Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией
Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.
Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.
Закрытая система с самотечной циркуляцией
В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:
- При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.
В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.
Открытая система с самотечной циркуляцией
Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.
Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.
Однотрубная система с самоциркуляцией
Однотрубная горизонтальная система с естественной циркуляцией имеет низкую теплоэффективность, поэтому используется крайне редко. Суть схемы такова, что подающая труба последовательно подключена к радиаторам.
Нагретый теплоноситель поступает в верхний патрубок батареи и выводится через нижний отвод. После этого тепло поступает к следующему узлу отопления и так до последней точки. От крайней батареи к котлу возвращается обратка.
Преимуществ у данного решения несколько:
- Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
Экономятся средства на монтаж системы.
Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования).
Двухтрубная система с самоциркуляцией
Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:
- Подача и обратка проходят по разным трубам.
Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
Второй подводкой батарея подключается к обратке.
В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:
- Равномерное распределение тепла.
Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
Проще выполнить регулировку системы.
Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.
Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.
Расчет двухтрубных систем
Речь пойдет о двухэтажном доме с двухтрубной системой отопления по два крыла на каждом этаже. Для обустройства системы применяются полипропиленовые трубы. Режим работы – 80/60, дельта температур – 20 градусов. Уровень теплопотерь – 38 кВт тепловой энергии (первый этаж – 20 кВт, второй – 18 кВт).
Порядок расчета:
- Для начала нужно определиться с тем, какой трубой оформить участок между котлом и первым разветвлением. Здесь транспортируется весь объем теплоносителя, передающий тепло в 38 кВт. Справочные данные указывают на два подходящих параметра – 40 и 50 мм. Выгоднее остановиться на меньшем диаметре 40 мм.
- В месте разделения потока 20 кВт направляется на первый этаж, а 18 кВт – на второй. Согласно справочнику проводится определение сечения. В этом случае для каждого направления оптимальным диаметром является 32 мм.
- В свою очередь, каждый контур включает в себя по две линии с равноценной нагрузкой. На первом этаже в обе стороны расходится по 10 кВт (20 кВт/2=10 кВт), на втором – по 9 кВт (18 кВт/2) = 9 кВт). Подходящими значениями для этих веток будет 25 мм. Данный параметр разумнее использовать до момента снижения нагрузки до 5 кВт. После этого переходят на диаметр 20 мм. Первый этаж переводится на 20 мм сразу за вторым радиатором. Второй этаж обычно переходит после третьего прибора. Как показывает практика, этот переход лучше всего осуществлять при нагрузке 3 кВт.
Таким образом проводится расчет диаметра полипропиленовых труб для двухтрубной системы. Определять размеры обратной трубы нет смысла: они берутся такие же, как и для подачи. Эта процедура несложная: главное – иметь всех исходные данные. Если для организации системы предполагается применение труб другого типа, использовать нужно данные под конкретный материал изготовления. Расчет диаметра труб отопление с естественной циркуляцией несколько отличается.
Выбор диаметра отопительных труб
Невозможно точно подсчитать, трубой какого диаметра делать отопление. Приходится выбирать из нескольких вариантов продукции, представленной в продаже. Дело в том, что добиться одного и того же результата можно различными способами.
Допустим, что требуется доставить к батареям определенное количество тепла и одновременно обеспечить равномерный прогрев радиаторов. В теплоснабжающих конструкциях с принудительной циркуляцией жидкости это делают с помощью насосного оборудования, теплоносителя и труб. Одним словом, необходимо добиться того, чтобы за конкретное время транспортировать определенный объем рабочей среды.
Реализовать это можно одним из двух способов:
- проложить трубы меньшего сечения и прогонять жидкость с большей скоростью;
- обустроить систему большого диаметра, но с меньшей интенсивностью перемещения.
Как показывает практика, владельцы недвижимости обычно выбирают первый вариант по ряду причин:
- Стоимость трубной продукции с меньшим диаметром дешевле и ее легче монтировать.
- При открытом способе прокладки трубы менее заметны, а при монтаже в пол или стены нужны штробы меньшего размера.
- В системе теплоснабжения при небольшом диаметре трубы отопления в квартире находится меньший объем теплоносителя, что понижает ее инерционность и позволяет экономить топливные ресурсы.
Поскольку производители выпускают трубную продукцию нескольких диаметров, по которой можно доставлять определенное количество тепла, то нецелесообразно каждый раз подсчитывать одно и то же.
Для этого специалистами в свое время были разработаны таблицы. С их помощью можно в зависимости от конкретного объема тепла, скорости перемещения рабочей среды и температурного режима функционирования системы, узнать возможный диаметр.
Чтобы определиться с этим параметром для теплоснабжающей конструкции, следует воспользоваться нужной таблицей и по ней вычислить, какому сечению труб на отопление отдать предпочтение.
Расчет для нее выполнялся на основании формулы, а далее полученные результаты заносились в таблицу:
D= , где:
D – искомый диаметр в миллиметрах;
∆t° – разница между величинами температуры на трубах подачи и обратки, °С;
Q – нагрузка на участок системы, а точнее количество тепла, требуемого для обогрева конкретного помещения, кВт;
V – скорость передвижения теплоносителя, м/с.
В системах автономного теплоснабжения скорость движения рабочей среды находится в промежутке от 0,2 м/с до 1,5 м/с. Как показывает практика, оптимальное значение этой величины 0,3 м/с – 0,7 м/с.
В случае, когда теплоноситель перемещается медленнее, в системе образуются воздушные пробки, а если быстрее, то значительно увеличивается уровень шума. Оптимальный диапазон скорости отражен в специальных таблицах. Они были составлены отдельно для каждого вида труб.
Их рассчитывали для работы систем в стандартных режимах, а именно в условиях средних и высоких температур. Чтобы процесс определения, какой диаметр трубы выбрать для отопления стал понятен, он будет показан на конкретных примерах.
Материал изготовления трубопровода
Виды труб для отопления
Для того, чтобы правильно выполнить расчет диаметров трубопроводов отопления следует знать особенности материала их изготовления. В настоящее время чаще всего для установки используются полипропиленовые трубы, которые характеризуются относительно большим тепловым расширением.
Определяющим фактором выбора являются полученные параметры системы. Они должны соответствовать эксплуатационным качествам труб – давлению, температурному режиму и т.д. Рассмотрим самые распространенные материалы изготовления трубопроводов исходя из их характеристик.
Металлопластиковые трубопроводы отопления
Соединительный элемент металлопластиковой трубы
До недавнего времени они были популярны при организации трубопроводов. Их преимуществами являются доступная стоимость, простой монтаж без особых требований к инструментам.
Однако со временем были замечены проблемы, свойственные именно этим типам трубопроводов:
- Высокие требования к качеству фитиновых соединений — эти элементы чаще всего выходили из строя;
- Чувствительны к перепаду давления и гидравлическим ударам. Если монтаж трубопроводов отопления был выполнен без соблюдения правил — возрастает вероятность порыва.
Поэтому чаще всего используется другой тип труб для установки в систему отопления.
Полипропилен для трубопровода
Конструкция полипропиленовой трубы
Отличается от металлопластиковых материалом изготовления и методом соединения. Для этого применяется сварка трубопроводов отопления с помощью специального паяльного устройства.
Транспортные магистрали, изготовленные из этих труб, обладают лучшими эксплуатационными характеристиками и лишены недостатков металлопластиковых. Для потребителя также важна общая стоимость трубопроводов – полипропилен и соединительные компоненты считаются самым доступным вариантом из всех, представленных на рынке.
К особенностям полимерных труб можно отнести:
- Различная степень расширения пластика и армирующей оболочки (алюминий или стекловолокно). Оно нивелируется компенсаторами для трубопроводов отопления;
- Обязательное соблюдение режимов сварки, зависящих от типа труб и ее диаметра;
- Возможность изгибы для минимизации соединительных узлов. Для изделий сечением от 8 до 32 мм он равен 8 диаметрам.
Для армированных полипропиленовых труб, которые применяются в отоплении, нужно перед процессом пайки очистить торец от армирующего слоя. Соблюдение этого правила является обязательным.
Стальные трубопроводы отопления
Стальные трубы в отоплении
В настоящее время можно редко встретить стальные магистрали в отоплении. Это связано с трудоемкостью их монтажа и коррозийными процессами при воздействии воды. Для сварки трубопроводов отопления потребуется специальный аппарат, а также определенные навыки его эксплуатации.
Важно при выполнении расчета трубопроводов систем водяного отопления учитывать толщину стенки, которая намного больше, чем у полимерных аналогов. В качестве альтернативы сварки можно применять резьбовое соединение
Но оно менее надежно, чем сварное.
Специфика установки стальных труб заключается в следующем:
- Прекрасно выдерживают большое давление до 16 атм. При этом давление разрушения может достигать 50 атм;
- Периодически скапливается известковый налет на внутренней поверхности. Поэтому необходимо регулярно выполнять промывку трубопроводов отопления;
- При наличии электрического котла вся магистраль в обязательном порядке заземляется;
- Для защиты от ржавления необходимо покрыть трубы краской.
Стальные магистрали лучше всего зарекомендовали себя в централизованных системах отопления. Они выдерживают критические гидроудары, а при соблюдении правил обслуживания наблюдается низкая скорость формирования коррозийного слоя.
Элементы конструкции теплопроводов
Теплопровод системы отопления – это совокупность всех труб, по которым происходит доставка нагретого теплоносителя к отопительным приборам и выведение его в охлажденном состоянии.
Конструкция теплопровода состоит из следующих элементов:
- магистраль, представляющую собой соединительную трубу, связывающую теплогенератор со стояком. Ее расположение определяет конфигурация системы водяного отопления. При горизонтальной системе с верхней разводкой подающая магистраль должна быть смонтирована выше отопительных приборов; при нижней разводке — ниже них. При вертикальной системе подающая магистраль должна находиться ниже отопительных приборов, а обратная — выше них. В водяной системе отопления с естественной циркуляцией нижние магистрали монтируют с уклоном (5 мм на 1 м длины) в сторону теплогенератора;
- подводки. Это трубы, соединяющие отопительный прибор со стояком или горизонтальной ветвью. Они бывают прямыми и с отступом (первая более предпочтительна, поскольку это упрощает монтаж и снижает гидравлическое сопротивление в системе;
- стояк — так называется труба между магистралью и подводками.
Все виды труб для трубопровода прокладывают открытым и скрытым способом. Как правило, используют первый как более дешевый и легкий в монтаже. Открытую проводку осуществляют после отделочных работ, ведут по стенам, близко к полу. Для соединения применяют сварку, муфты и фланцы.
При скрытой прокладке все типы труб для трубопровода заделывают в стены или в пол, поэтому они проводятся до отделочных работ. Для соединения элементов используют только сварку. Поскольку имеются ограничения диаметра труб, то при скрытой прокладке предполагается использование принудительной циркуляции теплоносителя.
↑ Однотрубная схема закрытого типа
Как видно из практики, иногда теплоноситель полностью остывает ещё до поступления в последние регистры отопления, поэтому самые дальние от котла комнаты практически не отапливаются.
Если вам нужна система, позволяющая нормально отапливать все комнаты дома, то от однотрубной схемы придётся отказаться. Они подходят только для маленьких домов, при этом сначала по этой схеме необходимо подключать жилые комнаты, а затем технические помещения. Это связано с постепенным охлаждением теплоносителя. 
Какие трубы лучше устанавливать
Практически все пластиковые трубы подходят для ХВС, а вот для ГВС подходят не все, так как они сильно удлиняются в результате нагрева.
Для подачи в дом питьевой воды можно использовать только изделия с соответствующим сертификатом соответствия.
Для ГВС предназначены трубы 1-го и 2-го класса, рассчитанные на теплоноситель, нагретый до 79°С. Систему отопления с батареями и тёплый пол необходимо делать с помощью армированных изделий, в структуре которых предусмотрен антидиффузионный слой (ограждает теплоноситель от насыщения кислородом, который в небольших количествах проникает через структуру полипропилена). 
Все эти трубы обозначаются определённой маркировкой.
Необходимо учесть, что полимерные изделия нельзя напрямую подключать к твердотопливным котлам. Минимум 1,5 м подачи и обратки должны быть из медных или металлических труб.
Для определения диаметра требуется произвести самостоятельно гидравлический расчёт системы, но для домов площадью до 250 м² его не обязательно делать.
Диаметр зависит от общей мощности регистров отопления, при этом нужно учесть, что разные участки трубопровода обслуживают только часть системы, поэтому подача часто меньше диаметра соединений и обратки.
Для балансировки системы требуется тоже выполнить гидравлический расчёт, позволяющий точно определить диаметр и длину всех участков, а также место установки радиаторных клапанов и электронасоса.
Расчет позволяет узнать:
- расход теплоносителя всего контура отопления в кг/с;
- потери напора в контуре;
- потери напора от котла (насоса) до каждого регистра.
Потери напора равняются произведению удельных потерь на трение в трубе и длины участка. Данные по трению можно найти в справочниках производителя.
Также необходимо учесть местное сопротивление на фитингах, арматуре и оборудовании. Коэффициент указывает производитель для каждого элемента.
Для расчёта коэффициент умножается на плотность и скоростью в квадрате, делённую на 2.
Затем складываются сопротивления каждого участков, после чего полученная цифра сравнивается с контрольным показателем. 
Материал труб
Прежде чем определять, какой диаметр трубы лучше подойдет для отопления частного дома, необходимо решить из какого материала будет выполнен сам трубопровод. Это позволяет обозначить способ монтажа, стоимость проекта и заранее спрогнозировать возможные теплопотери. Прежде всего, трубы подразделяются на металлические и полимерные.
Металлические
Сталь (чёрная, нержавеющая, оцинкованная).
Характеризуются отменной прочностью и устойчивостью к механическим повреждениям. Срок эксплуатации – не менее 15 лет (при антикоррозийной обработке до 50 лет).
Рабочая температура — 130⁰C. Максимальное давление в трубе — до 30 атмосфер. Не горючи. Однако тяжелы, сложны в монтаже (потребуется специальное оборудование и существенные временные затраты), подвержены коррозии. Высокий коэффициент теплопередачи повышает теплопотери ещё на этапе транспортировки теплоносителя к радиаторам. Требуется постмонтажная окраска. Внутренняя поверхность шероховата, что провоцирует накопление отложений внутри системы.
Максимальная температура рабочей среды — 250⁰C. Рабочее давление – 30 атмосфер и более. Эксплуатационный ресурс – более 100 лет. Высокая устойчивость к замерзанию носителя и коррозии.
Последнее накладывает ограничение на совместное использование меди с другими материалами (алюминием, сталью, нержавейкой); медь совместима только с латунью. Гладкость внутренних стен предотвращает образование налёта и не ухудшает пропускную способность трубопровода, что снижает гидравлическое сопротивление и даёт возможность использования труб меньшего диаметра. Пластичность, лёгкий вес и простая технология соединения (пайка, фитинги). Малая толщина стенок и соединительных фитингов сводит на нет гидравлические потери.
Самый значимый недостаток – крайне высокая стоимость, цена на медные трубы превышает цену на пластиковые аналоги в 5-7 раз. Кроме того мягкость материала делает его уязвимым в отношении находящихся в теплосистеме механических частиц (примесей), которые в результате абразивного трения приводят к износу труб изнутри. Чтобы продлить срок жизни медных труб, систему рекомендуется укомплектовывать специальными фильтрами.
Полимерные
Могут быть полиэтиленовыми, полипропиленовыми, металлопластиковыми. Каждая модификация обладает собственными техническими характеристиками в зависимости от технологии производства, используемых добавок и специфики строения.
Срок службы – 30 лет. Температура носителя — 95⁰C (кратковременно — 130⁰C); излишний нагрев приводит к деформации труб, сокращая эксплуатационный ресурс. Характеризуются недостаточной устойчивостью к замерзанию теплоносителя, в результате чего разрываются. Гладкость внутреннего покрытия предотвращает образование налёта, улучшая тем самым гидродинамические показатели трубопровода.
Пластичность материала позволяет прокладывать трубы без использования резки, сокращая тем самым количество фитинговых соединений. Пластик не вступает в реакцию с бетоном и не ржавеет, что позволяет скрыть теплопровод в полу и обустраивать «тёплые полы». Особым преимуществом пластиковых труб считается хорошие звукоизоляционные свойства.
Полиэтиленовые трубы под воздействием высоких температур склонны к значительному линейному расширению, что требует обустройства дополнительных компенсационных петель и точек крепления.
Уровень давления в контуре предопределяет не только диаметр полимерных труб, но и толщину стенок, которая варьируется в диапазоне от 1,8 до 3 мм. Фитинговые соединения упрощают монтаж контура, но увеличивают гидравлические потери.
Решая, какой диаметр выбрать, следует учитывать специфику маркировки различных труб:
- пластиковые и медные маркируются по внешнему сечению;
- стальные и металлопластиковые – по внутреннему;
- часто сечение обозначается в дюймах, для проведения расчёта их требуется перевести в миллиметры. 1 дюйм = 25,4 мм.
Чтобы определить внутренний диаметр трубы, зная размеры внешнего сечения и толщины стенок, следует от внешнего диаметра отминусовать удвоенное значение толщины стенок.
Виды и характеристики
Трубы для отопления подразделяются по материалу изготовления. Типоразмеров любого вида много, они легко доступны в магазинах. Чугунные трубы уже практически не встречаются и не применяются. По профилю для отопления применяются только изделия с круглым сечением. По способу изготовления – они могут быть сварные или бесшовные. По толщине стенки – с нормальной стенкой (для стали ходовых диаметров 20-25 32 мм толщина стенки составляет 3-3,5 мм).
Из чугуна
Применение чугунных труб для отопления – очень большая редкость из-за их нетехнологичности: сложности или невозможности сварки, невозможности нарезать резьбу в нужном месте, большого веса. Практически, очень редко встречаются ребристые трубы, которые используют как радиаторы. Монтируются они при помощи фланцев. В жилье такие трубы-радиаторы не применяются.
Из меди
Медные трубы – сравнительно новый материал для систем отопления на нашем рынке. Медь очень долговечна, не зарастает, имеет очень тонкие стенки — система получается легкой и компактной. Определенную сложность имеет монтаж – при помощи сварки и латунных фитингов. Широкое распространение медных систем отопления сдерживает цена и необходимость приглашать сварщика.
Медные изделия бывают отожженные и неотожженные. Разницы для систем отопления нет, но чаще применяют неотожженные изделия – они тверже и меньше деформируются в процессе эксплуатации.
Из черной стали
Достаточно долговечны, зарастают изнутри солями, отчего уменьшается просвет труб и эффективность системы. Основной способ монтажа – с помощью сварки или на сгонах и резьбах. В домах и квартирах практически не применяются – даже частичный ремонт системы легче выполнить пластиком.
Из оцинкованной стали
Оцинкованные трубы долго не зарастают изнутри солями (пока полностью не разрушится слой цинка). Фактический срок службы старых труб для ВГП – до 50 лет и больше. Раньше их применяли повсеместно. У них достаточно сложный монтаж – на заготовках необходимо нарезать резьбу, затем покрыть цинком. Монтируются на резьбовые фитинги. Способ монтажа не подходит для использования в частном строительстве. Применять сварку нельзя – соединение начнет ржаветь с той же скоростью, что и черный металл, и весть эффект от покрытия цинком пропадает.
Из нержавеющей стали
Материал используют для труб отопления очень давно. Нержавейка не зарастает, не ржавеет. Раньше монтировали на сварке, сейчас применяют и сварку, и резьбовые фитинги. Распространение ограничено ценой и сложным монтажом – и сварка, и нарезка резьбы требуют определенных навыков от мастера.
Материал пластичен и устойчив к гидроударам – поэтому для отопления можно ГОСТ предусматривает трубы с небольшой толщиной стенки (например, 2 мм). Бывают гофрированные изделия из нержавейки, но их прочность ниже, чем обычных гладких.
Диаметр труб и его влияние на КПД системы отопления
Система отопления функционирует эффективно только тогда, когда проект трубопровода выполнен корректно
На этапе планирования важно рассчитать вероятные теплопотери и попытаться их максимально сократить. Иначе, несмотря на внушительные энергозатраты, отопительная система справляться со своими задачами полноценно не будет
При покупке труб для монтажа отопительной сети необходимо учитывать не только физико-химические характеристики материала, но и то, какой длины и диаметра будет ваш трубопровод. Такой подход позволит создать экономичную систему отопления с высоким КПД.
Сечение труб влияет на гидродинамику трубопровода, поэтому выбор диаметра труб для отопления нельзя проводить бездумно.
Многие думают, что с увеличением диаметра труб отопления растет эффективность самой системы. Но это утверждение ошибочно. При неоправданно большом диаметре давление в системе отопления снижается, достигая минимальных значений, что приводит к отсутствию отопления в доме как такового.
Как подобрать диаметр трубы, если планируется монтаж трубопровода в частном коттедже? В первую очередь ориентируйтесь на то, каким способом теплоноситель будет подаваться в вашу отопительную систему. Если вы подключены к централизованной магистрали, то расчет осуществляется так же, как и при проведении тепла в квартире.
Таблица расхода теплоносителя, скорости его движения и потерь давления стальных и ПЭ труб различных диаметров
Но если ваш дом оснащен автономной отопительной системой, тут диаметр зависит от материала изготовления труб и от схемы отопления. Например, для сети с естественной циркуляцией теплоносителя понадобятся трубы одного диаметра, а при добавлении в систему насоса – другого.
