System ogrzewania z naturalną cyrkulacją: powszechne schematy obwodów wodnych

Budowę autonomicznej sieci grzewczej typu grawitacyjnego wybiera się, jeśli nieopłacalne, a czasem niemożliwe jest zainstalowanie pompy obiegowej lub podłączenie do centralnego zasilania elektrycznego.

Taki system jest tańszy w wykonaniu i całkowicie niezależny od energii elektrycznej. Jednak jego działanie w dużej mierze zależy od dokładności projektu.

Aby system ogrzewania z naturalną cyrkulacją działał bezawaryjnie, konieczne jest obliczenie jego parametrów, prawidłowe zainstalowanie komponentów oraz uzasadnione wybranie schematu obiegu wodnego. Pomożemy w rozwiązaniu tych zagadnień.

Opisaliśmy główne zasady działania systemu grawitacyjnego, przedstawiliśmy porady dotyczące wyboru rurociągu, określiliśmy zasady montażu obiegu i rozmieszczenia węzłów roboczych. Szczególną uwagę poświęciliśmy cechom projektowania i funkcjonowania jedno- i dwururowych schematów ogrzewania.

Zasady procesu naturalnej cyrkulacji

Proces ruchu wody w obiegu grzewczym bez użycia pompy obiegowej zachodzi na skutek naturalnych praw fizycznych.

Zrozumienie natury tych procesów pozwoli kompetentnie opracować projekt systemu ogrzewania dla typowych i nietypowych przypadków.

Maksymalna różnica ciśnienia hydrostatycznego

Podstawową właściwością fizyczną każdego czynnika grzewczego (wody lub płynu niezamarzającego), która sprzyja jego ruchowi w obiegu przy naturalnej cyrkulacji, jest zmniejszanie gęstości wraz ze wzrostem temperatury.

Gęstość gorącej wody jest mniejsza niż zimnej, dlatego powstaje różnica ciśnienia hydrostatycznego między ciepłym a zimnym słupem cieczy. Zimna woda, spływając do wymiennika ciepła, wypycha gorącą w górę rury.

Siłą napędową wody w obiegu przy naturalnej cyrkulacji jest różnica ciśnienia hydrostatycznego między zimnym a gorącym słupem cieczy

Obieg grzewczy domu można umownie podzielić na kilka fragmentów. Wzdłuż fragmentów “gorących” woda kierowana jest w górę, a wzdłuż “zimnych” – w dół. Granicami fragmentów są górny i dolny punkt systemu grzewczego.

Głównym zadaniem przy modelowaniu systemu z naturalną cyrkulacją wody jest osiągnięcie jak największej możliwej różnicy między ciśnieniem słupa cieczy w fragmentach “gorącym” i “zimnym”.

Klasycznym dla naturalnej cyrkulacji elementem obiegu wodnego jest kolektor rozpędowy (główny pion) – pionowa rura skierowana w górę od wymiennika ciepła.

Kolektor rozpędowy powinien mieć maksymalną temperaturę, dlatego jest izolowany na całej długości. Chociaż, jeśli wysokość kolektora nie jest duża (jak w przypadku domów parterowych), można nie przeprowadzać izolacji, ponieważ woda w nim nie zdąży ostygnąć.

Zazwyczaj system projektuje się tak, aby górny punkt kolektora rozpędowego pokrywał się z górnym punktem całego obiegu. Tam instaluje się wyjście do naczynia wzbiorczego otwartego typu lub zawór odpowietrzający, jeśli stosuje się naczynie membranowe.

Wówczas długość fragmentu “gorącego” obiegu jest minimalna, co prowadzi do zmniejszenia strat ciepła na tym odcinku.

Ponadto pożądane jest, aby fragment “gorący” obiegu nie łączył się z długim odcinkiem transportującym ostygnięty czynnik grzewczy. Idealnie, dolny punkt obiegu wodnego pokrywa się z dolnym punktem wymiennika ciepła umieszczonego w urządzeniu grzewczym.

Im niżej w systemie grzewczym znajduje się kocioł, tym mniejsze jest ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy w gorącym fragmencie obiegu

Dla segmentu “zimnego” obiegu wodnego również obowiązują własne zasady zwiększające ciśnienie cieczy:

• im większe straty ciepła na “zimnym” odcinku sieci grzewczej, tym niższa temperatura wody i większa jej gęstość, dlatego funkcjonowanie systemów z naturalną cyrkulacją jest możliwe tylko przy znacznym oddawaniu ciepła;
• im większa odległość od dolnego punktu obiegu do podłączenia grzejników, tym większy odcinek słupa wody o minimalnej temperaturze i maksymalnej gęstości.

Aby zapewnić spełnienie ostatniej zasady, często piec lub kocioł instaluje się w najniższym punkcie domu, na przykład w piwnicy. Takim umiejscowieniem kotła zapewnia się maksymalnie możliwą odległość między dolnym poziomem grzejników a punktem wejścia wody do wymiennika ciepła.

Jednak wysokość między dolnym a górnym punktem obiegu wodnego przy naturalnej cyrkulacji nie powinna być zbyt duża (w praktyce nie więcej niż 10 metrów). Piec lub kocioł ogrzewa tylko wymiennik ciepła i dolną część kolektora rozpędowego.

Jeśli ten fragment jest nieznaczny w stosunku do całej wysokości obiegu wodnego, to spadek ciśnienia w “gorącym” fragmencie obiegu będzie nieistotny i proces cyrkulacji nie zostanie uruchomiony.

Stosowanie systemów z naturalną cyrkulacją w budynkach dwukondygnacyjnych jest w pełni uzasadnione, a dla większej liczby kondygnacji konieczna będzie pompa obiegowa

Minimalizacja oporu ruchu wody

Przy projektowaniu systemu z naturalną cyrkulacją należy uwzględnić prędkość ruchu czynnika grzewczego w obiegu.

Po pierwsze, im szybsza prędkość, tym szybciej będzie następować przekazywanie ciepła w systemie “kocioł – wymiennik ciepła – obieg wodny – grzejniki – pomieszczenie”.

Po drugie, im szybsza prędkość płynu przez wymiennik ciepła, tym mniejsze prawdopodobieństwo jego wrzenia, co jest szczególnie ważne przy ogrzewaniu piecowym.

Wrzenie wody w systemie może być bardzo kosztowne – koszt demontażu, naprawy i ponownego montażu wymiennika ciepła wymaga dużo czasu i środków

W systemach ogrzewania z wymuszoną cyrkulacją prędkość ruchu wody zależy głównie od parametrów pompy obiegowej.

Przy ogrzewaniu wodnym z naturalną cyrkulacją prędkość zależy od następujących czynników:

• różnicy ciśnień między fragmentami obiegu w jego dolnym punkcie;
• oporu hydrodynamicznego systemu grzewczego.

Sposoby zapewnienia maksymalnej różnicy ciśnienia zostały omówione powyżej. Opór hydrodynamiczny rzeczywistego systemu nie podlega dokładnym obliczeniom ze względu na złożony model matematyczny i dużą liczbę danych wejściowych, których dokładność trudno zagwarantować.

Niemniej jednak istnieją ogólne zasady, których przestrzeganie pozwoli zmniejszyć opór obiegu grzewczego.

Główne przyczyny spadku prędkości przepływu wody to opór ścianek rur oraz obecność zwężeń spowodowanych przez złączki lub armaturę odcinającą. Przy małej prędkości przepływu opór ścianek jest praktycznie nieobecny.

Wyjątkiem są długie i cienkie rury, typowe dla ogrzewania za pomocą ogrzewania podłogowego. Zazwyczaj wydziela się dla niego osobne obiegi z wymuszonym obiegiem.

Przy wyborze typów rur dla obiegu z naturalną cyrkulacją należy uwzględnić istnienie technicznych zwężeń podczas montażu systemu. Dlatego rury metalowo-plastikowe nie są zalecane przy naturalnej cyrkulacji wody ze względu na łączenie ich złączkami o znacznie mniejszej średnicy wewnętrznej.

Złączki rur metalowo-plastikowych nieco zwężają średnicę wewnętrzną i stanowią poważną przeszkodę dla przepływu wody przy słabym ciśnieniu (+)

Zasady wyboru i montażu rur

Wybór między rurami stalowymi a rurami polipropylenowymi przy dowolnym obiegu odbywa się według kryterium możliwości ich użycia do gorącej wody, a także z uwagi na cenę, łatwość montażu i żywotność.

Pion zasilający montuje się z rury metalowej, ponieważ przepływa przez niego woda o najwyższej temperaturze, a w przypadku ogrzewania piecowego lub awarii wymiennika ciepła możliwe jest przepływanie pary.

Przy naturalnej cyrkulacji należy stosować nieco większą średnicę rur niż w przypadku zastosowania pompy obiegowej. Zazwyczaj, do ogrzewania pomieszczeń do 200 m², średnica kolektora przyspieszającego i rury na wlocie powrotu do wymiennika ciepła wynosi 2 cale.

Wynika to z mniejszej prędkości wody w porównaniu z wariantem wymuszonej cyrkulacji, co prowadzi do następujących problemów:

• zmniejszenie ilości przenoszonego ciepła w jednostce czasu od źródła do ogrzewanego pomieszczenia;
• powstawanie zatorów lub czopów powietrznych, z którymi nie poradzi sobie niewielkie ciśnienie.

Szczególną uwagę przy stosowaniu naturalnej cyrkulacji z dolnym schematem podłączenia zasilania należy poświęcić problemowi usuwania powietrza z systemu. Nie może ono być całkowicie usunięte z czynnika grzewczego przez zbiornik wyrównawczy, ponieważ wrząca woda najpierw trafia do urządzeń przez magistralę znajdującą się niżej niż one same.

W obiegu wymuszonym ciśnienie wody spycha powietrze do odpowietrznika zamontowanego w najwyższym punkcie systemu – urządzenia z automatycznym, ręcznym lub półautomatycznym sterowaniem. Za pomocą zaworów Mayevskiego w głównej mierze reguluje się oddawanie ciepła.

W grawitacyjnych sieciach grzewczych z zasilaniem umieszczonym poniżej grzejników, zawory Mayevskiego stosuje się bezpośrednio do odpowietrzania.

We wszystkich nowoczesnych grzejnikach znajdują się urządzenia do odpowietrzania, dlatego aby zapobiec tworzeniu się zatorów w obiegu, można zastosować spadek, spychając powietrze w kierunku grzejnika.

Powietrze może być również odprowadzane za pomocą odpowietrzników zamontowanych na każdym pionie lub na linii odpowietrzającej ułożonej równolegle do magistrali systemu. Ze względu na znaczną liczbę urządzeń do odpowietrzania, układy grawitacyjne z dolnym rozprowadzeniem stosuje się bardzo rzadko.

Przy słabym ciśnieniu niewielki zator powietrzny może całkowicie zatrzymać system grzewczy. Zgodnie z SNiP 41-01-2003 nie dopuszcza się układania bez spadku rurociągów instalacji grzewczych przy prędkości przepływu wody mniejszej niż 0,25 m/s.

Przy naturalnej cyrkulacji takie prędkości są nieosiągalne. Dlatego oprócz zwiększenia średnicy rur należy zachować stałe spadki w celu usunięcia powietrza z instalacji grzewczej. Spadek projektuje się w proporcji 2-3 mm na 1 metr, w sieciach mieszkaniowych nachylenie sięga 5 mm na metr bieżący linii poziomej.

Spadek zasilania wykonuje się zgodnie z kierunkiem przepływu wody, aby powietrze przemieszczało się w stronę naczynia wzbiorczego lub systemu odpowietrzającego znajdującego się w najwyższym punkcie obiegu. Można również zastosować spadek przeciwny, ale w takim przypadku konieczne jest dodatkowe zamontowanie zaworu odpowiedrzającego.

Spadek magistrali powrotnej wykonuje się z reguły zgodnie z kierunkiem przepływu schłodzonej wody. Wówczas najniższy punkt obiegu będzie pokrywał się z wejściem rury powrotnej do generatora ciepła.

Najpopularniejsza kombinacja kierunku spadku rur zasilającej i powrotnej w celu usunięcia zatorów powietrznych z obiegu wodnego z naturalną cyrkulacją

Przy instalacji ogrzewania podłogowego małej powierzchni w obiegu z naturalną cyrkulacją należy zapobiec przedostawaniu się powietrza do wąskich i poziomo ułożonych rur tego systemu grzewczego. Należy zamontować odpowietrznik przed ogrzewaniem podłogowym.

Jedno- i dwururowe schematy ogrzewania

Podczas projektowania schematu ogrzewania domu z naturalną cyrkulacją wody możliwe jest zaprojektowanie zarówno jednego, jak i kilku oddzielnych obiegów. Mogą one znacząco różnić się od siebie. Niezależnie od długości, liczby grzejników i innych parametrów, wykonuje się je według schematu jednorurowego lub dwururowego.

Obieg z wykorzystaniem jednej magistrali

System ogrzewania wykorzystujący tę samą rurę do sekwencyjnego dostarczania wody do grzejników nazywany jest jednorurowym. Najprostszym wariantem jednorurowym jest ogrzewanie rurami metalowymi bez użycia grzejników.

Jest to najtańszy i najmniej problematyczny sposób ogrzewania domu przy wyborze naturalnej cyrkulacji czynnika grzewczego. Jedyną istotną wadą jest wygląd nieporęcznych rur.

Przy najbardziej ekonomicznym wariancie schematu jednorurowego z grzejnikami, gorąca woda przepływa kolejno przez każde urządzenie. Potrzebna jest minimalna ilość rur i armatury odcinającej.

W miarę przepływu czynnik grzewczy stygnie, dlatego kolejne grzejniki otrzymują zimniejszą wodę, co należy uwzględnić przy obliczaniu liczby sekcji.

Prosty schemat jednorurowy (powyżej) wymaga minimalnej ilości prac montażowych i nakładów finansowych. Bardziej złożony i kosztowny wariant poniżej pozwala na odłączanie grzejników bez zatrzymywania całego systemu.

Za najskuteczniejszy sposób podłączenia grzejników do sieci jednorurowej uważa się wariant diagonalny.

Zgodnie z tym schematem obiegów grzewczych z naturalnym typem cyrkulacji, gorąca woda wchodzi do grzejnika od góry, a po ochłodzeniu jest odprowadzana przez znajdujący się na dole króciec. Przy takim przepływie podgrzana woda oddaje maksymalną ilość ciepła.

W przypadku podłączenia dolnego zarówno króćca wlotowego, jak i wylotowego do grzejnika, oddawanie ciepła znacznie się zmniejsza, ponieważ ogrzany czynnik grzewczy musi pokonać maksymalnie długą drogę. Ze względu na znaczne ochładzanie, w takich schematach nie stosuje się grzejników z dużą liczbą sekcji.

«Leningradka» charakteryzuje się znacznymi stratami ciepła, które należy uwzględnić przy obliczaniu systemu. Jej zaletą jest to, że przy użyciu zaworów odcinających na króćcu wlotowym i wylotowym można selektywnie odłączać urządzenia do naprawy bez zatrzymywania cyklu grzewczego (+)

Obiegi grzewcze z takim podłączeniem grzejników otrzymały nazwę “Leningradka“. Pomimo odnotowanych strat ciepła, preferuje się je w aranżacji systemów ogrzewania mieszkań, co wynika z bardziej estetycznego wyglądu ułożenia rurociągu.

Istotną wadą systemów jednorurowych jest niemożność odłączenia jednej z sekcji grzewczych bez zatrzymania cyrkulacji wody w całym obiegu.

Dlatego zwykle stosuje się modernizację klasycznego schematu z instalacją “bypassu” do obejścia grzejnika za pomocą odgałęzienia z dwoma zaworami kulowymi lub zaworem trójdrogowym. Pozwala to regulować dopływ wody do grzejnika, aż do jego całkowitego odłączenia.

W przypadku budynków dwu- i więcej piętrowych stosuje się warianty schematu jednorurowego z pionowymi pionami. W takim przypadku dystrybucja gorącej wody jest bardziej równomierna niż w przypadku poziomych pionów. Ponadto piony pionowe są mniej rozległe i lepiej pasują do wnętrza domu.

Jednorurowy schemat z pionowym rozgałęzieniem z powodzeniem stosuje się przy ogrzewaniu pomieszczeń dwupiętrowych z wykorzystaniem naturalnej cyrkulacji. Przedstawiono wariant z możliwością odłączenia górnych grzejników.

Wariant z zastosowaniem rury powrotnej

Gdy jedna rura służy do dostarczania gorącej wody do grzejników, a druga do odprowadzania schłodzonej do kotła lub pieca, taki schemat ogrzewania nazywa się dwururowym. Podobny system w przypadku obecności grzejników stosuje się częściej niż jednorurowy.

Jest droższa, ponieważ wymaga montażu dodatkowej rury, ale ma szereg istotnych zalet:

• bardziej równomierny rozkład temperatury czynnika grzewczego dostarczanego do grzejników;
• łatwiej przeprowadzić obliczenia zależności parametrów grzejników od powierzchni ogrzewanego pomieszczenia oraz wymaganych wartości temperatury;
• skuteczniejsza regulacja dostarczania ciepła do każdego grzejnika.

W zależności od kierunku przepływu schłodzonej wody w stosunku do gorącej, systemy dwururowe dzielą się na współprądowe i przeciwprądowe. W schematach współprądowych ruch schłodzonej wody odbywa się w tym samym kierunku co gorącej, dlatego długość cyklu dla całego obiegu jest taka sama.

W schematach przeciwprądowych schłodzona woda płynie naprzeciw gorącej, dlatego dla różnych grzejników długości cykli obiegu czynnika grzewczego różnią się. Ponieważ prędkość w systemie jest niewielka, czas nagrzewania może się znacznie różnić. Grzejniki, których długość cyklu obiegu wody jest mniejsza, nagrzeją się szybciej.

Przy wyborze przeciwprądowego i współprądowego schematu ogrzewania kieruje się przede wszystkim wygodą prowadzenia rury powrotnej

Istnieją dwa typy umiejscowienia przyłączy względem grzejników: górne i dolne. Przy górnym przyłączu rura doprowadzająca gorącą wodę znajduje się powyżej grzejników, a przy dolnym – poniżej.

Przy dolnym podłączeniu możliwe jest odpowietrzanie przez grzejniki i brak konieczności prowadzenia rur u góry, co jest korzystne dla estetyki pomieszczenia.

Jednak bez kolektora przyspieszającego różnica ciśnień będzie znacznie mniejsza niż przy zastosowaniu górnego podłączenia. Dlatego dolne podłączenie w ogrzewaniu pomieszczeń z naturalną cyrkulacją praktycznie nie jest stosowane.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Organizacja systemu jednorurowego opartego na kotle elektrycznym dla małego domu:

Działanie systemu dwururowego dla parterowego drewnianego domu opartego na kotle na paliwo stałe długiego spalania:

Wykorzystanie naturalnej cyrkulacji przy ruchu wody w obiegu grzewczym wymaga precyzyjnych obliczeń i technicznie poprawnego wykonania prac montażowych. Jeśli te warunki zostaną spełnione, system grzewczy będzie skutecznie ogrzewał pomieszczenia domu jednorodzinnego i uwolni właścicieli od hałasu pompy oraz uzależnienia od energii elektrycznej.

Jeśli pojawiły się pytania na ten temat lub istnieje chęć podzielenia się osobistym doświadczeniem w organizacji i eksploatacji systemu grzewczego grawitacyjnego, prosimy o pozostawienie komentarzy do tego artykułu. Blok do kontaktu znajduje się poniżej.