System ogrzewania wodnego z wymuszoną cyrkulacją: schematy, warianty realizacji, szczegóły techniczne

Wiele nowoczesnych rozwiązań wodnego ogrzewania domów wymaga zastosowania grupy pompowej. Projektowanie i montaż systemu ogrzewania z wymuszonym obiegiem należy przeprowadzać z uwzględnieniem aspektów technicznych wynikających z szybkiego ruchu czynnika grzewczego.

Wysokie ciśnienie w obiegu grzewczym umożliwia realizację wielu schematów rozprowadzenia. Przyznają Państwo, że jest to istotna zaleta systemu grzewczego z wymuszonym obiegiem. Jednakże urządzenie takiego schematu wymaga fachowego projektowania.

Opowiemy Państwu, według jakich cech dobiera się główne podzespoły robocze systemu, a także szczegółowo opiszymy możliwe warianty rozprowadzenia magistrali oraz sposoby organizacji obiegu grzewczego.

Cechy techniczne głównych podzespołów systemu

Schemat wymuszony różni się od naturalnego dodaniem jednej lub kilku pomp obiegowych. Ze względu na wzrost ciśnienia i prędkości ruchu czynnika grzewczego, zasady kształtowania podzespołów i rozmieszczenia elementów obiegu ulegają zmianie.

Ten fakt należy uwzględnić, aby zapewnić wysokiej jakości ogrzewanie przy wymuszonym obiegu.

Ogólne wymagania dotyczące grupy pompowej

Pompy obiegowe dobiera się na podstawie wymagań dotyczących objętości przepompowywanej wody (metry sześcienne na godzinę) i wysokości podnoszenia (metry). Obliczenia obu parametrów zależą od kubatury ogrzewanego budynku i sposobu ogrzewania, a także długości obiegu wodnego i średnicy jego rur.

Pompę należy dobierać tak, aby jej parametry nie były “na styk” z wymaganiami systemu. Pozwoli to w razie potrzeby dodać elementy do obiegu bez wymiany pompy.

Zazwyczaj pompy są przystosowane do napięcia 220 V, ale istnieją również z obsługą 12 V. Przy skokach napięcia należy zamontować stabilizator, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia.

W przypadku częstych wyłączeń energii elektrycznej należy zadbać o posiadanie źródła zasilania awaryjnego. Nie ma potrzeby kupowania mocnego UPS – do ogrzewania domów jednorodzinnych rzadko stosuje się urządzenia o poborze mocy większym niż 150 Watów na godzinę.

Pompy obiegowe można umownie podzielić na dwa typy ze względu na położenie silnika. Urządzenia z suchym wirnikiem mają wyższą sprawność, ale cechują się wyższym poziomem hałasu i niższą żywotnością niż te z mokrym wirnikiem.

Jeżeli rozprowadzenie systemu umożliwia naturalny przepływ czynnika grzewczego w obiegu, to pompę należy montować przez “bypass”. W takim przypadku, w razie jej awarii lub wyłączenia zasilania, możliwe jest przełączenie ogrzewania na tryb cyrkulacji grawitacyjnej.

Przez niepracującą pompę woda również może przepływać, jednakże będzie ona stwarzać silny opór dla jej ruchu.

Wybór modelu pompy dla konkretnego systemu grzewczego dokonywany jest poprzez określenie punktu pracy i jego zgodności z wymaganymi wartościami przepływu czynnika grzewczego (+)

Problem zatrzymania pompy jest szczególnie istotny w przypadku ogrzewania piecowego lub kominkowego. W takiej sytuacji piec będzie nadal podgrzewał wymiennik ciepła, co może doprowadzić do zagotowania w nim wody i długotrwałej awarii całego systemu.

Lepiej wykonać montaż pompy na rurze powrotnej, ponieważ niższa temperatura wody pozwoli przedłużyć jej żywotność. Jeśli nie ma możliwości zainstalowania pompy w innym miejscu niż na rurze wychodzącej z kotła, należy zastosować pompę z uszczelkami ceramicznymi.

Mimo że wytrzymują temperaturę do 110°C, to przy wrzeniu układu może u nich dojść do problemów z funkcjonowaniem.

Montując pompę w obwodzie przez bypass można uzyskać nie tylko normalne warunki pracy zgodnie z zasadą cyrkulacji naturalnej, ale także możliwość zdjęcia pompy bez spuszczania wody.

Przydatne informacje dotyczące wyboru pomp cyrkulacyjnych do systemu ogrzewania znajdują się w artykułach:

1. Dobór pompy obiegowej: budowa, rodzaje i zasady wyboru pompy do ogrzewania
2. Pompa obiegowa do ogrzewania: dziesiątka najlepszych modeli i porady dla kupujących

Subtelności doboru kotłów i pieców

Zastosowanie jako generatora ciepła kotłów elektrycznych i gazowych, pieców długiego spalania jest atrakcyjne z punktu widzenia prostoty kontroli dopływu ciepła przez wymiennik ciepła.

Zastosowanie pieców na paliwo stałe, zwłaszcza konstrukcji własnych, grozi niewystarczającym lub nadmiernym wydzielaniem ciepła. Jednak ich użycie jest często uzasadnione z punktu widzenia niskiej ceny i dostępności paliwa.

Obecnie dostępnych jest wiele modeli kotłów elektrycznych i gazowych ze zintegrowaną pompą. Z jednej strony wbudowany system cyrkulacji jest dobrany do mocy kotła i pozwala uniknąć zakupu i instalacji osobnej pompy. Z drugiej strony w przypadku awarii wbudowanej pompy nie jest tak łatwo ją naprawić lub wymienić jak oddzielną.

Elektrokocioł ze zintegrowaną pompą jest gotowym i kompaktowym rozwiązaniem do włączenia go w schemat z wymuszoną cyrkulacją.

Wymagania dotyczące kotła przy zastosowaniu wymuszonej cyrkulacji są takie same jak przy cyrkulacji naturalnej:

• Obliczenie mocy kotła – wskaźnik musi spełniać potrzeby grzewcze domu w najsurowszych warunkach dla danej miejscowości. Wskazane jest posiadanie niewielkiego zapasu mocy (10-20%) z powodu możliwych okoliczności siły wyższej, które mogą wystąpić w systemie ogrzewania.
• Zapobieganie wrzeniu czynnika grzewczego w wymienniku ciepła. To wymaganie przy użyciu kombinacji “piec – pompa” jest łatwiejsze do spełnienia niż w przypadku grawitacyjnego modelu przepływu cieczy.

Aby zapobiec wrzeniu wody w wymienniku ciepła kotła, wystarczy ustawić regulację mocy w zależności od temperatury wychodzącego płynu. Ta metoda działa przy każdym rodzaju cyrkulacji.

Blok sterowania trybem pracy kotła na paliwo stałe zawiera funkcję uruchamiania pompy po osiągnięciu krytycznych temperatur na wyjściu z wymiennika ciepła.

W przypadku pieców z naturalną cyrkulacją nie ma możliwości zapobieżenia wrzeniu czynnika grzewczego w przypadku nadmiernej ilości załadowanego paliwa. Jedyną opcją przy obecności pompy pozostaje zwiększenie objętości przepływającej cieczy przez wymiennik ciepła.

Ponadto taki system przeciwawaryjny można uczynić automatycznym za pomocą termostatu i modułu regulacji prędkości pompy.

Montaż i kontrola obiegu wodnego

W schemacie ogrzewania z wymuszoną cyrkulacją prędkości przepływu wody będą wyższe niż w modelu grawitacyjnym. Dlatego można zastosować mniejszą średnicę rur przy tych samych parametrach ogrzewania budynku. Obniża to koszt ogrzewania wodnego w zakresie wydatków na rury, złączki i armaturę.

Ponadto elementy obiegu o mniejszej średnicy łatwiej ukryć w niszach technologicznych lub wkomponować we wnętrze pomieszczeń.

W porównaniu z cyrkulacją naturalną do ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy dodaje się zwiększone ciśnienie hydrodynamiczne przepływu. Dlatego aby uniknąć powstawania przecieków, a tym bardziej przerwania systemu, należy przestrzegać pewnych zasad.

W przypadku przejścia z cyrkulacji grawitacyjnej na wymuszoną należy wyeliminować wszystkie, nawet najmniejsze przecieki w obiegu. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrośnie prędkość przepływu, co oprócz problemu w pomieszczeniu spowoduje zmniejszenie ilości czynnika grzewczego i jego nadmierne napowietrzenie (nasycenie powietrzem).

Przed rozpoczęciem sezonu grzewczego należy przeprowadzić hydrauliczne próby wytrzymałości obiegu przy maksymalnym używanym ciśnieniu lub nawet nieco wyższym. Pozwoli to wykryć problemy i wyeliminować je przed nadejściem chłodów, kiedy długotrwałe wyłączenie ogrzewania na potrzeby naprawy jest niepożądane.

Przeciek grzejników może wystąpić w najbardziej nieoczekiwanych miejscach, a usunięcie problemu zajmie dużo czasu, dlatego lepiej sprawdzić integralność systemu z wyprzedzeniem.

Ponieważ prędkość przepływu czynnika grzewczego będzie większa niż 0,25 m/s, zgodnie z SNiP 41-01-2003 nie ma konieczności zachowania stałego spadku rur w celu usunięcia powietrza z obiegu. Dlatego przy wymuszonej cyrkulacji montaż rur i grzejników jest nieco prostszy niż w schemacie grawitacyjnym.

Opcje ogrzewania przy wymuszonym obiegu

Zastosowanie wymuszonej cyrkulacji pozwala odejść od zasady projektowania rozdzielaczy z obowiązkowym uwzględnieniem różnicy ciśnienia hydrostatycznego, które jest niezbędne do funkcjonowania w schemacie grawitacyjnym.

Dodaje to różnorodności przy modelowaniu geometrii obiegu wodnego i umożliwia stosowanie rozwiązań takich jak ogrzewanie kolektorowe lub ogrzewanie podłogowe o dużej powierzchni.

Zastosowanie rozprowadzenia górnego i dolnego

Każdy schemat ogrzewania można warunkowo zaklasyfikować jako górne lub dolne rozprowadzenie. Przy górnym rozprowadzeniu gorąca woda unosi się powyżej urządzeń grzewczych, a następnie, spływając w dół, ogrzewa grzejniki. Przy dolnym – gorąca woda dostarczana jest od dołu. Każda opcja ma swoje zalety.

Górne rozprowadzenie stosuje się również w cyrkulacji naturalnej. Dlatego obiegi grzewcze tego typu umożliwiają zastosowanie obu rodzajów cyrkulacji. Po pierwsze, daje to możliwość wyboru, a po drugie, zwiększa niezawodność systemu.

W przypadku odłączenia prądu lub awarii pompy ruch wody w obiegu będzie kontynuowany, choć z mniejszą prędkością.

Dobre ciśnienie umożliwia wybór między górnym a dolnym rozprowadzeniem, biorąc pod uwagę wygodę prowadzenia rur dostarczających czynnik grzewczy do grzejników (+)

Przy zastosowaniu dolnego rozprowadzenia całkowita długość rur jest mniejsza, co zmniejsza koszty stworzenia systemu. Ponadto nie ma konieczności układania pionów na górnym piętrze, co jest korzystne z punktu widzenia wystroju wnętrz. Dolną rurę doprowadzającą gorącą wodę układa się w piwnicy lub na poziomie podłogi parteru.

Rodzaje jednorurowych schematów podłączenia

Schemat jednorurowy wykorzystuje tę samą rurę do dostarczania gorącej wody do grzejników i odprowadzania zimnej do kotła grzewczego. Przy takim rozprowadzeniu długość używanych rur jest prawie o połowę krótsza, zmniejsza się ilość złączek i armatury odcinającej.

Jednak nagrzewanie grzejników odbywa się sekwencyjnie, dlatego przy obliczaniu liczby sekcji należy uwzględnić stopniowe obniżanie temperatury dostarczanego czynnika grzewczego.

Sekwencyjne podłączenie grzejników z wykorzystaniem jednej rury do dostarczania czynnika grzewczego jest często stosowane w nowoczesnych domach w celu minimalizacji kosztów materiałów i uproszczenia prac montażowych

Schematy jednorurowe mogą być realizowane w wariantach poziomym i pionowym. Przy cyrkulacji wymuszonej, w przypadku użycia pionowych pionów, doprowadzenie ciepłej wody jest możliwe nie tylko z góry, ale także z dołu.

Celowość użycia danego wariantu zależy nie tylko od wygody prowadzenia rur, ale także od maksymalnej dopuszczalnej liczby grzejników na jednym pionie obwodu jednorurowego.

Grzejniki można podłączyć na dwa sposoby:

• Połączenie szeregowe – czynnik grzewczy przepływa przez wszystkie grzejniki. W tym przypadku potrzebna jest minimalna liczba rur, jednakże w razie konieczności odłączenia jednego z grzejników, trzeba będzie zatrzymać całą gałąź systemu.
• Połączenie przez bypass – czynnik grzewczy może przepływać z pominięciem grzejnika przez zamontowane obejście. Za pomocą systemu zaworów można przekierować przepływ z pominięciem grzejnika, co umożliwi jego naprawę lub demontaż bez zatrzymania ogrzewania.

Schemat jednorurowy jest często stosowany w ogrzewaniu, jednakże w przypadku dużej liczby grzejników, do ich równomiernego ogrzewania stosuje się inny wariant.

Schematy jednorurowe mają wiele wariantów realizacji przy cyrkulacji wymuszonej, dlatego wybór odpowiedniego rozwiązania dla konkretnej geometrii pomieszczeń jest dość łatwy (+)

Sposoby zastosowania wariantu dwururowego

Schemat obwodu grzewczego z wykorzystaniem drugiej rury do odprowadzenia schłodzonej wody do kotła nazywa się systemem dwururowym. Długość rur wzrasta, podobnie jak liczba połączeń i urządzeń.

Jednak system ma ważną zaletę – do każdego grzejnika dostarczany jest czynnik grzewczy o tej samej temperaturze. To sprawia, że wariant dwururowy jest bardzo atrakcyjny.

Przy ogrzewaniu wodnym z wymuszoną cyrkulacją stosuje się zarówno rozprowadzenie poziome, jak i pionowe. Przy czym w wariancie pionowym możliwe jest zastosowanie górnego i dolnego doprowadzenia ciepłej wody.

Dwururowy schemat doprowadzenia i odprowadzenia wody w połączeniu z diagonalnym podłączeniem grzejnika zapewnia maksymalne oddawanie ciepła do pomieszczenia

Ponieważ temperatura doprowadzanej wody do wszystkich grzejników jest taka sama, geometria obwodów zależy tylko od następujących czynników:

• oszczędność materiałów – minimalizacji długości rur i liczby połączeń;
• łatwością prowadzenia obwodu grzewczego przez ściany i stropy;
• atrakcyjność estetyczna – możliwością wkomponowania elementów grzewczych w wystrój pomieszczeń.

W zależności od kierunku przepływu ciepłej i schłodzonej wody, schematy dwururowe dzieli się na dwa typy:

1. Współprądowe. Przepływ w obu rurach odbywa się w tym samym kierunku. Cykl obiegu czynnika grzewczego ma tę samą długość dla wszystkich grzejników w tej części systemu, dlatego ich prędkość nagrzewania jest jednakowa.
2. Ślepe. W układzie współprądowym grzejniki znajdujące się bliżej kotła nagrzewają się szybciej. Jednak dla systemów z wymuszonym obiegiem nie ma to większego znaczenia ze względu na znaczną prędkość wody w obiegu.

Przy wyborze między wariantem współprądowym a ślepym kieruje się wygodą prowadzenia rury powrotnej. W układach pionowych przy rozdzielaczu dolnym uzyskuje się system ślepy, a przy górnym – współprądowy.

Wykorzystanie rozdzielacza ogrzewania

Innym popularnym obecnie sposobem organizacji ogrzewania jest stworzenie schematu kolektorowego. W pewnym stopniu schemat ten można uznać za podtyp układu dwururowego, choć znajduje on również zastosowanie w organizacji jednorurowych obiegów grzewczych.

Jednak rozdział gorącego czynnika grzewczego i zbieranie schłodzonego odbywa się nie z głównego pionu, a ze specjalnych rozdzielczych urządzeń węzłowych – kolektorów. Taki system działa stabilnie tylko przy zastosowaniu wymuszonego obiegu.

Rozprowadzenie promieniste w porównaniu z dwururowym wymaga obecności kolektora, większej całkowitej długości rur, ilości złączek i armatury odcinającej.

Węzeł rozdzielczy dla systemu dwururowego stanowi złożoną kombinację kolektorów zasilającego i powrotnego, za pomocą których realizowane jest zrównoważone pod względem temperatury i ciśnienia dostarczanie czynnika grzewczego.

Każda gałąź urządzenia zasila jeden element grzewczy lub ich niewielką grupę. Gałęzie zazwyczaj są umieszczone pod podłogą, każde piętro budynku wielopiętrowego obsługuje jeden kolektor zainstalowany w centralnym punkcie.

Pomimo oczywistych zalet takiego wariantu organizacji ogrzewania, system kolektorowy ma dwie istotne wady:

• największa długość rurociągów, dlatego ten wariant organizacji obiegu wodnego wymaga znacznych nakładów finansowych;
• złożoność zmiany obiegu – rury w tym wariancie są zwykle umieszczone pod podłogą lub w ścianach, dlatego w przypadku dodania urządzeń grzewczych wprowadzenie jakichkolwiek korekt będzie bardzo trudne.

Wszystkie kolektory montuje się zazwyczaj w specjalnej szafce, ponieważ armatura odcinająca znajduje się w tym samym miejscu i wymaga dostępu. Umieszczenie zaworów w jednym miejscu jest bardzo wygodne.

W przypadku potrzeby włączenia lub wyłączenia grzejników lub wystąpienia sytuacji awaryjnej wystarczy mieć dostęp do szafki i nie ma potrzeby odwiedzania wszystkich pomieszczeń.

Rozdzielacze mogą mieć prostą strukturę, składającą się z dwóch grzebieni i minimum armatury odcinającej. Złożone zestawy mogą obejmować również automatyczne termostaty, elektroniczne zawory, mieszacze, automatyczne odpowietrzniki, czujniki i bloki kontroli, zawór spustowy wody oraz oddzielną pompę obiegową.

Systemy te mogą najdokładniej regulować temperaturę w domu, ale wymagają dobrego zrozumienia podstaw i niuansów działania ogrzewania wodnego.

Ogrzewanie za pomocą podłogi grzewczej

Za jeden z najwygodniejszych sposobów ogrzewania uważa się organizację ogrzewania podłogowego. Należy zaznaczyć, że montaż takiego wariantu ogrzewania pokoi mieszkalnych, pryszniców, kuchni i innych pomieszczeń jest dość skomplikowany.

Wodne ogrzewanie podłogowe o dużej powierzchni jest możliwe tylko przy organizacji wymuszonej cyrkulacji, ponieważ konieczne jest wytworzenie ciśnienia w długim systemie wąskich rurek.

Ciśnienie jest niezbędne do pokonania oporu wąskich rur z wieloma zagięciami. Ponadto konieczne jest osiągnięcie ciśnienia pozwalającego na usunięcie powietrza z rurek ogrzewania podłogowego, które są umieszczone poziomo.

Istnieje wiele kombinacji układania rurek:

• dla małych pomieszczeń stosuje się schematy z jednym wejściem dla gorącej wody i wyjściem dla schłodzonej;
• dla dużych pomieszczeń organizuje się bardziej złożone systemy ogrzewania podłogowego z wykorzystaniem rozdzielacza.

Nierzadko dla fragmentów obiegu z ogrzewaniem podłogowym instaluje się oddzielne pompy obiegowe.

Użycie rozdzielacza jest uzasadnione dla dużych powierzchni ogrzewania podłogowego, gdy obliczenia wskazują, że jedna rura może nie poradzić sobie z ogrzewaniem.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Szczegółowe przedstawienie dwururowego i dość skomplikowanego schematu ogrzewania domu dwupiętrowego:

System zamknięty dla domu trójpiętrowego na bazie kotła gazowego:

Stosowanie pomp w ogrzewaniu wodnym pomieszczeń znacznie ułatwia projektowanie obiegu, umożliwiając warianty niedostępne dla modelu grawitacyjnego. Prawidłowy dobór urządzeń pozwoli rozwiązać kwestię ogrzewania mieszkania, czyniąc ten proces wygodnym i prostym.

Czy jest coś do dodania, czy pojawiły się pytania dotyczące organizacji systemu grzewczego z wymuszoną cyrkulacją? Proszę zostawiać komentarze pod publikacją i brać udział w dyskusjach. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.