Системы водяного отопления с естественной и насосной циркуляцией. Устройство, схемы подключения отопительных приборов.

1. Системы водяного отопления

Водяное отопление – это способ отопления помещений с помощью жидкого теплоносителя (воды, или антифриза на водяной основе). Передача теплоты в помещения производится с помощью отопительных приборов (радиаторов, конвекторов, регистров труб и т.д.).

В отличие от парового отопления, вода находится в жидком состоянии, а значит - имеет более низкую температуру. Благодаря этому водяное отопление более безопасно. Радиаторы для водяного отопления имеют большие габариты, чем для парового. Кроме того, при передаче теплоты с помощью воды на большое расстояние температура сильно падает. Поэтому часто делают совмещённую систему отопления: от котельной с помощью пара теплота поступает в здание, где в теплообменнике нагревает воду, которая уже поступает к радиаторам.

В системах водяного отопления циркуляция воды может быть как естественной, так и искусственной. Системы с естественной циркуляцией воды просты и относительно надёжны, но имеют невысокую эффективность (это зависит от правильного проектирования системы).

Недостатком водяного отопления также являются воздушные пробки, которые могут образовываться после спуска воды при ремонте отопления и после сильных похолоданий, когда температуру в котельных повышают и часть растворенного в ней воздуха выделяется из нее. Для борьбы с ними устанавливаются специальные спусковые клапаны. Перед началом отопительного сезона с помощью этих клапанов выпускается воздух благодаря избыточному давлению воды.

Системы отопления различают по многим признакам, например: - по способу разводки - с верхней, нижней, комбинированной, горизонтальной, вертикальной разводкой; - по конструкции стояков - однотрубные и двухтрубные;

- по ходу движения теплоносителя в магистральных трубопроводах - тупиковые и попутные; - по гидравлическим режимам - с постоянным и изменяемым гидравлическим режимом; - по сообщению с атмосферой - открытые и закрытые.

2. Системы отопления с естественной циркуляцией воды

Это одни из самых простых и распространенных систем отопления для небольших домов и квартир с индивидуальным отоплением. Недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды: - небольшой радиус действия (до 30 м по горизонтали), что является результатом небольшого циркуляционного давления; - замедленное включение в действие из-за большой теплоемкости воды и малого естественного циркуляционного давления; - повышенная опасность замерзания воды в расширительном бачке, если он смонтирован в неотапливаемом помещении.

Принципиальная схема системы отопления с естественной циркуляцией состоит из котла (водоподогревателя), подающего и обратного трубопроводов, отопительных приборов и расширительного бачка. Нагретая в котле вода поступает по подающему трубопроводу и стоякам в отопительные приборы, отдает им часть своей теплоты, затем по обратному трубопроводу возвращается в котел, где вновь подогревается до необходимой температуры, и далее цикл повторяется.

Рис. 1. Принципиальная схема водяной системы отопления с естественной циркуляцией воды

Все горизонтальные трубопроводы системы делаются с наклоном в сторону движения воды: нагретая вода, поднявшись по стояку вследствие температурного расширения и выдавливания более холодной водой обратного трубопровода, растекается по горизонтальным отводам самотеком, а охлажденная вода также самотеком поступает обратно в котел. Уклоны трубопроводов способствуют и отводу пузырьков воздуха из труб к расширительному баку: газ легче воды, поэтому он стремится вверх, а наклонные участки трубопроводов помогают ему нигде не задерживаться и поступать в расширитель, а затем в атмосферу. Расширительный бачок создает постоянное давление в системе, принимает увеличивающийся при нагревании объем воды, а при охлаждении отдает воду обратно в трубопровод.

Вода в системе отопления поднимается за счет расширения при нагревании и под действием гравитационного давления, движение (циркуляция) возникает из-за разности плотностей нагретой (поднимающейся по подающему стояку) и охлаждённой воды (спускающейся по обратному). Гравитационное давление расходуется на движение теплоносителя и преодоление сопротивлений в сети трубопроводов. Эти сопротивления вызываются трением воды о стенки труб, а также наличием в системе местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся: ответвления и повороты трубопроводов, арматура и сами отопительные приборы. Чем больше сопротивлений возникает в трубопроводе, тем больше должно быть гравитационное давление. Для уменьшения трения применяются трубы увеличенных диаметров.

Циркуляционный напор Pц = h (ρо- ρг) зависит (рис. 1): - от разности отметок центра котла и центра нижнего отопительного прибора h, чем больше разность высот между центрами котла и прибора, тем лучше будет циркулировать теплоноситель; - от плотности горячей воды ρг и охлажденной воды ρо.

Как появляется циркуляционный напор? Представим, что в котле и радиаторах отопления температура теплоносителя меняется скачкообразно по центральным осям этих приборов, что, кстати, недалеко от истины. То есть в верхних частях котла и радиаторов находится горячая вода, а в нижних - охлажденная. Горячая вода имеет меньшую плотность, а следовательно, и меньший вес, чем охлажденная вода. Мысленно срежем верхнюю часть отопительного контура (рис. 2) и оставим только нижнюю часть. И что же мы видим? А то, что мы имеем дело с двумя сообщающимися сосудами, хорошо знакомым нам из школьной физики. Верх одного сосуда находится выше верха другого; вода под действием сил гравитации стремится переместиться из верхнего сосуда в нижний. Отопительный контур - замкнутая система, вода в нем не выплескивается, как в сообщающихся сосудах, а стремится «успокоиться» (занять один уровень). Таким образом, высокий столб охлажденной тяжелой воды после радиаторов постоянно выталкивает низкий столб воды перед котлом и подталкивает горячую воду, то есть возникает естественная циркуляция. Иными словами, чем выше находится центр радиаторов относительно центра котла, тем больше циркуляционный напор. Высота установки - это, первый показатель напора. Уклоны подающих трубопроводов в сторону радиаторов и обратной магистрали от радиаторов к котлу лишь способствуют этому процессу, помогая воде преодолевать местные сопротивления в трубах.

Рис. 2. Графическая схема возникновения циркуляционного напора

Поэтому в частных домах лучше всего размещать котел ниже отопительных приборов, например, в подвале. Второй показатель, от которого зависит циркуляционный напор, это разница между плотностями охлажденной и горячей воды. Системы с естественной циркуляцией теплоносителя относятся к саморегулирующимся системам. При проведении качественного регулирования, то есть при изменении температуры нагрева воды, самопроизвольно возникают количественные изменения - изменяется расход воды. Из-за изменения плотности горячей воды будет увеличиваться (уменьшаться) естественное циркуляционное давление, а следовательно - и количество циркулирующей воды. То есть, когда на улице холодно, становится холоднее и в доме и включая котел на полную мощность, увеличиваем нагрев воды, заметно уменьшая ее плотность. Придя в отопительные приборы, вода отдает теплоту охлажденному воздуху в помещении, ее плотность при этом сильнее повышается. Посмотрев на часть формулы, стоящую в скобках, мы видим, что чем больше разность между плотностями охлажденной и горячей воды, тем больше циркуляционный напор. Следовательно, чем сильнее нагрета вода в котле и чем сильнее она остывает в радиаторе, тем быстрее она циркулирует по системе отопления и это происходит до тех пор, пока воздух в помещении не прогреется. После этого вода начинает остывать в радиаторах медленнее, плотность ее уже не сильно отличается от плотности воды, вышедшей из котла, и циркуляционный напор начинает постепенно снижаться. Но как только температура в помещении начнет снижаться, циркуляционный напор начнет повышаться и скорость циркуляции воды в трубах повысится, подводя к радиаторам больше теплоты и повышая температуру воздуха. Так происходит саморегуляция системы - одновременное изменение температуры и количества воды обеспечивает необходимую теплоотдачу отопительных приборов для поддержания температуры помещений.

Системы водяного отопления с естественной циркуляцией бывают двухтрубные с верхней и нижней разводками, а также однотрубные с верхней разводкой.

2.1. Двухтрубные системы отопления с верхней разводкой

Вода из котла поднимается вверх по подающему трубопроводу и далее поступает по стоякам и подводкам в отопительные приборы (рис. 3-5). Горизонтальные магистрали прокладываются с уклоном. От отопительных приборов вода по обратным подводкам и стоякам поступает в обратный трубопровод и из него в котел.

Рис. 3. Схема двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды

Рис. 4. Схема двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды: 1 - котел; 2 - главный стояк; 3 - подающая магистраль; 4 - горячие стояки; 5 - обратные стояки; 6 - обратная магистраль; 7 - расширительный бак

Каждый отопительный прибор данной системы отопления (рис. 4) обслуживается двумя трубопроводами - подающим и обратным, поэтому такая система называется двухтрубной. Подпитку воды в систему осуществляют от водопровода, а если его нет, то воду заливают вручную через отверстие расширительного бака. Подпитку отопительной системы из водопровода лучше делать в обратную магистраль, так как холодная вода из водопровода будет смешиваться с относительно горячей водой обратной магистрали и повышать ее плотность, увеличивая циркуляционный напор на время подпитки.

Системы отопления с естественной циркуляцией делают одно- и двухконтурными (рис. 5). В одноконтурных системах котел устанавливают в начале контура, а трубную разводку делают справа или слева от него, опоясывая по периметру весь дом или квартиру, при этом длина кольца по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше до 20 м). Чем длиннее кольцо, тем больше в нем гидравлические сопротивления (силы трения внутри трубы). В двухконтурных системах котел размещают в центре, а трубную разводку (контуры колец) - в обе стороны от котла, общая длина труб по горизонтали не должна превышать 30 м (лучше – до 20 м). Чтобы получить гидравлически сбалансированную систему, длины колец двухконтурной системы и количество секций радиаторов надо делать примерно одинаковыми.

В зависимости от направления движения теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления могут быть тупиковыми и с попутным движением воды.

Рис. 5. Схема двухтрубной системы отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя

В тупиковых системах отопления движение горячей воды в подающей магистрали противоположно движению остывшей воды в обратной магистрали. В этой схеме длина циркуляционных колец неодинакова, чем дальше от котла расположен отопительный прибор, тем больше протяженность циркуляционного кольца.

В тупиковых системах добиться одинаковых сопротивлений в коротких и более отдаленных циркуляционных кольцах трудно, поэтому отопительные приборы, близко расположенные к главному стояку, будут прогреваться гораздо лучше, чем удаленные от него. А при малой тепловой нагрузке ближайших к главному стояку циркуляционных колец их гидравлическая увязка становится еще сложнее.

В системах отопления с попутным движением воды все циркуляционные кольца имеют длину протяженность, поэтому стояки и отопительные приборы работают в одинаковых условиях. В таких системах независимо от расположения отопительного прибора по горизонтали в отношении главного стояка их прогрев будет одинаковым. Однако системы отопления с попутным движением воды применяют ограниченно, так как часто при проектировании реальных отопительных систем, учитывающих планировку дома, оказывается, что при монтаже потребуется большее количество труб, чем для тупиковых систем. Поэтому такие системы используют в тех случаях, когда в тупиковой системе невозможна увязка циркуляционных колец между собой.

Чтобы расширить применение тупиковых систем, сокращают протяженность магистралей и вместо одного контура большой длины делают два коротких контура или несколько. В таких случаях обеспечивается лучшая горизонтальная регулировка системы. Балансировку (гидравлическую увязку) отопительных колец контура начинают еще на стадии проектирования системы отопления. Чтобы она работала равномерно, все кольца контура должны иметь примерно одинаковые гидравлические сопротивления, то есть кольцо, расположенное близко к главному стояку, должно иметь почти такое же сопротивление, как и кольцо, удаленное от главного стояка, а сумма гидравлических сопротивлений всех колец не должна превышать величины циркуляционного напора. Иначе циркуляции теплоносителя в системе может не быть.

2.2. Двухтрубные системы отопления с нижней разводкой

Рис. 6. Схема двухтрубной водяной системы отопления с нижней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя

Отличается от системы с верхней разводкой тем, что подающий трубопровод прокладывается снизу рядом с обратным (рис. 6) и вода по подающим стоякам движется снизу-вверх. Пройдя через отопительные приборы, вода по обратным подводкам и стоякам поступает в обратную магистраль и из нее в котел. Удаление воздуха из системы осуществляется через воздушные спускники (краны Маевского), устанавливаемые на всех отопительных приборах, или с помощью автоматических воздухоотводчиков, устанавливаемых на стояках или специальных воздушных линиях. Системы отопления с нижней разводкой, так же как и с верхней, могут быть спроектированы с одним или несколькими контурами, с тупиковым и попутным движением теплоносителя (рис. 7) в подающей и обратной магистралях.

Рис. 7. Примеры схем двухтрубных систем отопления с естественной циркуляцией воды и нижней разводкой подающего трубопровода

Системы с нижней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя применяются крайне редко потому, что имеют большое количество конечных радиаторов, требующих установки воздушных спускников. А так как в этих системах имеются расширительные бачки, сообщающиеся с атмосферой и вовлекающие воздух в циркуляционное кольцо, то процедура стравливания воздуха из радиаторов становится почти еженедельной. Для устранения этого недостатка трубопроводы подачи горячей воды закольцовывают так называемыми воздушными трубопроводами, которые собирают воздух и выводят его в расширительный бачок выше стоящей в нем воды (рис. 8-9).

Рис. 8. Схема двухтрубной системы отопления нижней разводкой, отводящей воздушной линией и естественной циркуляцией

Рис. 9. Схема двухтрубной системы отопления с нижней разводкой, отводящей воздушной линией и естественной циркуляцией: 1 - котел; 2 - воздушная линия; 3 – нижняя разводка; 4 - подающие стояки; 5 - обратные стояки; 6 - обратная магистраль; 7 - расширительный бак

Такие системы применяются еще реже, поскольку они напоминают системы с верхней разводкой и требует почти такого же количества труб. В общем, теряется преимущество их применения: трубные стояки пронизывают комнаты от пола до потолка, а весь смысл нижней разводки системы отопления в том и состоял, что при нем в комнатах (хотя бы на верхнем этаже) исчезали стояки.

2.3. Однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией

Рис. 10. Однотрубная система отопления с верхней разводкой и естественной циркуляцией воды (вверху) и конструкции радиаторных узлов (внизу)

Однотрубные системы с естественной циркуляцией теплоносителя делаются только с верхней разводкой подающего трубопровода, в которой отсутствуют обратные стояки (рис. 10). По сравнению с двухтрубными системами однотрубные проще в монтаже, на их устройство требуется меньше труб и они выглядят более красиво.

Однотрубные системы отопления подразделяются на два вида.

По одной схеме - проточной, подающий стояк, как таковой, отсутствует, а радиаторы по высоте дома последовательно соединены друг с другом. Горячая вода подачи последовательно, сверху вниз, протекает через все радиаторы, начиная с верхнего, и в радиаторы нижних этажей поступает охлажденной. Поэтому на верхних этажах жарко, а на нижних - холодно. Чтобы как-то сбалансировать отопительный контур, в нижних этажах ставят радиаторы с большим числом секций. В проточной системе нельзя ставить регулировочные краны, так как при уменьшении или перекрытии крана у того или иного радиатора частично или полностью перекрывается весь стояк.

При такой схеме нельзя регулировать температуру воздуха в помещениях. Если дом двухэтажный, то невозможно осуществить пуск системы отопления только на одном этаже. Проточные схемы отопления были весьма популярны в середине ХХ века, когда основной целью была экономия труб. В настоящее время ее почти не применяют.

При другой схеме с замыкающими участками (байпасами), показанной на рис. 11, из стояка часть воды поступает в верхние радиаторы, а остальная вода направляется по стояку к радиаторам, расположенным ниже. Вода в такой системе остывает чуть меньше, а значит, меньше и разница между температурами на верхних и нижних этажах. Фактически это улучшенная проточная схема, в которой между трубами подключения радиатора сделан замыкающий участок - байпас.

Рис. 11. Схемы присоединения отопительных приборов в однотрубной и двухтрубной системах отопления

Диаметр трубы замыкающего участка делают на один размер меньше, чем диаметр труб подключения радиатора. В результате поступающий сверху теплоноситель разделяется на два потока: одна часть поступает в радиатор, другая через байпас - к нижним радиаторам. Если диаметр байпаса сделать таким же, как и трубы для подключения радиатора, то теплоноситель в радиаторе перестанет циркулировать, поскольку гидравлическое сопротивление в радиаторе будет больше, чем в байпасе. Ведь вода всегда течет там, где меньше гидравлическое сопротивление.

При установке байпаса с диаметром, равным диаметрам труб подключения радиаторов для балансировки отопительной системы, количество поступающей в прибор воды регулируется вентилями, которые устанавливаются на трубе подключения и байпасе. Таким образом, закрытием (открытием) вентилей на подающей трубе подключения радиаторов или байпасе можно регулировать поступление теплоносителя в радиатор или стояк. Например, можно полностью отключить радиатор и перенаправить весь теплоноситель в байпас и далее к нижним радиаторам на стояке или, наоборот, закрыть байпас и направить весь тепловой поток в радиатор.

Рис. 12. Схема системы отопления и горячего водоснабжения дома

В современных отопительных системах два вентиля, установленных на подающей трубе и байпасе, заменяют одним, называющимся трехходовым краном. В зависимости от положения закрывающей заслонки, трехходовой кран одновременно открывает путь теплоносителю в радиатор и закрывает поступление в байпас или, наоборот, закрывает байпас и открывает путь к радиатору. Такие краны могут снабжаться электрическим приводом, подключенным к специальному прибору - контроллеру. Контроллер измеряет температуру воздуха в помещении или температуру теплоносителя и отдает команду на трехходовой вентиль, который увеличивает или уменьшает подачу теплоносителя в радиатор, а остальной теплоноситель сбрасывает в байпас.

Как и в системах с двухтрубной разводкой, в однотрубной можно обеспечить тупиковое и попутное движение теплоносителя в обратной магистрали. При попутном движении все кольца отопительного контура становятся одинаковой длины и систему можно сбалансировать. При тупиковом движении делать балансировку температуры теплоносителя очень трудно, поскольку разбалансировка идет не только по длине колец, но и по высоте стояков, чем отличается от двухтрубных систем, где разбалансировка температуры была только по кольцам.

3. Системы водяного отопления с насосной циркуляцией

В системе отопления с принудительной (насосной) циркуляцией используют те же схемы подключения, что и в системе отопления с естественной циркуляцией, но из-за отсутствия возможности соблюдения всех уклонов или слишком большой длины магистрали подключают циркуляционный насос, обеспечивающий постоянную циркуляцию теплоносителя в замкнутой системе отопления (рис. 13-9-15).

Рис. 13. Схема открытой двухтрубной водяной системы отопления с верхней разводкой с принудительной циркуляцией: 1 - котел; 2 - главный стояк; 3 - подающая магистраль; 4 - подающий стояк; 5 - радиатор; 6 - обратный стояк; 7 - обратная магистраль; 8 - циркуляционный насос; 9 - кран двойной регулировки; 10 - труба расширительная; 11 - расширительный бачок; 12 - труба переливная; 13 - воздухосборник

Рис. 14. Схема закрытой водяной системы отопления с принудительной циркуляцией: Насос подключают к обратной магистрали, что способствует более длительной эксплуатации системы отопления в целом.

В системе отопления, показанной на рис. 15, все радиаторы на каждом этаже соединены в общую линию. Ее достоинства - простота монтажа, меньший расход труб и отсутствие стояков у каждого радиатора, а недостаток - образование воздушных пробок из-за наличия параллельных трубопроводов (его устраняют установкой клапанов для спуска воздуха).

Рис. 15. Схема однотрубной системы отопления с горизонтальной проточной системой: 1 - котел; 2 - главный стояк; 3 - расширительный бак; 4 - расширительная труба; 5 - циркуляционный насос

Применение циркуляционного насоса позволяет использовать магистрали большей протяженностью, что очень важно при отоплении многоэтажных домов. Единственный минус использования циркуляционного насоса - необходима бесперебойная подача электроэнергии.

Поддержание заданной температуры в помещении, отапливаемом системой водяного отопления, возможно несколькими способами: изменением температуры, расхода теплоносителя через радиатор, и тем и другим одновременно. Температура теплоносителя, поступающего на радиаторы, обычно регулируется централизовано в тепловом пункте. Для индивидуальной регулировки температуры в помещении радиаторы оснащают регулировочными кранами (ручная регулировка), либо термостатами (автоматическая регулировка).

Индивидуальная регулировка возможна как при двухтрубной, так и при однотрубной системе, в последнем случае перед краном или термостатом обязательно должен быть установлен байпас.

4. Схемы подключения отопительных приборов

Рис. 16. Некоторые схемы подключения отопительных приборов

Рис. 17. Разводка для радиаторов системы отопления

Рис. 18. Схема обвязки чугунного радиатора

Рис. 19. Схема установки чугунных радиаторов