда разрабатывается гравитационная система отопления, выбирается вариант прокладки труб. Разводка может быть нижней или верхней. В первом случае обеспечивается более привлекательный вид всей системе, ведь трубы монтируют возле пола. Однако сеть будет иметь небольшую теплоэффективность.
На заметку! Нижняя разводка чаще создается для систем с высоким давлением.
Для загородного дома лучшим вариантом является верхний розлив горячей воды, которая подается к батареям из трубопроводов, проложенных возле потолка или на чердаке. Такой вариант позволяет теплоносителю при движении в нижнем направлении вытеснять воздушные пузырьки.
Верхняя разводка — это традиционно однотрубная ГСО. Такая схема популярна по следующим причинам:
Для однотрубной ГСО объем расширительного бака подбирается с учетом числа и размеров батарей. Обычно при проектировании системы принимают, что емкость станет заполняться только на 3/4. Во время эксплуатации «гравитационки» постоянно следят, чтобы уровень теплоносителя в бачке был выше трубы подачи.
Более сложной системой считается двухтрубная ГСО. Она состоит из двух контуров. По одному из них горячий теплоноситель движется от котла к радиаторам, а по-другому — остывшая вода поступает из батарей в теплогенерирующую установку. Для монтажа двухтрубной ГСО нужно больше материалов и времени.
Важно! Для повышения КПД гравитационной отопительной внутридомовой сети выполняется установка насоса на байпас. При превышении времени нагрева теплоносителя агрегат обеспечивает более быстрое движение воды в трубопроводах. Это позволяет получить носитель тепла с нужной температурой.
Работоспособность конкретного вида ГСО позволяет определить гидротехнический расчет с учетом характеристика котла, отопительных приборов и других параметров системы. Это требует специальных знаний. Поэтому проектирование и монтаж обычно доверяют профессионалам, которые часто создают «гравитационки» по наиболее распространенным схемам.
В домах европейских стран часто выполняется устройство ГСО закрытого типа. Ее конструктивным отличием является наличие мембранного бачка. В гравитационной закрытой системе отопления вода движется следующим образом:
Ничем другим гравитационная система отопления с мембранным расширительным баком не отличается от внутридомового самотечного контура с открытой емкостью для излишков нагретой жидкости. Однако в ней вода станет меньше испаряться, так как отсутствует прямой контакт с атмосферой. При этом ее конструкция зависит от объема расширительного мембранного. Если необходимо отопить большую площадь, придется подобрать вместительный бачок.
Гравитационная система отопления одноэтажного дома часто представлена «ленинградкой». Это классический вариант однотрубной отопительной схемы. Обычно вдоль наружной стены монтируется магистраль в виде одной трубы, к которой параллельно подсоединяются батареи. К конструктивным отличиям гравитационной «ленинградки» относится:
Разводка по ленинградской схеме отопления выполняется при использовании исключительно одной трубы, что упрощает монтаж. Однако ощутимо сэкономить на материалах не получится, так как нельзя уменьшать диаметр коллектора.
«Ленинградка» — внутридомовая отопительная сеть с малой эффективностью из-за так называемого ленивого затекания теплоносителя в батареи. В этой системе большая часть горячей воды циркулирует по коллекторному (магистральному) кольцу. Если же увеличить количество радиаторов, дальние отопительные приборы будут плохо греть.
Обычно «ленинградку» дополнительно оснащаются циркуляционным электронасосом. Он устанавливается на байпасе. Этот вариант позволяет увеличить число радиаторов. Если же электроэнергия будет отключена, контур станет работать в режиме самотека, после увеличения мощности теплогенерирующей установки.
Важно! «Ленинградка» может быть смонтированные в двухэтажном доме, но эффективность системы значительно снизились.
При просмотре видео можно узнать о всех особенностях «ленинградки»
В двухэтажном доме часто выполняется монтаж двухтрубного отопительного контура. Одним из его вариантов является разветвленная гравитационная система отопления «Паук». Такой контур успешно также будет работать в одноэтажном доме. К особенностям системы относится:
К недостаткам отопительной схемы «Паук» относится:
Система «Паук» позволяет не делать под потолком горизонтальную разводку. Тем более с помощью такого контура удается сделать удачное распределение теплоносителя.
В видео подробнее о системе «Паук»
Вам может понравится
Традиционная отопительная гравитационная внутридомовая сеть работает без циркуляционного электронасоса. Это самотечный контур, в котором теплоноситель циркулирует естественным образом. В нем горячая вода движется из-за ее разной плотности в подающей и обратной трубе.
Конструктивно традиционная «гравитационка» состоит из котла, обратки, подачи, разгонного участка подающего трубопровода, расширительного открытого бачка, радиаторов, арматуры. При необходимости в ГСО устанавливают электронасос на байпас.
Самотечный отопительный контур может иметь верхнюю или нижнюю разводку, вид одно- или двухтрубной системы, устройство типа «паук» или «ленинградка». Работоспособность конкретной схемы определяет в результате гидравлического расчета.
