• Однотрубные и двухтрубные системы отопления
• Недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды:
• Преимущества системы отопления с естественной циркуляцией воды:

Принципиальная схема системы водяного отопления с естественной циркуляцией воды (теплоносителя) показана на рисунке 1. Вода от котла к нагревательным приборам и обратно двигается под действием гидростатического напора, возникающего благодаря различной плотности охлажденной и нагретой воды (жидкости-теплоносителя).

Какая же сила заставляет воду циркулировать в системе водяного отопления с естественной циркуляцией, т.е. двигаться по трубам из котла в нагревательные приборы и обратно в котел? Эта естественная циркуляционная сила возникает при нагревании воды в котле и охлаждении ее в нагревательных приборах. Вода, нагретая в котле 1, как более легкая (имеющая меньшую плотность), поднимается по главному подающему стояку 2 вверх. Из стояка вода поступает в разводящие магистральные трубопроводы 3, а из них через подающие стояки 4 - в нагревательные приборы. Здесь вода остывает и поэтому становится более тяжелой. Например, плотность воды при 40 град. составляет 992,24 кг/м³, при 70 °С - 977,8 кг/м³, при 95°С - 961,9 кг/м³. Охлажденная вода через обратные стояки 5 и обратную линию 6 опускается вниз и своим весом вытесняет нагретую воду из котла (теплогенератора) вверх - в главный подающий стояк.

Описанный процесс естественной циркуляции непрерывно повторяется и в результате происходит постоянное движение воды в системе водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя.

Рисунок 1. Система водяного отопления с естественной циркуляцией (с верхней разводкой)

1- котел; 2 - главный стояк; 3 - разводящая линия; 4 - горячие стояки; 5 - обратные стояки; 6 - обратная линия; 7 - расширительный бак; 8 - сигнальная линия.

Сила естественной циркуляции воды в системе отопления, или, как принято говорить, циркуляционное давление, зависит от разности весов столба горячей и столба охлажденной (обратной) воды, следовательно, она зависит от разности температур горячей и обратной воды. Кроме того, сила естественной циркуляции воды в системе отопления обуславливается ещё высотой расположения нагревательного прибора над котлом: чем выше расположен нагревательный прибор, тем больше для него циркуляционное давление.

Это можно доказать следующим образом.

В системах водяного отопления наибольшая температура горячей воды обычно равна 95°С , а охлажденной - 70°С. Если пренебречь охлаждением воды в трубах системы отопления, то можно считать, что в нагревательный прибор вода поступает с температурой 95°С , а уходит из него с температурой 70°С. При этом условии определим сначала для верхнего, а затем для нижнего нагревательного прибора циркуляционное давление, под влиянием которого происходит через них движение воды.

Проведем на рисунке 1 пунктирные горизонтальные линии через центры нагревательных приборов и котла. Допустим, что эти линии являются границей между водой с температурой 95°С и водой с температурой 70°C . Очевидно, что на участке системы отопления ВГДЛЕ температура воды будет одинакова и равна 95°С , следовательно, здесь не может возникнуть сила, которая заставила бы воду циркулировать в системе водяного отопления с естественной циркуляцией. Одинакова и равна 70°С; температура на участке системы отопления АКИЗ , поэтому и тут не может быть создана необходимая сила для движения воды в системе отопления с естественной циркуляцией. Остается раcсмотреть остальные два участка - АВ и ЕЗ. На участке системы отпления АВ температура воды равна 95°С, а на участке ЕЗ она составляет 70°С. При таком соотношении температур налицо необходимое условие для возникновения силы естественной циркуляции в системе отопления (циркуляционное давление) - вследствие разности весов воды на участке ЕЗ и АВ и создается естественная циркуляция в кольце АБВГДЛЕЖЗИК системы отопления. Сказанное относится к верхнему нагревательному прибору.

Для нагревательного прибора системы отопления, расположенного в нижнем этаже и включенного в кольцо АБВГДЛМЖЗИК, сила естественной циркуляции будет создаваться разностью весов столба воды ЖЗ и столба АБ , так как на участке системы отопления БГДМЖ температура одинакова и равна 95°С, а на участке АЕИЗ температура тоже одинакова и равна 70°С. Но высота столбов воды АВ и ЕЗ соответственно больше высоты столбов воды АБ и ЖЗ. Следовательно, и разница в весе столбов воды АВ и ЕЗ будет больше разницы в весе столбов воды АБ и ЖЗ, отсюда сила естественной циркуляции (циркуляционное давление) для нагревательного прибора второго этажа больше, чем для нагревательного прибора первого этажа.

Этим объясняется следующее часто наблюдающееся явление: в системах водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя, нагревательные приборы верхних этажей прогреваются лучше, чем нагревательные приборы нижних этажей.

Из приведенных выше рассуждений вытекает, что в двухтрубных системах отопления с естественной циркуляцией теплоносителя нагревательные приборы, расположенные на одном уровне с котлом или ниже его, работать не будут или же будут очень слабо прогреваться. Для указанных систем отопления практикой установлено наименьшее расстояние между центром нагревательных приборов нижнего этажа и центром котла в 3 метра. В связи с этим котельные для систем отопления должны иметь достаточное заглубление.

Указанного недостатка лишены однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя. В этом случае гидростатический напор, заставляющий циркулировать воду в системе, будет образовываться из-за охлаждения воды в трубопроводах, подводящих нагретую воду к нагревательным приборам, а также отводящих охлажденную воду от нагревательных приборов к котлу.

Это охлаждение воды полезно, во-первых, для создания гидростатического напора, а во-вторых, для дополнительного, обогрева помещения, поэтому указанные трубопроводы прокладывают открыто и не изолируют. Напротив, охлаждение воды в главном стояке системы отопления (подъемном трубопроводе) вредно, ибо приводит к снижению температуры и увеличению плотности и, как следствие, к уменьшению гидростатического напора. В связи с этим подъемный стояк от котла необходимо тщательно теплоизолировать.

Количество тепла, отдаваемого помещению нагревательными приборами системы отопления, зависит от количества поступающей в прибор воды и ее температуры. В свою очередь, количество воды, которое может быть пропущено через трубопровод к нагревательному прибору, зависит от силы естественной циркуляции, заставляющего воду двигаться по трубе. Чем больше сила естественной циркуляции воды в системе отопления, тем меньше может быть диаметр трубы для пропуска определенного количества воды и наоборот чем меньше сила циркуляции (циркуляционное давление), тем больше должен быть диаметр трубы системы отопления.

Но для нормальной рабоы системы отопления с естественной циркуляцией требуется еще одно условие: чтобы циркуляционное давление (сила естественной циркуляции) было достаточным для преодоления всех сопротивлений, которые встречает движущаяся в этой системе вода. Известно, что вода при своем движении в системе отопления встречает сопротивления, вызываемые трением воды о стенки труб, а кроме них, еще и местные сопротивления, к которым относятся отводы, тройники, крестовины, краны, нагревательные приборы и котлы.

Сопротивление движущейся воды вследствие трения, зависит от диаметра и длины трубопровода, а также от скорости движения воды (если скорость увеличится в два раза, то сопротивление - в четыре раза, т.е. в квадратичной зависимости). Чем меньше диаметр и больше длина трубопровода и чем выше скорость воды, тем больше сопротивление создается на пути воды и наоборот. В схеме системы отопления с естественной циркуляцией, изображенной на рисунке 1, имеется два кольца: одно, проходящее через ближайший к котлу стояк, и другое, которое проходит через дальний стояк. Так как первое кольцо системы отопления короче второго, то при одинаковой в обеих кольцах тепловой нагрузке и одинаковых диаметров труб будет проходить по короткому кольцу больше воды, чем требуется по расчету, в результате по длинному кольцу системы будет проходить меньше воды, чем следует по расчету. Чтобы этого избежать, необходимо для дальнего стояка системы отопления применять трубы большего диаметра, чем для ближайшего стояка, и таким образом уравнять сопротивления в обеих кольцах системы. При большей длине труб сопротивление возрастает, с увеличением диаметра труб оно падает.

Величина местного сопротивления зависит, во-первых, от скорости воды, следовательно, и от изменения сечения, вызывающего изменение этой скорости (например, в кранах, нагревательных приборах, теплогенераторах и т.д.), во-вторых, от изменения направления, по которому движется вода, и изменения количества воды (например, в отводах, тройниках, крестовинах, вентилях).

Показанная на рисунке 1 система отопления с естественной циркуляцией воды - это система с верхней разводкой. На рисунке 1 горячая вода поднимается через главный стояк в магистральный трубопровод, прокладываемый обычно на чердаке дома.

Рис.2. Система водяного отопления с естественной циркуляцией (с нижней разводкой)

1 - нагревательный котел; 2 - воздушная линия; 3 - разводящая линия; 4 - горячие стояки; 5 - обратные стояки; 6 - обратная линия; 7 - расширительный бак; 8 - сигнальная линия.

На рисунке 2 показана система отопления с нижней разводкой. В этой системе, с естественной циркуляцией, подающая магистраль, питающая восходящие стояки, располагается на первом этаже в подпольном канале или же в подвале здания. Обратные стояки присоединяются к общей обратной магистрали.

По принципу действия система отопления (с естественной циркуляцией) с нижней разводкой не отличается от системы с верхней разводкой. И тут, и там циркуляция воды создается потому, что горячая вода, как более легкая, вытесняется обратной водой вверх по стоякам; остывая в нагревательных приборах, эта вода опускается вниз через обратные стояки и снова поступает в котел.

В системах с естественной циркуляцией в зданиях небольшой этажности величина циркуляционного давления невелика, и поэтому нельзя допускать больших скоростей движения воды в трубах; следовательно, диаметры труб системы отопления должны быть большими. Система отопления может оказаться экономически невыгодной. Поэтому применение систем отопления с естественной циркуляцией допускается лишь для небольших зданий.

Конструктивные схемы систем водяного отопления

Конструктивно системы водяного отопления (как с естественной, так и с искусственной циркуляцией) подразделяют:

• по месту прокладки подающей магистрали - на системы с верхней и нижней разводкой;
• по способу присоединения нагревательных приборов к подающим стоякам - на однотрубные и двухтрубные;
• по расположению стояков - на системы с вертикальными и горизонтальными стояками;
• по схеме прокладки магистрали - на системы с тупиковой схемой и с попутным движением воды в магистралях.

Однотрубные и двухтрубные системы отопления

Однотрубные системы водяного отопления не имеют обратных стояков, и вода, охлажденная в нагревательных приборах, возвращается в подающие стояки.

В однотрубных системах в нижние нагревательные приборы поступает смесь горячей воды и воды, охлажденной в верхних приборах. Так как температура этой смеси ниже температуры воды б приборах верхних этажей, то поверхность нагрева нижних приборов должна быть несколько увеличена.

В однотрубных системах отопления вода циркулирует в нагревательных приборах и стояках, которые их питают, вследствие разности температур воды в тех и других. Однотрубные системы можно устраивать по двум схемам. При схеме радиаторы поступает из стояка только часть воды, остальная вода направляется по стояку к нижерасположенным радиаторам, Количество воды для каждого нагревательного прибора можно регулировать кранами, установленными у приборов.

Другая проточная система отопления. Здесь вся вода из стояка проходит последовательно через все нагревательные приборы, начиная с верхней. В отличии от простой однотрубной системы, в проточной системе в нижележащие радиаторы поступает не смесь горячей и охлажденной в верхних приборах воды, а только охлажденная вода.

В проточных системах нельзя ставить у нагревательных приборов обычные краны двойной регулировки. Если бы были установлены такие краны, то, перекрыв у того или иного прибора крап, уменьшили бы подачу воды во все приборы, присоединенные к стояку, а полностью закрыв один из кранов, можно прекратить циркуляцию воды через все приборы данного стояка. Между тем установка нагревательных приборов без кранов влечет за собой большие неудобства, так как тогда становится невозможным регулировать температуру воздуха в помещениях.

Однотрубные системы отопления могут выполнятся только с верхней разводкой, поэтому их применяют в зданиях, где имеются чердаки и где можно располагать подающие магистрали в верхних этажах. Поэтажный пуск данных систем в действие невозможен, и в этом их недостаток,

Однако по сравнению с двухтрубными системами отопления однотрубные проще в монтаже и, кроме того, имеют более красивый внешний вид. Достоинство их в том, что на устройство однотрубной системы требуется меньше труб, чем на устройство двухтрубной.

Все эти положительные особенности однотрубных систем весьма существенны и вполне оправдывают их широкое применение.

Системы отопления с вертикальными и горизонтальными стояками

Если нагревательные приборы разных этажей подключаются к единому стояку, то такая система является системой с вертикальными стояками. Если нагревательные приборы одного этажа подключаются к единому стояку - это система с горизонтальными стояками. Преимуществом системы с горизонтальным расположением стояка является меньшая стоимость монтажа и экономия труб. Недостатком является сложность эксплуатации и возможность скопления воздуха в нагревательных приборах с образованием воздушных пробок.

Недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды:

• сокращен радиус действия (до 30м по горизонтали) из-за небольшого циркуляционного давления;
• повышена стоимость (до 5-7% стоимости здания), в связи с применением труб большого диаметра;
• увеличены расход металла и затраты труда на монтаж системы;
• замедлено включение системы в действие;
• повышены опасность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях.

Преимущества системы отопления с естественной циркуляцией воды:

• относительная простота устройства и эксплуатации системы отопления;
• независимость действия от снабжения электрической энергией;
• отсутствие насоса, а соответственно шума и вибраций;
• сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации система может действовать 35-40 лет и более без капитального ремонта);
• саморегулирование, обусловливающее ровную температуру помещений. В системе при изменении температуры и плотности воды изменяется и расход вследствие возрастания или уменьшения естественного циркуляционного давления. Одновременное изменение температуры и расхода воды обеспечивает теплопередачу приборов, необходимую для поддержания заданной температуры помещений, т.е. придает системе тепловую устойчивость.