ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
ОБЩИЕ ДАННЫЕ
В климатических условиях центральной части России отопительный сезон составляет почти половину года. Это обстоятельство заставляет серьезно отнестись к выбору системы отопления и отопительных приборов. Кроме того, из-за постоянного увеличения цен на энергоносители, особое значение имеют способы экономии топлива без ущерба для комфорта жилища.
Целью любой системы отопления является создание комфортной температуры среды обитания человека, т.е. нагревание воздуха в помещении до температуры 18 – 22 градусов и поддержание ее в течение всего отопительного периода. Нагретый воздух передает тепло окружающим человека вещам: мебели, стенам и др. Стены часть тепла отдают наружному воздуху, поэтому тепло в внутри помещения требуется непрерывно добавлять, т.е. поддерживать тепловой баланс — сколько тепла ушло наружу, столько надо добавить.
Современная система отопления состоит из следующих основных элементов:
1) теплогенератора – отопительного котла или т.п., работающего на определенном виде топлива;
2) трубопроводов, переносящих тепло с помощью теплоносителя (воды, антифриза);
3) отопитильных приборов – конвекторов или радиаторов различных конструкций;
4) прочего вспомогательного оборудования и материалов.
Котел нагревает воду в системе, при достижении необходимой температуры отключается, чтобы экономить топливо. Трубопроводы доставляют нагретый теплоноситель к отопительным приборам. Отопительные приборы нагревают воздух в помещении до заданной температуры и, с помощью термостата, отключают подачу теплоносителя. Все отопительные приборы (радиаторы, конвекторы и т.п.) соединены с общей системой отопления дома в соответствии с определенной схемой. В процессе организации системы отопления дома очень важно правильно выбрать схему разводки трубопроводов и подключенные в соответствии с ней отопительные приборы.
СХЕМЫ РАЗВОДКИ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
Механизм работы для всех отопительных систем примерно одинаков; он подразумевает нагревание теплоносителя в котле (генераторе тепла), откуда теплоноситель поступает в замкнутую цепочку из труб и отопительных приборов, проложенную по всему дому.
В качестве теплоносителя обычно используется вода; гораздо реже в этих целях применяются другие жидкости – так называемые антифризы, специальные незамерзающие жидкости. Они обладают большей холодостойкостью, чем вода, но уступают последней по текучести и теплоотдаче; кроме того, необходимо периодически проверять их состав и раз в несколько лет заменять. Проходя все отопительные приборы по цепочке, вода, или другой теплоноситель, отдает тепло через них окружающему воздуху, после чего возвращается в котел, и затем весь процесс повторяется.
Схемы систем отопления различаются не только своими инженерными особенностями, но и принципами работы.
По способу перемещения теплоносителя они разделяются на системы с естественной (гравитационная система отопления) и принудительной циркуляцией (насосная система отопления).
В гравитационной системе отопления циркуляционная вода нагревается в котле и поднимается по подающему вертикальному трубопроводу. Известно, что плотность горячей воды меньше, чем у холодной, она легче по весу, поэтому ее просто «выдавливает» в подающую трубу, напирающая «сзади», тяжелая холодная вода. Таким образом, циркуляция происходит за счет разницы веса горячего теплоносителя, и остывшего, отдавшего тепло, теплоносителя. При такой системе применяются трубы увеличенных диаметров и соблюдаются необходимые уклоны трубопроводов.
Насосная система отопления отличается от системы с естественной циркуляцией способом перемещения теплоносителя по трубопроводам, т.е. перемещение воды по системе отопления происходит принудительно, с помощью циркуляционного насоса. Он позволяет использовать трубы меньших диаметров и повышает эффективность отдачи тепла в целом. Но необходимо помнить, что циркуляционный насос не поднимает воду на высоту, а всего лишь помогает ей преодолеть так называемые гидравлические сопротивления трубопроводов.
Система с принудительной циркуляцией более комфортна, при такой системе можно установить различную температуру в каждом помещении дома. Эффективность работы этой системы отопления выше, но здесь требуется бесперебойное электроснабжение. Система же с естественной циркуляцией способна работать и без наличия электричества, но она не поддается автоматическому регулированию, теплоотдачу можно сократить лишь централизованно, например, уменьшая интенсивность горения пламени на горелке котла. К тому же, такая система сжигает больше топлива.
Вообще, в инженерной практике существует огромное количество всевозможных схем разводки систем отопления, в которых человеку непосвященному легко запутаться. Мы рассмотрим в этой статье лишь основные схемы, наиболее часто применяемые на практике.
По способу разводки системы отопления бывают горизонтальными или вертикальными, а по количеству подводящих к отопительным приборам труб системы бывают однотрубными либо двухтрубными.
ВЕРТИКАЛЬНАЯ ОДНОТРУБНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
Однотрубная система водяного отопления – это способ прокладки трубопроводов, когда стояки или ветви состоят из одной трубы, соединяющей последовательный ряд отопительных приборов. Теплоноситель в такой системе отопления протекает, постепенно охлаждаясь, через все приборы ряда. По положению трубы, соединяющей отопительные приборы, однотрубная система водяного отопления может быть вертикальной (со стояками) и горизонтальной (с ветвями); по положению магистралей системы отопления — с верхней разводкой (с верхним расположением подающей и нижней прокладкой обратной магистралей), нижней разводкой (с нижним расположением обеих магистралей) и «опрокинутой» циркуляцией воды (с нижним расположением подающей и верхней прокладкой обратной магистралей).
Однотрубная вертикальная система отопления – это всем известный пример разводки в советских многоквартирных домах, да и в современном многоэтажном строительстве он по-прежнему широко используется. На рисунке приведен пример вертикальной однотрубной системы отопления с верхней разводкой.
В малоэтажном строительстве однотрубная система, как с верхней, так и с нижней разводкой применима, если в доме есть наличие подвала и/или чердака, по которым можно провести магистральные трубопроводы. Магистральные трубо-проводы предпочтительно прокладывать открыто, чтобы дать трубе возможность свободно двигаться, компенсируя тем самым температурные расширения. При этом возможно отключение отдельных стояков без остановки работы всей системы отопления. Очень часто однотрубная схема разводки применяется для систем отопления с естественной циркуляцией (но только вариант с верхней разводкой). Схема применима также в тех случаях, если невозможна прокладка труб в полах помещения. Вертикальная однотрубная система отопления может быть как с открытыми трубопроводами, так и со скрытыми трубами в стенах (в штробах, за подшивными коробами и фальшстенами).
Преимущества вертикальной однотрубной системы отопления:
относительно небольшой расход труб, соответственно меньшие затраты;
применяется при невозможности горизонтальной разводки труб в помещениях;
при открытой прокладке магистралей возможно постояковое отключение без остановки всей системы.
Недостатки вертикальной однотрубной системы отопления:
постепенное остывание (при правильном техническом решении – незначительно, всего на 0,5 – 2 градуса) последующих в цепочке отопительных приборов;
необходимость в гидравлическом расчете системы;
покомнатная регулировка температуры возможна, но зависит от регулировки отопительных приборов в других помещениях.
ВЕРТИКАЛЬНАЯ ДВУХТРУБНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
Если при однотрубной разводке вода циркулирует по одному цельному контуру через все радиаторы, то при двухтрубной системе вода движется по двум трубопроводам – подающим и обратным. Радиаторы к трубопроводам подключены параллельно, и теплоноситель заходит независимо в каждый из радиаторов. Т.о. температура подающей воды в каждом радиаторе практически одинаковая. Вертикальная двухтрубная система, как и вертикальная однотрубная, бывает и с верхней, и с нижней разводками. На рисунке – пример вертикальной двухтрубной системы отопления с нижней разводкой. Вертикальная двухтрубная схема также применима для гравитационной системы отопления, при условии, что это схема с верхней разводкой.
Преимущества вертикальной двухтрубной системы отопления:
хорошая гидравлическая устойчивость системы;
возможность автоматической регулировки температуры в каждом помещении с помощью термостатов;
применяется при невозможности горизонтальной разводки труб в помещениях;
при открытой прокладке магистралей возможно постояковое отключение без остановки всей системы.
Недостатки вертикальной двухтрубной системы отопления:
увеличение протяженности труб, по сравнению с однотрубной схемой, практически в 2 раза, что соответственно удорожает стоимость материалов.
СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
Эта одна из самых простых и, пожалуй, самая распространенная система отопления для небольших загородных домов и квартир с индивидуальным отоплением. Система весьма долговечна и использует только природные физические законы, не требуя дополнительных источников энергии или дорогостоящего оборудования.
Принципиальная схема системы отопления с естественной циркуляцией состоит из котла, подающего и обратного трубопроводов, нагревательных приборов и расширительного бачка. Нагретая в котле вода поступает по подающему трубопроводу и стоякам в нагревательные приборы, отдает через них часть своего тепла воздуху в помещении, затем по обратному трубопроводу возвращается в котел, где вновь подогревается до заданной на котле температуры, и далее цикл повторяется. Все горизонтальные трубопроводы системы делаются с наклоном в сторону движения воды: нагретая вода, поднявшись по стояку, вследствие температурного расширения и выдавливания более холодной водой обратки, растекается по горизонтальным отводам самотеком, а из них через подающие стояки — в нагревательные приборы (радиаторы). Отдавая тепло, вода в радиаторах остывает, становится более тяжелой и через трубы обратной разводки опускается вниз, поступает в нагревательный котел и своей массой вытесняет нагретую воду из котла вверх — в главный подающий стояк. Уклоны трубопроводов способствуют и отводу пузырьков воздуха к расширительному баку: поскольку воздух намного легче воды, то он стремится вверх, а наклонные участки трубопроводов помогают ему нигде не задерживаться и поступать в расширитель, а затем в атмосферу. Расширительный бачок также 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 вследствие разности плотностей нагретой и охлаждённой воды. Например, плотность воды при 40 °С составляет 992,24 кг/м3, при 70 °С — 977,8 кг/м3, при 95 °С — 961,9 кг/м3. Кроме того, циркуляционное давление зависит еще от высоты расположения нагревательных приборов (радиаторов) над котлом. Чем выше расположен прибор, тем больше для него гравитационное давление. Поэтому в гравитационной системе водяного отопления нагревательные приборы, расположенные на верхнем этаже, прогреваются лучше, чем приборы на нижнем этаже.
При движении воды по трубам гравитационное давление расходуется на 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 нагревательные приборы. Чем больше сопротивлений возникает в трубопроводе, тем больше должно быть гравитационное давление. Для снижения трения в системе с естественной циркуляцией применяются трубы увеличенных диаметров.
Преимущества системы отопления с естественной циркуляцией воды:
независимость от электросети – не страшны перебои в электроснабжении;
относительно несложный монтаж;
простая эксплуатация;
отсутствие циркуляционного насоса (бесшумность);
сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации может прослужить более 40 лет без капитального ремонта);
способность системы к саморегулированию – 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.
Недостатки системы отопления с естественной циркуляцией воды:
сокращение радиуса действия системы по горизонтали до 30 – 40 м из-за небольшого циркуляционного давления;
повышение затрат на трубопроводы в связи с применением труб большего диаметра;
необходимость в правильном расчете диаметров трубопроводов и ограниченный выбор нагревательных приборов;
долгий первоначальный прогрев всей системы;
покомнатная регулировка температуры в различных помещениях возможна, но ограничена выборов фирм-производителей термостатических элементов;
повышение опасности замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях – из-за низкой скорости течения воды.
ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ОДНОТРУБНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
Горизонтальная однотрубная система водяного отопления, встречавшаяся ранее, в основном, в одноэтажных зданиях временного типа, в последнее время стала применяться как для отопления многоэтажных зданий (производственных, гражданских), так и для отопления коттеджей, дач, загородных домов. Распространение горизонтальной системы связано с увеличением длины зданий, внедрением сборных каркасно-панельных конструкций с широким шагом колонн и удлиненными световыми проемами. Отсутствие в таких зданиях простенков и отверстий в панелях перекрытий затрудняет размещение традиционных вертикальных стояков. Наличие ленточных световых проемов предопределяет размещение отопительных приборов не отдельными группами, а в виде цепочек, во избежание теплового дискомфорта в помещениях. В горизонтальной однотрубной системе водяного отопления сокращается, по сравнению с вертикальной системой отопления, протяженность теплопроводов, особенно стояков и магистралей. Немногочисленные укрупненные стояки для горизонтальных однотрубных ветвей обычно прокладываются во вспомогательных помещениях здания.
Для однотрубной горизонтальной системы отопления расход воды в трубопроводе неизменен по всей его длине, а температура изменяется по мере удаленности от источника нагрева теплоносителя и прохождения отопительных приборов. При большой протяженности ветви однотрубной системы и фиксированной подаче теплоносителя площадь теплоотдающей поверхности каждого последующего отопительного прибора должна постепенно возрастать с увеличением расстояния от источника нагрева теплоносителя.
Преимущества горизонтальной однотрубной системы отопления:
обычно самый малый расход труб из всех типов систем, соответственно меньшие затраты.
Недостатки горизонтальной однотрубной системы отопления:
постепенное остывание (при правильном техническом решении – незначительно, всего на 0,5 – 2 градуса) последующих в цепочке отопительных приборов;
необходимость в гидравлическом расчете системы;
покомнатная регулировка температуры возможна, но зависит от регулировки отопительных приборов в других помещениях;
более сложная эксплуатация по сравнению с вертикальной схемой из-за необходимости выпуска воздуха с каждого отопительного прибора.
ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ДВУХТРУБНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
В горизонтальной двухтрубной системе отопления по периметру каждого из этажей прокладываются обратный и подающий магистральные трубопроводы (от главного стояка). На каждом из нагревательных устройств монтируется кран для спуска имеющегося воздуха. У этой системы преимущества те же, что и у вертикальной двухтрубной системы, плюс отсутствие стояков на каждом из этажей (имеется лишь главный стояк). При этом может использоваться поэтажное отключение системы, а также могут быть использованы специальные радиаторы с нижним подключением. Наряду с установкой магистральных труб в плинтусе либо в конструкции пола это позволяет по максимуму уменьшить число открытых труб, улучшить внешний облик помещений. В многоэтажных жилых домах при горизонтальной системе отопления используются квартирные тепловые счётчики.
Преимущества горизонтальной двухтрубной системы отопления:
хорошая гидравлическая устойчивость системы;
возможность автоматической регулировки температуры в каждом помещении с помощью термостатов;
возможность использования теплосчетчиков с целью учета тепла в домах на два и более хозяина.
Недостатки горизонтальной двухтрубной системы отопления:
увеличение протяженности труб, по сравнению с однотрубной схемой, практически в 2 раза, удорожается стоимость материалов;
более сложная эксплуатация по сравнению с вертикальной схемой из-за необходимости выпуска воздуха с каждого отопительного прибора.
КОЛЛЕКТОРНАЯ ПОЭТАЖНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
Коллекторная система отопления – это разновидность двухтрубной системы. Поэтажная коллекторная (лучевая или петлевая) разводка труб, т.е. когда отопительные приборы подключают параллельно друг к другу с помощью распределительных гребенок (коллекторов), является, с точки зрения эксплуатации, наиболее комфортной и безопасной. От стояков трубы сначала расходятся к гребенкам, находящимися в специальных монтажных шкафах (которые устанавливаются на каждом этаже), а затем – к отопительным приборам. Распределительные гребенки устанавливают таким образом, чтобы расстояние от каждой гребенки до всех отопительных приборов одного этажа было примерно одинаковой величины. Для эффективной гидравлической увязки системы допустимым считается превышение длин трубопроводов разных петель в 2 раза. При коллекторной разводке трубопроводы прокладывают в полу или стенах дома в специальной гофрированной защитной трубе или в трубной теплоизоляции.
Коллекторная система отопления обычно применяется при использовании металлопластиковых труб или труб из сшитого полиэтилена. Она имеет все преимущества двухтрубных горизонтальных систем отопления. Сегодня такая система приобретает все большую популярность в индивидуальном строительстве.
Преимущества коллекторной системы отопления:
легкая увязка отдельных приборов по давлению;
возможность скрытой прокладки труб и отсутствие соединений между распределительной гребенкой и отопительными приборами;
минимальное количество соединительных деталей;
доступность точек соединений для осмотра и обслуживания;
возможное использование на всем протяжении – от гребенки до отопительных приборов – труб одинакового диаметра, что упрощает конструирование отопительной системы;
возможность использования теплосчетчиков с целью учета тепла в домах на два и более хозяина.
Недостатки коллекторной системы отопления:
самое большое количество труб из всех типов систем, что увеличивает общую стоимость материалов и монтажных работ;
неэстетичность при наружной прокладке труб – возникает необходимость в штраблении при прокладке труб в стенах, выполнения бетонной стяжки при прокладке труб в полу или выполнения любого другого способа скрытия труб.