Šildymo sistema su natūralia cirkuliacija: paplitusios vandens kontūrų schemos

Gravitacinio tipo autonominės šildymo sistemos statybą pasirenkama, jei netikslinga, o kartais ir neįmanoma įrengti cirkuliacinį siurblį arba prisijungti prie centralizuoto elektros tiekimo.

Tokia sistema yra pigesnė įrengiant ir visiškai nepriklausoma nuo elektros. Tačiau jos veikimas labai priklauso nuo projektavimo tikslumo.

Kad šildymo sistema su natūralia cirkuliacija veiktų nepertraukiamai, būtina apskaičiuoti jos parametrus, teisingai sumontuoti komponentus ir pagrįstai pasirinkti vandens kontūro schemą. Mes padėsime išspręsti šiuos klausimus.

Mes aprašėme pagrindinius gravitacinės sistemos veikimo principus, pateikėme patarimų dėl vamzdyno pasirinkimo, nurodėme kontūro surinkimo ir darbo mazgų išdėstymo taisykles. Atskirai atkreipėme dėmesį į vienvamzdžių ir dvivamzdžių šildymo schemų projektavimo ir veikimo ypatumus.

Natūralios cirkuliacijos proceso principai

Vandens judėjimo procesas šildymo kontūre be cirkuliacinio siurblio vyksta dėl natūralių fizinių dėsnių.

Šių procesų prigimties supratimas leis kompetentingai parengti šildymo sistemos projektą tipiniais ir nestandartiniais atvejais.

Maksimalus hidrostatinio slėgio skirtumas

Pagrindinė fizinė bet kurio šilumnešio (vandens ar antifrizo) savybė, skatinanti jo judėjimą kontūre natūralios cirkuliacijos metu – tankio mažėjimas didėjant temperatūrai.

Karšto vandens tankis yra mažesnis nei šalto, todėl atsiranda skirtumas tarp šilto ir šalto skysčio stulpelių hidrostatinio slėgio. Šaltas vanduo, tekėdamas į šilumokaitį, stumia karštą vandenį aukštyn vamzdžiu.

Vandens judėjimo kontūre natūralios cirkuliacijos metu varomoji jėga yra hidrostatinio slėgio skirtumas tarp šalto ir karšto skysčio stulpelių.

Namo šildymo kontūrą galima sąlyginai padalyti į kelis fragmentus. „Karštais“ fragmentais vanduo juda aukštyn, o „šaltais“ – žemyn. Fragmentų ribos yra viršutinis ir apatinis šildymo sistemos taškai.

Pagrindinis uždavinys modeliuojant sistemą su natūralia cirkuliacija vandens yra pasiekti kuo didesnį skirtumą tarp skysčio stulpelio slėgio „karštame“ ir „šaltame“ fragmentuose.

Klasikinis natūralios cirkuliacijos vandens kontūro elementas yra pagreičio kolektorius (pagrindinis stovas) – vertikalus vamzdis, nukreiptas aukštyn nuo šilumokaičio.

Pagreičio kolektorius turi turėti maksimalią temperatūrą, todėl jis šiltinamas per visą ilgį. Nors, jei kolektoriaus aukštis nėra didelis (kaip vieno aukšto namuose), šiltinti galima ir neprivalomai, nes vanduo jame nespės atvėsti.

Paprastai sistema projektuojama taip, kad pagreičio kolektoriaus viršutinis taškas sutaptų su viso kontūro viršutiniu tašku. Ten įrengiamas išėjimas į atviro tipo plėtimosi baką arba oro išleidimo vožtuvas, jei naudojamas membraninis bakas.

Tuomet „karšto“ kontūro fragmento ilgis yra minimaliai galimas, o tai sumažina šilumos nuostolius šioje atkarpoje.

Taip pat pageidautina, kad „karštas“ kontūro fragmentas nesijungtų su ilga atkarpa, transportuojančia atvėsusį šilumnešį. Idealiu atveju vandens kontūro apatinis taškas sutampa su apatiniu šilumokaičio, patalpinto į šildymo įrenginį, tašku.

Kuo žemiau šildymo sistemoje yra katilas, tuo mažesnis hidrostatinis skysčio stulpelio slėgis karštame kontūro fragmente.

„Šaltam“ vandens kontūro segmentui taip pat galioja savos taisyklės, didinančios skysčio slėgį:

• kuo didesni šilumos nuostoliai “šaltoje” šildymo tinklo atkarpoje, tuo žemesnė vandens temperatūra ir didesnis jo tankis, todėl sistemų su natūralia cirkuliacija veikimas galimas tik esant dideliam šilumos atidavimui;
• kuo didesnis atstumas nuo apatinės kontūro taško iki radiatorių prijungimo, tuo didesnė vandens stulpo atkarpa su minimalia temperatūra ir maksimaliu tankiu.

Siekiant užtikrinti paskutinės taisyklės įvykdymą, dažnai krosnis ar katilas įrengiamas žemiausiame namo taške, pavyzdžiui, rūsyje. Tokiu katilo išdėstymu užtikrinamas maksimalus atstumas tarp apatinio radiatorių lygio ir vandens įėjimo taško į šilumokaitį.

Tačiau aukštis tarp apatinio ir viršutinio vandens kontūro taškų natūralios cirkuliacijos atveju neturėtų būti per didelis (praktiškai ne daugiau kaip 10 metrų). Krosnis ar katilas šildo tik šilumokaitį ir apatinę pagreičio kolektoriaus dalį.

Jei šis fragmentas yra nežymus, palyginti su visu vandens kontūro aukščiu, tada slėgio kritimas “karštame” kontūro fragmente bus nereikšmingas ir cirkuliacijos procesas nebus pradėtas.

Sistemų su natūralia cirkuliacija naudojimas dviejų aukštų pastatams yra visiškai pateisinamas, o didesnio aukštingumo atveju reikės cirkuliacinio siurblio.

Vandens judėjimo pasipriešinimo mažinimas

Projektuojant sistemą su natūralia cirkuliacija, būtina atsižvelgti į šilumnešio judėjimo kontūru greitį.

Pirma, kuo greitesnis greitis, tuo greičiau vyks šilumos perdavimas sistemoje “katilas – šilumokaitis – vandens kontūras – šildymo radiatoriai – patalpa”.

Antra, kuo greitesnis skysčio greitis per šilumokaitį, tuo mažesnė jo užvirimo tikimybė, o tai ypač svarbu krosniniame šildyme.

Vandens užvirimas sistemoje gali kainuoti labai brangiai – šilumokaičio išmontavimo, remonto ir atgalinio įrengimo kaina reikalauja daug laiko ir lėšų.

Sistemose su priverstine cirkuliacija vandens judėjimo greitis daugiausia priklauso nuo cirkuliacinio siurblio parametrų.

Vandens šildyme su natūralia cirkuliacija greitis priklauso nuo šių veiksnių:

• slėgio skirtumo tarp kontūro fragmentų apatinėje jo vietoje;
• šildymo sistemos hidrodinaminio pasipriešinimo.

Maksimalaus slėgio skirtumo užtikrinimo būdai buvo aptarti aukščiau. Realios sistemos hidrodinaminė varža nėra tiksliai apskaičiuojama dėl sudėtingo matematinio modelio ir daugybės įvesties duomenų, kurių tikslumą sunku garantuoti.

Vis dėlto egzistuoja bendros taisyklės, kurių laikymasis leis sumažinti šildymo kontūro varžą.

Pagrindinės vandens judėjimo greičio mažėjimo priežastys yra vamzdžių sienelių varža ir susiaurėjimai dėl jungiamųjų detalių ar uždarymo armatūros. Esant mažam srauto greičiui, sienelių varža praktiškai nėra.

Išimtis sudaro ilgi ir ploni vamzdžiai, būdingi šildymui šiltomis grindimis. Paprastai tam išskiriami atskiri kontūrai su priverstine cirkuliacija.

Renkantis vamzdžių tipus kontūrui su natūralia cirkuliacija, reikės atsižvelgti į techninius susiaurėjimus montuojant sistemą. Todėl metalo-plastiko vamzdžiai naudoti esant natūraliai vandens cirkuliacijai nerekomenduojama, nes jie jungiami jungiamosiomis detalėmis, turinčiomis žymiai mažesnį vidinį skersmenį.

Metalo-plastiko vamzdžių jungiamosios detalės šiek tiek susiaurina vidinį skersmenį ir yra rimta kliūtis vandens kelyje esant silpnam slėgiui (+)

Vamzdžių parinkimo ir montavimo taisyklės

Pasirinkimas tarp plieninių ar polipropileninių vamzdžių bet kokioje cirkuliacijoje vyksta pagal jų tinkamumo karštam vandeniui kriterijų, taip pat kainos, montavimo paprastumo ir eksploatavimo trukmės požiūriu.

Tiekimo stovas montuojamas iš metalinio vamzdžio, nes per jį teka aukščiausios temperatūros vanduo, o krosninio šildymo arba šilumokaičio gedimo atveju galima garų prasiskverbimo galimybė.

Esant natūraliai cirkuliacijai, reikia naudoti šiek tiek didesnį vamzdžių skersmenį nei naudojant cirkuliacinį siurblį. Paprastai, šildant patalpas iki 200 kv. m, įsibėgėjimo kolektoriaus ir grįžtamosios linijos į šilumokaitį vamzdžio skersmuo yra 2 coliai.

Tai lemia mažesnis vandens greitis, palyginti su priverstinės cirkuliacijos variantu, o tai lemia šias problemas:

• pernešamo šilumos kiekio mažėjimas per laiko vienetą nuo šaltinio iki šildomos patalpos;
• užsikimšimų ar oro kamščių atsiradimas, su kuriais negalės susitvarkyti nedidelis slėgis.

Ypatingą dėmesį, naudojant natūralią cirkuliaciją su apatine tiekimo schema, reikia skirti oro pašalinimo iš sistemos problemai. Jis negali visiškai pasišalinti iš šilumnešio per išsiplėtimo baką, nes užverdate vanduo pirmiausia patenka į prietaisus magistrale, esančia žemiau nei jie patys.

Esant priverstinei cirkuliacijai, vandens slėgis varo orą į aukščiausiame sistemos taške įrengtą oro surinktuvą – automatinio, rankinio ar pusautomaticio valdymo įrenginį. Naudojant Maevskio čiaupus daugiausiai reguliuojamas šilumos atidavimas.

Gravitacinėse šildymo sistemose su tiekimu, esančiu žemiau prietaisų, Mayevskio čiaupai naudojami tiesiogiai oro šalinimui.

Ant visų šiuolaikinio tipo šildymo radiatorių yra oro išleidimo įtaisai, todėl norint išvengti kamščių susidarymo kontūre, galima daryti nuolydį, varant orą link radiatoriaus.

Oras taip pat gali būti pašalinamas naudojant oro šalintuvus, įrengtus ant kiekvieno stovo arba ant oro linijos, nutiestos lygiagrečiai sistemos magistralėms. Dėl didžiulio oro šalinimo įrenginių kiekio gravitacinės schemos su apatine paskirstymo linija naudojamos labai retai.

Esant silpnam slėgiui, nedidelis oro kamštis gali visiškai sustabdyti šildymo sistemą. Taigi, pagal SNiP 41-01-2003, neleidžiama tiesti be nuolydžio šildymo sistemų vamzdynus, kai vandens judėjimo greitis mažesnis nei 0,25 m/s.

Esant natūraliai cirkuliacijai, tokie greičiai nepasiekiami. Todėl, be vamzdžių skersmens didinimo, būtina laikytis pastovių nuolydžių orui iš šildymo sistemos pašalinti. Nuolydis projektuojamas 2–3 mm 1 metrui, butų tinkluose nuolydis siekia 5 mm tiesiniam metrui horizontalios linijos.

Tiekimo nuolydis daromas pagal vandens judėjimo kryptį, kad oras judėtų link išsiplėtimo bako arba oro šalinimo sistemos, esančios aukščiausiame kontūro taške. Nors galima padaryti ir priešnuolydį, tačiau tokiu atveju papildomai būtina įrengti oro pašalinimo vožtuvą.

Grįžtamosios linijos nuolydis, kaip taisyklė, daromas pagal atšalusio vandens judėjimo kryptį. Tuomet žemiausias kontūro taškas sutaps su grįžtamojo vamzdžio įėjimu į šilumos generatorių.

Dažniausiai paplitusi tiekimo ir grįžtamojo vamzdžių nuolydžio krypties kombinacija, skirta oro kamščiams pašalinti iš vandens kontūro su natūralia cirkuliacija.

Įrengiant šiltas grindis nedideliame plote su natūralia cirkuliacija, būtina neleisti orui patekti į siaurus ir horizontaliai išdėstytus šios šildymo sistemos vamzdžius. Būtina sumontuoti oro pašalinimo įrenginį prieš šiltas grindis.

Vienvamzdės ir dvivamzdės šildymo schemos

Kuriant namo šildymo schemą su natūralia vandens cirkuliacija, galima suprojektuoti tiek vieną, tiek keletą atskirų kontūrų. Jie gali labai skirtis vienas nuo kito. Nepriklausomai nuo ilgio, radiatorių skaičiaus ir kitų parametrų, jie įrengiami pagal vienvamzdę arba dvivamzdę schemą.

Kontūras naudojant vieną magistralę

Šildymo sistema, kai vienas ir tas pats vamzdis naudojamas vandeniui nuosekliai tiekti į radiatorius, vadinama vienvamzde. Paprasčiausias vienvamzdis variantas yra šildymas metaliniais vamzdžiais nenaudojant radiatorių.

Tai pigiausias ir mažiausiai problemų keliantis būdas spręsti namo šildymo klausimą, pasirinkus natūralią šilumnešio cirkuliaciją. Vienintelis reikšmingas trūkumas – didelių vamzdžių išvaizda.

Taikant ekonomiškiausią vienvamzdės schemos variantą su šildymo radiatoriais, karštas vanduo nuosekliai teka per kiekvieną įrenginį. Čia reikia minimalaus vamzdžių ir uždarymo armatūros kiekio.

Šilumnešiui judant, jis atvėsta, todėl vėlesni radiatoriai gauna šaltesnį vandenį, į ką būtina atsižvelgti skaičiuojant sekcijų skaičių.

Paprasta vienvamzdė schema (viršuje) reikalauja minimalių montavimo darbų ir investuotų lėšų. Sudėtingesnis ir brangesnis variantas apačioje leidžia išjungti radiatorius nestabdant visos sistemos.

Efektyviausiu šildymo prietaisų prijungimo prie vienvamzdės tinklo būdu laikomas įstrižinis variantas.

Pagal šią šildymo kontūrų schemą su natūralios cirkuliacijos tipu, karštas vanduo patenka į radiatorių iš viršaus, o atvėręs nuteka per apačioje esantį vamzdelį. Tokiu būdu tekėdamas, įkaitintas vanduo atiduoda maksimalų šilumos kiekį.

Esant apatiniam prijungimui prie akumuliatoriaus tiek įvadinio, tiek išvadinio vamzdelio, šilumos perdavimas žymiai sumažėja, nes įkaitęs šilumnešis turi nueiti maksimaliai ilgą kelią. Dėl didelio atvėsimo tokiose schemose nenaudojamos baterijos su dideliu sekcijų skaičiumi.

„Leningradka“ pasižymi dideliais šilumos nuostoliais, į kuriuos būtina atsižvelgti skaičiuojant sistemą. Jos pliusas tas, kad naudojant uždarymo vožtuvus ant įvadinio ir išvadinio vamzdelio, prietaisus galima pasirinktinai išjungti remontui nestabdant šildymo ciklo (+)

Šildymo kontūrai su tokiu radiatorių prijungimu gavo pavadinimą “Leningradka“. Nepaisant pažymėtų šilumos nuostolių, jie yra teikiami pirmenybė įrengiant butų šildymo sistemas, nes tai lemia estetiškesnė vamzdyno klojimo išvaizda.

Esminis vienvamzdžių tinklų trūkumas yra tas, kad neįmanoma išjungti vienos iš šildymo sekcijų nesustabdžius vandens cirkuliacijos visame kontūre.

Todėl dažniausiai taikoma klasikinės schemos modernizacija įrengiant “bajpasą” radiatoriaus aplinkiniam vamzdžiui su dviem rutuliniais čiaupais arba trijų krypčių čiaupu. Tai leidžia reguliuoti vandens tiekimą į radiatorių, netgi visiškai jį išjungti.

Dviejų ir daugiau aukštų pastatuose taikomi vienvamzdžio modelio variantai su vertikaliais stovais. Šiuo atveju karšto vandens paskirstymas yra tolygesnis nei su horizontaliais stovais. Be to, vertikalūs stovai yra trumpesni ir geriau įsilieja į namo interjerą.

Vienvamzdė schema su vertikaliu išvedžiojimu sėkmingai taikoma šildant dviejų aukštų patalpas, naudojant natūralią cirkuliaciją. Pateikiamas variantas su galimybe išjungti viršutinius radiatorius.

Variantas naudojant grįžtamąjį vamzdį

Kai vienas vamzdis naudojamas karštam vandeniui tiekti į radiatorius, o kitas – atvėsusiam vandeniui grąžinti į katilą ar krosnį, tokia šildymo schema vadinama dvivamzde. Tokia sistema su šildymo radiatoriais naudojama dažniau nei vienvamzdė.

Ji yra brangesnė, nes reikalauja papildomo vamzdžio montavimo, tačiau turi keletą reikšmingų pranašumų:

• tolygesnis temperatūros pasiskirstymas tiekiamo į radiatorius šilumnešio;
• lengviau apskaičiuoti radiatorių parametrų priklausomybę nuo šildomo ploto ir reikiamų temperatūros verčių;
• efektyvesnis šilumos tiekimo reguliavimas kiekvienam radiatoriui.

Priklausomai nuo atvėsusio vandens judėjimo krypties karšto vandens atžvilgiu, dvivamzdės sistemos skirstomos į vienakryptes ir aklines. Vienakryptėse schemose atvėsęs vanduo juda ta pačia kryptimi kaip ir karštas, todėl ciklo ilgis visam kontūrui sutampa.

Aklinese schemose atvėsęs vanduo juda priešingai karštajam, todėl skirtingiems radiatoriams šilumnešio apsisukimo ciklų ilgiai skiriasi. Kadangi greitis sistemoje yra nedidelis, šildymo laikas gali smarkiai skirtis. Tie radiatoriai, kurių vandens apytakos ciklo ilgis yra trumpesnis, bus įšildomi greičiau.

Renkantis aklines ir vienakryptes šildymo schemas, pirmiausia atsižvelgiama į grįžtamojo vamzdžio vedimo patogumą

Yra du pajungimo tipai šildymo radiatorių atžvilgiu: viršutinis ir apatinis. Esant viršutinei pajungimui, karštą vandenį tiekiantis vamzdis yra aukščiau šildymo radiatorių, o esant apatiniam – žemiau.

Esant apatinei pajungimo linijai, galima pašalinti orą per radiatorius ir nereikia vesti vamzdžių viršuje, kas yra gerai patalpos dizaino požiūriu.

Tačiau be kolektoriaus slėgio kritimas bus daug mažesnis nei naudojant viršutinę pajungimo liniją. Todėl apatinė pajungimo linija šildant patalpas natūralios cirkuliacijos principu praktiškai nenaudojama.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Vienvamzdės schemos organizavimas naudojant elektrinį katilą mažam namui:

Dviejų vamzdžių sistemos veikimas vieno aukšto mediniame name naudojant ilgai degantį kieto kuro katilą:

Natūralios cirkuliacijos naudojimas vandens judėjimui šildymo kontūre reikalauja tikslių skaičiavimų ir techniškai kompetentingo montavimo darbų atlikimo. Įvykdžius šias sąlygas, šildymo sistema kokybiškai šildys privataus namo patalpas ir atleis šeimininkus nuo siurblio triukšmo ir priklausomybės nuo elektros energijos.

Jei kyla klausimų šia tema arba norite pasidalinti asmenine patirtimi organizuojant ir eksploatuojant gravitacinio tipo šildymo sistemą, prašome palikti komentarus prie šio straipsnio. Atsiliepimų blokas yra žemiau.