У холодну пору року опалення відіграє важливу роль у створенні життєвого комфорту. А в будинках з великою площею пічне опалення стає неефективним. У такому випадку краще використовувати системи з теплоносієм, що нагрівається в котлі. Найпростіший варіант - самопливне опалення приватного будинку. Але воно буде працювати, лише якщо будуть дотримані обов'язкові умови при проєктуванні та монтажі.

Принцип роботи самопливної системи опалення приватного будинку

Будь-яка система опалення, що передбачає використання теплоносія, працює внаслідок його нагрівання та подальшого остигання. Так тепло, що отримується від спалювання палива в котлі, розподіляється по всій будівлі. Теплоносій, що має високу температуру, надходить трубами в радіатори. Охолоджуючи в них, він повертається в котел, щоб знову нагріватися. А тепло, що походить від поверхні радіаторів, обігріває приміщення.

Існує два основних різновиди таких систем – з природною циркуляцією теплоносія, та з примусовою.

Схема системи опалення із примусовою циркуляцією

Як випливає із назви, самопливна система опалення (її іноді називають гравітаційною) відрізняється від примусової відсутністю помпи, яка необхідна для циркуляції теплоносія.

Схема опалення із природною циркуляцією

Рух у системі з природною циркуляцією здійснюється лише внаслідок різниці у вазі холодної та гарячої води. Основні переваги очевидні:

• самопливне опалення приватного будинку може бути автономним і незалежним від наявності інженерних комунікацій;
• монтаж системи опалення з природною циркуляцією нескладно виконати навіть своїми руками;
• правильне опалення з природною циркуляцією ефективно, економічно та безпечно.

Як працює самопливне опалення приватного будинку без помпи? Секрет у тому, що вага води (як і будь-якої іншої рідини) знижується із підвищенням температури. Рідина збільшується в об'ємі, а щільність зменшується. При температурі, наближеній до кипіння, вода насичується повітрям і стає легше.

Залежність ваги кубометра води від температури

Варто звернути увагу, що якщо вага одного кубометра води при температурі 90°С та 80°С відрізняється на 6,5 кг, то при температурі 40°С та 30°С – всього на 3,5 кг. Це дуже важливий параметр, який не можна ігнорувати під час вибору діаметра труб.

І як це зробити? Один кубометр води при температурі 90°С важить 965 кілограмів, а при 80°С – 971 кілограм. Якщо ж знизити температуру з 90°С до 70°С, то куб стане на 12 кілограмів важче. На цьому явищі й ґрунтується принцип роботи самопливної системи опалення. З котла нагрітий теплоносій надходить у розгінний колектор під тиском холодної води, що надходить у котел, що має більшу вагу (це відбувається, через те, що система практично замкнута).

Вже на виході з колектора вода втрачає кілька градусів, а після проходу через радіатори вона остигає ще сильніше. В результаті, в далеких від котла стояках, вода тисне сильніше, оскільки вона в них холодніше. Відповідно швидкість руху її може бути більшою.

Надходячи під дією гравітації в котел, холодна вода витісняє гарячу, що має меншу вагу, назад у систему опалення. Такий рух відбувається циклічно. У замкненій системі опалення природна циркуляція триватиме доти, доки котел нагріває воду до потрібної температури.

Діаметр труб для самопливного опалення

Перша та основна умова надійної роботи гравітаційного опалення – великий діаметр стояків (вертикальних магістральних труб) та лежаків (верхніх та нижніх горизонтальних труб, що підводять теплоносій). І з цього приводу часто можна почути одну з головних помилок: у самопливній системі опалення з тонкими трубами циркуляції ніколи не буде.

Це не зовсім так. Циркуляції можна добитися і за тонких труб. Однак, для комфортного опалення така система буде непридатна.

Річ у тому, що в тонкій трубі виявиться води менше, ніж у товстій. І це зрозуміло – площа перерізу збільшується залежно від діаметра у квадратичній пропорції. У трубі діаметром, наприклад, 20 мм при висоті стояка 6 метрів буде лише два літри води. При різниці температур між "подачею" з 60°С і "зворотом" з 40°С вага в них буде різнитися на 11 грамів. Цього вже достатньо, щоб привести в рух воду – важка холодна почне давити вниз. Але при великій довжині труб тертя води об їх стінки врівноважить силу важкості та циркуляції не буде. Запустити її можна двома способами:

• збільшити різницю температур між "подачею" та "зворотом";
• збільшити початкову температуру "подачі" – різниця у вазі при високих температурах відчутніше (див. таблицю).

Перший спосіб зазвичай і застосовують – включають до циркуляційної системи радіатори опалення. Вони швидше остуджують теплоносій, забираючи тепло і віддаючи в приміщення. Але це не може відбуватися нескінченно. Порівнявшись із кімнатною температурою, вода перестане остигати, а різниця у вазі ще не буде достатньою для природної циркуляції. До того ж самі радіатори теж збільшують опір системи.

Внаслідок цього доводиться нагрівати воду в котлі до найвищої температури. Циркуляція запуститься, але тоді в будинку стане спекотно, адже температура теплоносія підніметься вище за розрахункову. Та й ККД такої системи різко впаде. Річ у тому, що холодна вода "приймає" більше теплоти від спалювання палива, ніж гаряча. Тому при спробі нагріти гарячий теплоносій ще сильніше, більшість тепла від згоряння палива буквально вилітатиме в трубу котла, залишившись невикористаною.

А тепер – розрахунок для труби діаметром 50 мм. У шестиметровому стояку з такої труби вміститься майже 12 літрів води. А при різниці температур між "подачею" з 60°С і "зворотом" з 40°С вага буде відрізнятися вже на 72 грами. Така система циркулюватиме і при нижчій температурі. Це дозволить здійснювати топку котла рівномірніше та ефективніше, піднімаючи температуру тільки якщо це необхідно для обігріву приміщення.

Діаметр труб для гравітаційної системи опалення приватного будинку повинен бути якомога більше і точно не менше вихідного та вхідного патрубків котла. При цьому не можна забувати, що діаметр нижньої розводки не може бути меншим, ніж у верхньої. Інакше рух води буде ускладнений.

Кут нахилу труби опалення при природній циркуляції

Існує думка, що якщо монтаж гравітаційної системи опалення виконаний без ухилу у бік руху води, то циркуляції не буде. І це твердження докорінно неправильне. Як уже пояснювалося вище, циркуляція виникає не від того, що вода рухається зверху вниз "самопливом", хоч іноді так і називають систему.

Рух відбувається через різницю ваги води в закільцьованій схемі. Якщо її розімкнути, вода, звичайно, рухатися горизонтальними ділянками не стане. А ось за дотримання інших умов циркуляція буде, навіть якщо гарячій воді доведеться підійматися по контруклону. І це цілком природно. Адже підіймається вона від котла по абсолютно вертикальному колектору. Просто знизу її підпирає холодна вода з великою вагою. Таким чином, самопливна система опалення приватного будинку без ухилу теж працюватиме.

Однак сенс у тому, щоб робити лежаки з ухилом у бік руху теплоносія все ж таки краще. Річ у тому, що у водяній системі з природною циркуляцією, як і з примусовою, завжди збиратиметься повітря. Воно виділятиметься з води при нагріванні або потраплятиме в систему при поповненні теплоносія.

Лежаки з ухилом у бік руху теплоносія

У примусовій системі помпа розжене це повітря і теплоносій рухатиметься разом із ним. А у гравітаційній системі швидкість руху низька. Тому повітря, зібравшись у будь-якій точці, утворює пробку, яка перешкоджатиме руху води.

Неправильний ухил самопливної системи опалення

Таку повітряну пробку можна видалити, встановивши у найвищому місці системи кран для спуску повітря. Однак, якщо таких місць збору повітря буде кілька, обслуговування системи буде ускладнено.

Неправильний ухил самопливної системи опалення

Якщо ухили (необов'язково їх робити великими) будуть рівномірними та не буде контруклонів, при заповненні системи все повітря видавлюватиметься до клапана.

Заповнювати труби опалювальної системи потрібно підключившись до нижньої точки та дуже повільно. При великій швидкості подачі води у трубах обов'язково залишиться повітря.

Розширювальний бак для самопливної системи опалення приватного будинку

Розширювальний бак у системі опалення необхідний для вирівнювання тиску у ній. При нагріванні об'єм рідини збільшується, а для правильної роботи та надійної циркуляції потрібно видаляти із труб її надлишки. Якщо цього не зробити, тиск може розірвати труби та радіатори.

Відкритий розширювальний бак для самопливної системи опалення

Для вирівнювання тиску й встановлюють розширювальний бак. Вода видавлюється в нього, а разом із нею, зазвичай, виходить повітря. Тому розширювальний бак рекомендується встановлювати у найвищій точці системи. Однак ніщо не заважає встановити такий бачок у будь-якому місці системи.

Тиск рідини є однаковим у всіх точках і залежить тільки від висоти гідравлічного стовпа. Тому в нижній точці системи воно буде найбільшим. Це вимагатиме установки бака більш надійної конструкції. До того ж він повинен бути герметичним, інакше теплоносій виллється. У таких конструкціях використовують мембранний бак закритого типу.

Найпростішим в обслуговуванні є варіант, коли самопливне опалення приватного будинку обладнане закритим розширювальним бачком, встановленим у верхній точці водяної системи, а в нижню трубу підключена система підживлення. Вона є трубою, яка виходить вгору і закінчується невеликим відкритим бачком. Якщо забезпечити трубу краном, то після заповнення системи та виходу на робочу температуру, його можна закрити. В результаті вийде закрита система опалення із природною циркуляцією. Якщо перед розширювальним бачком встановити кран для наповнення повітря, таку систему легко буде обслуговувати самостійно.

Правильна схема самопливного опалення у приватному будинку

Розташування радіаторів у системі природної циркуляції та їх підключення

Існує твердження, що якщо нижні радіатори розташовані нижче за середню лінію котла, то циркуляції не буде і система без помпи працювати не буде. Насправді для циркуляції не має значення, на якій висоті будуть встановлені радіатори.

Іноді на нижньому поверсі їх просто неможливо розташувати вище за котел. Стимулом до циркуляції стане наростальна вага напівохололої води в дальньому стояку. Вона переважуватиме вагу розігрітої води в колекторі, що подає теплоносій. Так само, остигаючи в кожному стояку і в радіаторах верхніх поверхів, теплоносій під своєю вагою рухатиметься і через нижні прилади опалення. Тому твердження про те, що циркуляції не буде, є неспроможним.

Однак підводне каміння є і тут. Річ у тому, що температура нижніх радіаторів при розміщенні на рівні котла буде невелика. Адже швидкість руху теплоносія залежить від швидкості його остигання. На одній висоті в системі він матиме приблизно однакову температуру.

Неправильне встановлення радіаторів для самопливної системи опалення

Тобто температура радіаторів, розташованих нижче котла, буде не вищою, ніж у "зворотки". Потрібно збільшувати корисну площу поверхні опалювальних приладів, збільшуючи кількість секцій або самих радіаторів.

Розробляючи схему опалення з природною циркуляцією води, рекомендується розташовувати котел якомога нижче. Якщо є підвальне або напівпідвальне приміщення, це ідеальне місце для котельні. Ну а якщо все ж таки не вдається розмістити котел в нижній точці будинку, то рекомендується розташувати радіатори якомога вище.

Правильне встановлення радіаторів для самопливної системи опалення

Утеплення головного колектора

Особливу роль відіграє те, як функціонує розгінний колектор в системі опалення природної циркуляції. Це, як правило, труба великого діаметра якою і підіймається робочий теплоносій. Діаметр колектора не повинен бути меншим за вихідний отвір котла.

Найчастіше погана робота системи опалення з природною циркуляцією пов'язана з тим, що в головному колекторі теплоносій остигає. Через те, що він має найвищу температуру, то й втрати значні. Адже чим гарячіша рідина, тим швидше температура прагне вирівнятися з навколишнім середовищем.

Щоб покращити роботу системи, іноді достатньо лише утеплити колектор. Можливо, у цьому випадку деякі дальні радіатори, які не прогрівалися до необхідної температури, віддаватимуть тепло в приміщення.

Котел для самопливного опалення та його підключення

Особливу увагу слід приділити вибору котла для самопливного водяного опалення. По суті будь-який опалювальний агрегат, призначений для роботи з примусовою циркуляцією, працюватиме і в самопливній системі. Однак для надійної роботи необхідне виконання кількох умов:

• вхідний та вихідний патрубки котла мають бути досить великого розміру;
• внутрішні елементи котла мають бути достатньо об'ємними, так щоб опір руху рідини було мінімальним;
• вихідний патрубок має бути спрямований вгору, а не убік.

Підключення котла до системи повинне здійснюватися трубами не меншого діаметру, ніж вхідний та вихідний патрубки. Допускається незначне зменшення перерізу на невеликій ділянці магістралі, проте довжина такої ділянки має бути невеликою.

Правильна схема природної циркуляції водяного опалення

Отже, самопливне опалення приватного будинку з природною циркуляцією необхідно проєктувати, дотримуючись низки умов:

• секції котла та труби магістралі (стояки та лежаки) повинні бути якнайбільшого діаметра;
• для того, щоб в системі не утворилося повітряних бульбашок, лежаки не повинні бути ідеально горизонтальними, а невеликий ухил повинен бути спрямований від найвищої точки в напрямку руху теплоносія;
• схема самопливного опалення в приватному будинку має бути обладнана розширювальним баком, підключеним у верхній точці;
• котел для самопливної системи опалення необхідно розташовувати якнайнижче стосовно інших елементів системи, що забезпечить краще нагрівання радіаторів, а відповідно і кімнати, в якій вони розташовані;
• головний колектор і всі труби самопливної системи, що проходять в приміщеннях які не опалюються, повинні бути добре утеплені.

А ось встановлювати теплоакумулятор для опалення з гравітаційною системою не рекомендується - ефект він не дасть, а додатковий опір для руху теплоносія забезпечить.

Недотримання однієї з наведених вище умов може значно погіршити роботу системи. Якщо знехтувати двома або більше - опалення може не працювати зовсім. І навпаки, правильно змонтована самопливна система опалення забезпечить тепло за будь-яких погодних умов.