Sistemul de încălzire cu circulație naturală: scheme comune ale circuitelor de apă

Construcția unei rețele autonome de încălzire de tip gravitațional este aleasă dacă nu este oportun, iar uneori este imposibil să instalați o pompă de circulație sau să vă conectați la alimentarea centralizată cu energie electrică.

Un astfel de sistem este mai ieftin de amenajat și este complet independent de electricitate. Cu toate acestea, funcționalitatea sa depinde în mare măsură de precizia proiectării.

Pentru ca sistemul de încălzire cu circulație naturală să funcționeze fără întrerupere, este necesar să calculați parametrii acestuia, să instalați corect componentele și să alegeți în mod justificat schema circuitului de apă. Vă vom ajuta în rezolvarea acestor probleme.

Am descris principiile principale de funcționare a sistemului gravitațional, am oferit sfaturi pentru alegerea conductelor, am stabilit regulile de asamblare a circuitului și de amplasare a nodurilor de lucru. O atenție deosebită am acordat particularităților proiectării și funcționării schemelor de încălzire cu unul și două conducte.

Principiile procesului de circulație naturală

Procesul de mișcare a apei în circuitul de încălzire fără utilizarea unei pompe de circulație are loc datorită legilor fizice naturale.

Înțelegerea naturii acestor procese va permite elaborarea competentă a unui proiect de sistem de încălzire pentru cazuri tipice și atipice.

Diferența maximă a presiunii hidrostatice

Proprietatea fizică fundamentală a oricărui agent termic (apă sau antigel), care favorizează mișcarea acestuia în circuit în circulația naturală, este scăderea densității odată cu creșterea temperaturii.

Densitatea apei calde este mai mică decât cea a apei reci, astfel apărând o diferență de presiune hidrostatică între coloana caldă și cea rece de lichid. Apa rece, curgând către schimbătorul de căldură, displace apa caldă în sus pe țeavă.

Forța motrice a apei în circuit în circulația naturală este diferența de presiune hidrostatică dintre coloanele de lichid rece și caldă

Circuitul de încălzire al casei poate fi împărțit convențional în mai multe fragmente. Pe fragmentele “calde” apa este direcționată în sus, iar pe cele “reci” – în jos. Limitele fragmentelor sunt punctul superior și inferior al sistemului de încălzire.

Sarcina principală la modelarea sistemului cu circulație naturală a apei este atingerea celei mai mari diferențe posibile între presiunile coloanei de lichid în fragmentele “cald” și “rece”.

Elementul clasic pentru circulația naturală a circuitului de apă este colectorul de accelerare (coloana principală) – o țeavă verticală, direcționată în sus de la schimbătorul de căldură.

Colectorul de accelerare trebuie să aibă temperatura maximă, de aceea este izolat pe toată lungimea. Deși, dacă înălțimea colectorului nu este mare (ca pentru casele cu un etaj), atunci se poate renunța la izolare, deoarece apa din el nu va avea timp să se răcească.

De obicei, sistemul se proiectează astfel încât punctul superior al colectorului de accelerare să coincidă cu punctul superior al întregului circuit. Acolo se instalează o ieșire către vasul de expansiune de tip deschis sau o supapă pentru evacuarea aerului, dacă se utilizează un vas cu membrană.

Atunci lungimea fragmentului “cald” al circuitului este minimă posibilă, ceea ce duce la reducerea pierderilor de căldură pe acest tronson.

De asemenea, este de dorit ca fragmentul “cald” al circuitului să nu fie combinat cu un tronson lung care transportă agentul termic răcit. În mod ideal, punctul inferior al circuitului de apă coincide cu punctul inferior al schimbătorului de căldură, plasat în dispozitivul de încălzire.

Cu cât cazanul este amplasat mai jos în sistemul de încălzire, cu atât este mai mică presiunea hidrostatică a coloanei de lichid în fragmentul cald al circuitului

Și pentru segmentul “rece” al circuitului de apă există propriile reguli care măresc presiunea lichidului:

• cu cât sunt mai mari pierderile de căldură pe segmentul “rece” al rețelei de încălzire, cu atât este mai scăzută temperatura apei și mai mare densitatea acesteia, astfel încât funcționarea sistemelor cu circulație naturală este posibilă doar la o degajare semnificativă de căldură;
• cu cât este mai mare distanța de la punctul inferior al circuitului până la conectarea radiatoarelor, cu atât este mai mare segmentul coloanei de apă cu temperatură minimă și densitate maximă.

Pentru a asigura respectarea ultimei reguli, adesea cuptorul sau cazanul se instalează în punctul cel mai de jos al casei, de exemplu, în subsol. Prin această amplasare a cazanului se asigură distanța maximă posibilă între nivelul inferior al radiatoarelor și punctul de intrare a apei în schimbătorul de căldură.

Cu toate acestea, înălțimea dintre punctele inferioară și superioară ale circuitului de apă în cazul circulației naturale nu trebuie să fie prea mare (în practică, nu mai mult de 10 metri). Cuptorul sau cazanul încălzesc doar schimbătorul de căldură și partea inferioară a colectorului de accelerare.

Dacă acest fragment este nesemnificativ în raport cu întreaga înălțime a circuitului de apă, atunci căderea de presiune în fragmentul “fierbinte” al circuitului va fi neglijabilă, iar procesul de circulație nu va fi inițiat.

Utilizarea sistemelor cu circulație naturală pentru clădiri cu două etaje este pe deplin justificată, iar pentru o înălțime mai mare va fi necesară o pompă de circulație

Minimizarea rezistenței la mișcarea apei

La proiectarea sistemului cu circulație naturală este necesar să se țină cont de viteza de deplasare a agentului termic prin circuit.

În primul rând, cu cât viteza este mai mare, cu atât mai rapidă va fi transmiterea căldurii prin sistemul “cazan – schimbător de căldură – circuit de apă – radiatoare de încălzire – încăpere”.

În al doilea rând, cu cât viteza lichidului prin schimbătorul de căldură este mai mare, cu atât este mai mică probabilitatea fierberii acestuia, ceea ce este deosebit de important în cazul încălzirii cu cuptorul.

Fierberea apei în sistem poate fi foarte costisitoare – costul demontării, reparației și reinstalării schimbătorului de căldură necesită mult timp și resurse financiare

În sistemele de încălzire cu circulație forțată, viteza de deplasare a apei depinde în principal de parametrii pompei de circulație.

În cazul încălzirii cu apă cu circulație naturală, viteza depinde de următorii factori:

• diferența de presiune dintre fragmentele circuitului în punctul său inferior;
• rezistența hidrodinamică a sistemului de încălzire.

Metodele de asigurare a diferenței maxime de presiune au fost discutate mai sus. Rezistența hidrodinamică a sistemului real nu poate fi calculată cu exactitate din cauza modelului matematic complex și a numărului mare de date de intrare, a căror precizie este dificil de garantat.

Cu toate acestea, există reguli generale a căror respectare va permite reducerea rezistenței circuitului de încălzire.

Principalele cauze ale reducerii vitezei de mișcare a apei sunt rezistența pereților țevilor și prezența îngustărilor datorate fitingurilor sau armăturilor de închidere. La o viteză mică a fluxului, rezistența pereților este practic inexistentă.

Excepție fac țevile lungi și subțiri, caracteristice încălzirii cu ajutorul pardoselii radiante. De regulă, pentru aceasta se alocă circuite separate cu circulație forțată.

La alegerea tipurilor de țevi pentru un circuit cu circulație naturală, va trebui să se țină cont de prezența îngustărilor tehnice în timpul instalării sistemului. Prin urmare, țevile metaloplastice nu sunt recomandate pentru utilizarea în circulația naturală a apei din cauza conectării lor prin fitinguri, cu un diametru interior semnificativ mai mic.

Fitingurile țevilor metaloplastice îngustează ușor diametrul interior și constituie un obstacol serios în calea apei la o presiune slabă (+)

Reguli de alegere și montare a țevilor

Alegerea între țevi de oțel sau țevi din polipropilenă pentru orice tip de circulație se face pe baza criteriilor de posibilitate de utilizare pentru apă caldă, precum și din punct de vedere al prețului, al ușurinței de montare și al duratei de exploatare.

Coloana de alimentare se montează dintr-o țeavă metalică, deoarece prin ea trece apa cu cea mai ridicată temperatură, iar în cazul încălzirii cu sobă sau al unei defecțiuni a schimbătorului de căldură, există posibilitatea trecerii aburului.

În cazul circulației naturale, este necesar să se folosească un diametru al țevilor ceva mai mare decât în cazul utilizării unei pompe de circulație. De obicei, pentru încălzirea încăperilor de până la 200 mp, diametrul colectorului de accelerare și al țevii de la intrarea returului în schimbătorul de căldură este de 2 țoli.

Acest lucru se datorează vitezei mai mici a apei în comparație cu varianta cu circulație forțată, ceea ce duce la următoarele probleme:

• reducerea volumului de căldură transportat pe unitatea de timp de la sursă la încăperea încălzită;
• apariția blocajelor sau a pungilor de aer, cu care o presiune mică nu va putea face față.

O atenție deosebită, atunci când se utilizează circulația naturală cu o schemă de alimentare inferioară, trebuie acordată problemei eliminării aerului din sistem. Acesta nu poate fi evacuat complet din agentul termic prin vasul de expansiune, deoarece apa care fierbe ajunge mai întâi la echipamente printr-o conductă principală situată mai jos decât acestea.

La circulația forțată, presiunea apei împinge aerul către un colector de aer instalat în punctul cel mai înalt al sistemului – un dispozitiv cu comandă automată, manuală sau semiautomată. Cu ajutorul robinetelor Maevschi se reglează în principal degajarea de căldură.

În rețelele de încălzire gravitaționale cu alimentare amplasată sub radiatoare, robinetele Maevschi se folosesc direct pentru evacuarea aerului.

Pe toate radiatoarele de încălzire de tip modern există dispozitive pentru evacuarea aerului, astfel încât, pentru a preveni formarea de bule de aer în circuit, se poate realiza o pantă, împingând aerul către radiator.

Aerul poate fi evacuat și cu ajutorul aerisitoarelor instalate pe fiecare coloană sau pe linia de aer, dispusă paralel cu conductele principale ale sistemului. Datorită numărului impresionant de dispozitive de evacuare a aerului, schemele gravitaționale cu distribuție inferioară sunt utilizate extrem de rar.

La o presiune slabă, o mică bulă de aer poate opri complet sistemul de încălzire. Astfel, conform SNiP 41-01-2003, nu este permisă montarea conductelor sistemelor de încălzire fără pantă atunci când viteza apei este mai mică de 0,25 m/s.

La circulația naturală, astfel de viteze nu pot fi atinse. Prin urmare, pe lângă mărirea diametrului conductelor, este necesar să se respecte pante constante pentru evacuarea aerului din sistemul de încălzire. Panta se proiectează cu o înclinare de 2-3 mm pe metru, iar în rețelele din apartamente, înclinarea ajunge la 5 mm pe metru liniar de linie orizontală.

Panta alimentării se realizează în direcția de curgere a apei, astfel încât aerul să se deplaseze către vasul de expansiune sau către sistemul de evacuare a aerului, situat în punctul superior al circuitului. Deși se poate realiza și o contrapantă, în acest caz este necesar să se instaleze suplimentar o supapă de evacuare a aerului.

Panta conductei de retur se face, de regulă, în direcția de curgere a apei răcite. Atunci punctul inferior al circuitului va coincide cu intrarea conductei de retur în generatorul de căldură.

Cea mai răspândită combinație de direcție a pantei conductelor de alimentare și de retur pentru eliminarea bulelor de aer din circuitul de apă cu circulație naturală

La instalarea unei podele încălzite de suprafață mică într-un circuit cu circulație naturală, este necesar să se evite pătrunderea aerului în conductele înguste și amplasate orizontal ale acestui sistem de încălzire. Este necesar să se monteze un dispozitiv de evacuare a aerului în fața podelei încălzite.

Scheme de încălzire cu unul și două conducte

La elaborarea schemei de încălzire a unei case cu circulație naturală a apei, este posibilă proiectarea unuia sau a mai multor circuite separate. Acestea pot diferi semnificativ unul de celălalt. Indiferent de lungime, numărul de radiatoare și alți parametri, ele sunt realizate după o schemă monotub sau bitub.

Circuit cu utilizarea unei singure magistrale

Sistemul de încălzire care utilizează aceeași conductă pentru alimentarea secvențială a apei la radiatoare se numește monotub. Cea mai simplă variantă monotub este încălzirea cu țevi metalice fără utilizarea radiatoarelor.

Aceasta este cea mai ieftină și mai puțin problematică modalitate de a rezolva încălzirea casei atunci când se optează pentru circulația naturală a agentului termic. Singurul dezavantaj semnificativ este aspectul țevilor voluminoase.

În cea mai economică variantă a schemei monotub cu radiatoare de încălzire, apa caldă curge secvențial prin fiecare dispozitiv. Aici este necesară o cantitate minimă de țevi și fitinguri de închidere.

Pe măsură ce trece prin agentul termic, acesta se răcește, astfel încât radiatoarele ulterioare primesc apă mai rece, ceea ce trebuie luat în considerare la calcularea numărului de secțiuni.

Schema monotub simplă (sus) necesită o cantitate minimă de lucrări de montaj și fonduri investite. Varianta mai complexă și mai costisitoare de jos permite deconectarea radiatoarelor fără a opri întregul sistem.

Cea mai eficientă modalitate de conectare a aparatelor de încălzire la o rețea monotub este considerată varianta diagonală.

Conform acestei scheme a circuitelor de încălzire cu tip natural de circulație, apa caldă intră în radiator de sus, după răcire este evacuată prin racordul situat în partea de jos. Atunci când trece în acest fel, apa încălzită cedează cantitatea maximă de căldură.

La conectarea inferioară la baterie atât a racordului de intrare, cât și a celui de ieșire, transferul de căldură se reduce semnificativ, deoarece agentul termic încălzit trebuie să parcurgă un drum cât mai lung. Din cauza răcirii considerabile, în astfel de scheme nu se utilizează baterii cu un număr mare de secțiuni.

«Leningradka» se caracterizează prin pierderi de căldură considerabile, care trebuie luate în considerare la calculul sistemului. Avantajul său este că, atunci când se utilizează robinete de închidere pe racordul de intrare și de ieșire, aparatele pot fi deconectate selectiv pentru reparații fără a opri ciclul de încălzire (+)

Circuitele de încălzire cu o astfel de conectare a radiatoarelor au primit denumirea de “Leningradka“. În ciuda pierderilor de căldură menționate, acestora li se acordă preferință în amenajarea sistemelor de încălzire a apartamentelor, ceea ce se datorează unui aspect mai estetic al traseului conductelor.

Un dezavantaj esențial al rețelelor monotub este imposibilitatea de a deconecta una dintre secțiunile de încălzire fără a opri circulația apei în întregul circuit.

De aceea, se aplică de obicei o modernizare a schemei clasice prin instalarea unui “bypass” pentru a ocoli radiatorul cu ajutorul unei derivații cu două robinete cu bilă sau un robinet cu trei căi. Aceasta permite reglarea alimentării cu apă la radiator, până la oprirea completă a acestuia.

Pentru clădiri cu două sau mai multe etaje, se utilizează variante ale schemei monotub cu coloane verticale. În acest caz, distribuția apei calde este mai uniformă decât în cazul coloanelor orizontale. În plus, coloanele verticale sunt mai puțin întinse și se integrează mai bine în interiorul casei.

Schema monotub cu distribuție verticală este utilizată cu succes la încălzirea spațiilor cu două etaje folosind circulația naturală. Se prezintă o variantă cu posibilitatea de a deconecta radiatoarele superioare.

Varianta cu utilizarea conductei de retur

Când o conductă este utilizată pentru alimentarea cu apă caldă a radiatoarelor, iar cealaltă pentru evacuarea apei răcite la cazan sau sobă, această schemă de încălzire se numește sistem bitub. Un astfel de sistem, în prezența radiatoarelor de încălzire, este utilizat mai des decât cel monotub.

Este mai costisitoare, deoarece necesită montarea unei conducte suplimentare, dar are o serie de avantaje semnificative:

• distribuție mai uniformă a temperaturii agentului termic furnizat radiatoarelor;
• este mai simplu de calculat dependența parametrilor radiatoarelor de suprafața încăperii încălzite și de valorile necesare ale temperaturii;
• reglarea furnizării de căldură este mai eficientă pentru fiecare radiator.

În funcție de direcția de mișcare a apei răcite față de cea caldă, sistemele bitub se împart în sisteme paralele și în impas. În schemele paralele, mișcarea apei răcite are loc în aceeași direcție cu cea a apei calde, astfel încât lungimea ciclului pentru întregul circuit este aceeași.

În schemele în impas, apa răcită se deplasează în întâmpinarea apei calde, astfel încât, pentru diferite radiatoare, lungimile ciclurilor de circulație a agentului termic diferă. Deoarece viteza în sistem este mică, timpul de încălzire poate diferi semnificativ. Radiatoarele care au o lungime mai mică a ciclului de circulație a apei se vor încălzi mai repede.

La alegerea schemelor de încălzire în impas și paralele, se pornește în primul rând de la comoditatea traseului conductei de retur.

Există două tipuri de amplasare a racordurilor față de radiatoarele de încălzire: superioară și inferioară. La racordarea superioară, conducta care furnizează apă caldă este situată deasupra radiatoarelor de încălzire, iar la racordarea inferioară – dedesubt.

La racordarea inferioară, eliminarea aerului se poate face prin radiatoare și nu este necesară tubulatura pe deasupra, ceea ce este bine din punctul de vedere al designului încăperii.

Cu toate acestea, fără un colector de accelerare, diferența de presiune va fi mult mai mică decât în cazul racordării superioare. De aceea, racordarea inferioară nu se aplică practic la încălzirea încăperilor pe principiul circulației naturale.

Concluzii și material video util pe această temă

Organizarea schemei monotub bazată pe un cazan electric pentru o casă mică:

Funcționarea sistemului bitub pentru o casă din lemn cu un etaj, bazat pe un cazan cu combustibil solid de lungă ardere:

Utilizarea circulației naturale în mișcarea apei în circuitul de încălzire necesită calcule precise și o execuție tehnică competentă a lucrărilor de montaj. Îndeplinind aceste condiții, sistemul de încălzire va încălzi calitativ încăperile casei private și va scuti proprietarii de zgomotul pompei și de dependența de electricitate.

Dacă aveți întrebări pe această temă sau doriți să împărtășiți experiența personală în organizarea și exploatarea sistemului de încălzire de tip gravitațional, vă rugăm să lăsați comentarii la acest articol. Caseta pentru feedback se află mai jos.