Гравитационное отопление

 

Существует мнение, что гравитационное отопление является анахронизмом в наш компьютерный век. Но что делать, если вы построили дом в местности, где пока нет электричества или электроснабжение осуществляется с большими перебоями? В этом случае придется вспомнить дедовский способ организации отопления. Вот о том, как организовать гравитационное отопление, мы и поговорим в этой статье.

 

Гравитационная система отопления

 

Гравитационная система отопления была изобретена в 1777 г. французским физиком Боннеманом (Bonneman) и предназначалась для обогрева инкубатора.

 

Но только с 1818 г., гравитационная система отопления стала повсеместно применяться в Европе, правда пока только для теплиц и оранжерей. В 1841 году англичанин Гудом (Hood) разработал методику теплового и гидравлического расчета систем с естественной циркуляцией. Ему удалось теоретически доказать пропорциональность скоростей циркуляции теплоносителя квадратным корням из разницы высот центра нагрева и центра охлаждения, то есть перепада высот между котлом и радиатором. Естественная циркуляция теплоносителя в системах отопления была достаточно хорошо изучена и имела мощную теоретическое обоснование.

 

Но с появлением насосных отопительных систем интерес ученых к гравитационной системе отопления неуклонно угасал. В настоящее время, гравитационное отопление поверхностно освещают в институтских курсах, что привело к неграмотности специалистов, осуществляющих монтаж данной системы отопления. Стыдно сказать, но монтажники, строящие гравитационное отопление в основном используют советы «бывалых» да те скупые требования, которые изложены в нормативных документах. Стоит помнить, что нормативные документы только диктуют требования и не дают объяснение причин появления того или иного явления. В связи с этим в среде специалистов бытует достаточное количество заблуждений, которые и хотелось немного развеять.

 

 

Классическое двухтрубное гравитационное отопление

 

Для того, чтобы понять принцип работы гравитационной системы отопления, рассмотрим пример классической двухтрубной гравитационной системы, со следующими исходными данными:

• начальный объем теплоносителя в системе – 100 литров;
• высота от центра котла до поверхности нагретого теплоносителя в баке Н = 7 м;
• расстояние от поверхности нагретого теплоносителя в баке до центра радиатора второго яруса h₁ = 3 м,
• расстояние до центра радиатора первого яруса h₂ = 6 м.
• Температура на выходе из котла – 90 °С, на входе в котел – 70 °C.

 

Действующее циркуляционное давление для радиатора второго яруса можно определить по формуле:

Δp₂ = (ρ₂ – ρ₁) · g · (H – h₁) = (977 – 965) · 9,8 · (7 – 3) = 470,4 Па.

Для радиатора первого яруса оно составит:

Δp₁ = (ρ₂ – ρ₁) · g · (H – h₁) = (977 – 965) · 9,8 · (7 – 6) =117,6 Па.

 

Чтобы расчет получился более точным, необходимо учесть остывание воды в трубопроводах.

 

Прокладка трубопровода при гравитационном отоплении

 

Многие специалисты считают, что прокладка трубопровода должна происходить с уклоном по направлению движения теплоносителя. Не спорю, что в идеале так и должно быть, но на практике это требование не всегда удается выполнить. Где-то балка мешает, где-то потолки сделаны в разных уровнях. Что же будет, если смонтировать подающий трубопровод с обратным уклоном?

 

Уверен, что ничего страшного не произойдет. Циркуляционное давление теплоносителя, если и снизится, то совсем на небольшую величину (несколько паскалей). Произойдет это за счет паразитного влияния, остывающего в верхнем розливе теплоносителя. При такой конструкции воздух из системы придется удалять с помощью проточного воздухосборника и воздухоотводчика. Такое устройство показано на рисунке. Здесь дренажный кран предназначен для выпуска воздуха в момент заполнения системы теплоносителем. В рабочем режиме этот кран должен быть закрыт. Такая система останется полностью работоспособной.

 

Движение охлажденного теплоносителя

 

Одним из заблуждений является то, что в системе с естественной циркуляцией охлажденный теплоноситель вверх двигаться не может. С эти я тоже не согласен. Для циркуляционной системы понятие верх и низ весьма условное. На практике, если обратный трубопровод на каком-то участке поднимается, то где-то он на эту же высоту опускается. При этом гравитационные силы уравновешиваются.

 

Трудность только в преодолении местных сопротивлений на поворотах и линейных участках трубопровода. Все это, а также возможное остывание теплоносителя на участках подъема должно учитываться в расчетах. Если система грамотно рассчитана, то схема, представленная на рисунке ниже, имеет право на существование. К слову сказать, в начале прошлого века такие схемы достаточно широко применялись, несмотря на свою слабую гидравлическую устойчивость.

 

Расположение подающего трубопровода

 

Часто можно услышать мнение, что в гравитационных системах отопления подающий трубопровод должен проходить над всеми ярусами радиаторов. С моей точки зрения, это совсем не обязательно. Расположение подающего трубопровода с надлежащим уклоном под потолком верхнего этажа или на чердаке позволит удалить воздух из системы через открытый расширительный бак. Но проблему удаления воздуха можно решить и с помощью автоматического воздухоотводчика или отдельной воздушной линии.

 

Расположение радиаторов

 

Говорят, что при естественной циркуляции теплоносителя, радиаторы, в обязательном порядке, должны располагаться выше котла. Данное утверждение справедливо только тогда, когда отопительные приборы расположены в один ярус. Если количество ярусов два и более, радиаторы нижнего яруса можно располагать и ниже котла, что, обязательно должно быть проверено гидравлическим расчетом.

 

В частности, для примера, показанного на рисунке ниже, при H = 7 м, h₁ = 3 м, h₂ = 8 м, действующее циркуляционное давление составит:

g · [H · (ρ₂ – ρ₁) – h₁ · (ρ₂– ρ₁) – h₂ · (ρ₂– ρ₃)] = 9,9 · [ 7· (977 – 965) – 3 · (973 – 965) – 6 · (977 – 973)] = 352,8 Па.

 

Здесь:

ρ₁ = 965 кг/м³ – плотность воды при 90 °С;

ρ₂ = 977 кг/м³ – плотность воды при 70 °С;

ρ₃ = 973 кг/м³ – плотность воды при 80 °С.

 

Получившееся циркуляционного давления достаточно для работоспособности приведенной системы.

 

Гравитационное отопление — замена воды на антифриз

 

Где-то прочитал, что гравитационное отопление, рассчитанное на воду, можно безболезненно перевести на антифриз. Хочу вас предостеречь от таких действий, так как без надлежащего расчета такая замена может привести к полному отказу системы отопления. Дело в том, что растворы на гликолевой основе обладают значительно большей вязкостью, чем вода. Кроме того, удельная теплоемкость этих жидкостей ниже, чем у воды, что потребует, при прочих равных условиях, повышения скорости циркуляции теплоносителя. Эти обстоятельства существенно увеличивают расчетное гидравлическое сопротивление системы, заполненной теплоносителями с низкой температурой замерзания.

 

Использование открытого расширительного бака

 

Практика показывает, что в открытый расширительный бак необходимо постоянно доливать теплоноситель, так как он испаряется. Согласен что, это действительно большое неудобство, но его можно легко устранить. Для этого можно использовать воздушную трубку и гидравлический затвор, устанавливаемый, ближе к нижней точке системы, рядом с котлом. Данная трубка служит воздушным демпфером между гидравлическим затвором и уровнем теплоносителя в баке. Поэтому, чем больше ее диаметр, тем меньше будет уровень колебаний уровня в бачке гидрозатвора. Особо продвинутые умельцы умудряются закачивать в воздушную трубку азот или инертные газы, тем самым предохраняя систему от проникновения воздуха.

 

Использование циркуляционного насоса в гравитационном отоплении

 

В разговоре с одним монтажником я услышал, что насос, установленный на байпасе главного стояка, не может создать эффект циркуляции, так как установка запорной арматуры на главном стояке между котлом и расширительным баком запрещена. Поэтому можно поставить насос на байпасе обратной линии, а между врезками насоса установить шаровой кран. Такое решение не очень удобно, так как каждый раз перед включением насоса надо не забыть перекрыть кран, а после выключения насоса – открыть. При этом установка обратного клапана невозможна из-за его значительного гидравлического сопротивления. Чтобы выйти из этого положения, мастера пытаются переделать обратный клапан в нормально открытый.

 

Такие «модернизированные» клапаны создадут в системе звуковые эффекты из-за постоянного «хлюпанья» с периодом, пропорциональным скорости теплоносителя. Могу предложить другое решение. На главном стояке между врезками байпаса устанавливается поплавковый обратный клапан для гравитационных систем. Поплавок клапана в режиме естественной циркуляции открыт и не мешает движению теплоносителя. При включении насоса на байпасе клапан перекрывает главный стояк, направляя весь поток через байпас с насосом.

 

В этой статье я рассмотрел далеко не все заблуждения, существующие у специалистов, монтирующих гравитационное отопление. Если статья вам понравилась, готов продолжить ее ответами на ваши вопросы.

 

В следующей статье я расскажу о строительных материалах.