Варианты гидравлических систем отопления для дачного дома.
Системы гидравлического отопления в дачном доме
Все больше загородных и дачных домов используют централизованные гидравлические системы отопления. гидравлические или гидравлические системы отопления используют в качестве теплоносителя воду или жидкую специальную среду. Отопление нагретой водой, подаваемой по трубам, было известно еще в древности. Римский философ и писатель Луций Анней Сенека описал способ отопления римских бань терм водой проходящих через нагреваемый огнем медный змеевик. В 1675 году английский инженер Эвелин впервые применил горячую воду для отопления оранжереи. В России впервые водяное отопление зданий было применено в 1834 году горным инженером профессором Петром Соболевским.
В чем преимущества жидкостной системы отопления?
Системы отопления, где теплоносителем является вода, отличаются равномерным распределением тепла с относительно небольшими его потерями с расстоянием. Также в жидкостных системах отопления можно ограничивать температуру поверхности нагревательных приборов, а работа жидкостных систем отопления практически бесшумна. Существенное преимущество жидкостной системы отопления – это использование тепловой инерции теплоносителя (вода или антифриз). Наличие единого источника тепла (котла) облегчает автоматизацию гидравлической системы отопления. При устройстве автоматизированной отопительной системы тепловая инерция позволяет экономить энергию, «подогревая» теплоноситель с меньшими затратами. При использовании электрических котлов в качестве источников тепла, можно нагревать помещения в ночные часы, когда электроэнергия стоит дешевле. гидравлические отопительные системы позволяют помещать теплообменники в полы и стены, обеспечивая равномерный прогрев помещений и наиболее комфортабельные условия для человека.
Основные компоненты гидравлической системы отопления
Основными элементами гидравлической системы отопления являются котел для нагрева теплоносителя, трубы для транспортировки и распределения теплоносителя и отопительные приборы. Также гидравлическая отопительная система должна иметь составе расширительный бак для компенсации увеличения объема теплоносителя при нагревании, группу безопасности (для отопительных систем закрытого типа), клапаны для удаления воздуха из теплоносителя и, при необходимости, насос для принудительной циркуляции теплоносителя.
Источником тепловой энергии гидравлической отопительной системы служит котел, который может быть твердотопливным (работать на дровах, пеллетах, топливных брикетах, торфе, угле), газовым, дизельным, электрическим или использовать тепло земли (геотремальные отопительные системы). Самым удобным в эксплуатации и простым в установке является электрический котел, но его применение обычно ограничено недостатком электрических мощностей и высокой стоимостью электроэнергии. Газовый котел также весьма удобен в повседневной эксплуатации, так как его работа может быть полностью автоматической. Газ может подаваться к котлу по газопроводу или котел может работать на сжиженном природном газе, поступающим из автономного газгольдера. Отопление на дизельном топливе (солярке) обходится недешево, а котлы для нее требуют гораздо больше внимания. Котлы, работающие на твердом топливе, всегда будут поддерживать хозяина в тонусе: даже максимально автоматизированные твердотопливные котлы на пеллетах все равно потребуют периодической загрузки топлива. Геотермальные гидравлические системы отопления не являются котлами в чистом виде. Это устройства, транспортирующие и извлекающие тепловую энергию из теплоносителя, нагревшегося в толще земли, где постоянна положительная температура. Такие системы на каждые 100% затраченной электроэнергии выдают до 300-400% тепловой энергии.
В качестве теплоносителя в гидравлических системах отопления применяется вода или антифриз. Вода преимущественно используется в открытых гидравлических отопительных системах, где теплоноситель сообщается с окружающей средой (в открытом расширительном бачке, который необходим для компенсации расширения теплоносителя в системе при нагревании и уменьшении плотности). При нарушениях в работе отопительной системы и отсутствия контроля со стороны человека вода может замерзнуть в системе трубопроводов и, расширяясь, физически нарушить целостность системы отопления. Этого недостатка лишены закрытые гидравлические системы отопления с использованием антифриза. В открытой системе отопления использование антифриза недопустимо из-за испарения токсичного этиленгликоля в атмосферу дома. Применение антифриза потребует использования радиаторов мощности на 15-20% большей, по сравнению с системами на воде, так как антифриз обладает меньшей теплоемкостью. Для антифриза из-за его меньшей текучести придется использовать трубы большего диаметра и использовать стойкие специальные прокладки в соединениях. Оцинкованные трубы не подходят для систем с антифризом, так как цинк вступает в химическую реакцию с этиленгликолем.
Какая же система отопления лучше: открытая или закрытая? В открытой гидравлической системе отопления открытый расширительный бак создает условия для проникновения кислорода в систему. А это повышает риск коррозии труб и радиаторов. Кроме того открытая гидравлическая система подвержена риску «завоздушивания» трубопроводов или радиаторов. Также требуется постоянный контроль над уровнем теплоносителя в расширительном бачке (испарение воды из расширительного бачка можно уменьшить, налив 50-100 мл растительного масла на поверхность воды). Сам расширительный бак приходится располагать в высшей точке системы отопления и обеспечивать резервный отвод (перелив) расширяющейся воды. Однако открытая гидравлическая отопительная система более проста и обходится дешевле. Например, расширительный бак можно выполнить из старой молочной фляги (бидона). Открытая гидравлическая система отопления безопаснее закрытой: давление в ней никогда не достигнет величин, способных превратить котел в «тепловую бомбу». Закрытая гидравлическая отопительная система, хотя и требует установки группы безопасности для аварийного сброса из теплового контура теплоносителя и отведения воздуха, более удобна в эксплуатации, в ней редко возникают «воздушные пробки», а меньшее количество кислорода в теплоносителе снижает его коррозионную активность. Расширительный бак для закрытой гидравлической системы отопления (экспанзомат) представляет собой изолированную от внешней среды емкость с мембраной и воздушной камерой (воздух, в отличие от жидкости – сжимаем). Закрытый мембранный расширительный бак устанавливается на горизонтальном участке обратной магистрали трубопровода перед циркуляционным насосом – на этом участке минимальна температура теплоносителя. Лучше, если теплоноситель поступает в бак сверху – это позволяет избежать скопления воздуха в баке. Объем расширительного бака должен быть не менее 1/10 объема теплоносителя, который обычно рассчитывается как 15 литров из расчета на 1 киловатт тепловой мощности котла. Для антифриза требуется бак еще большего объема. В закрытой гидравлической отопительной системе в верхней точке трубопровода для удаления воздушных пробок также устанавливаются автоматические спускники воздуха. Это устройства, снабженные поплавками и запорными клапанами, которые по мере увеличения давления стравливают воздух в атмосферу. Вместо спускника воздуха в систему можно поставить и сепаратор, который одновременно удаляет воздух и собирает шлам. Заменить сепаратор шлама можно фильтром – грязевиком с двумя манометрами по обе стороны от фильтра для контроля его засорения.
Система трубопроводов для теплоносителя
В практике проектирования и установки гидравлических отопительных систем существует много вариантов схем разводки отопления дома. Самые известные – это однотрубные схемы, когда все отопительные приборы последовательно соединены одной трубой, подающей нагретый теплоноситель от котла, и от последнего отопительного прибора труба возвращает охлажденный теплоноситель обратно в котел. Однако при данной схеме остывший теплоноситель возвращается после каждого отопительного прибора в трубу и, примешиваясь, уменьшает температуру теплоносителя для каждого последующего отопительного прибора (радиатора). Из-за этого в однотрубной схеме приходится использовать радиаторы разных размеров. Первый радиатор в цепочке отопительных приборов должен быть маленьким, а последний, наоборот, очень большим. Также возникают трудности с индивидуальным регулированием теплоотдачи в каждом отдельном помещении. Однако однотрубная схема пользуется неизменной популярностью из-за относительной простоты исполнения, возможности организации отопления на разных этажах и невысокой стоимости.
Более сложными являются двухтрубные параллельные системы отопления. Их основное отличие состоит в том, что нагретый теплоноситель поступает к отопительным приборам по одной трубе, а возвращается охлажденным к источнику тепла в системе по второй трубе. Теплоноситель протекает через каждый отопительный прибор независимо от других. Вода, которая была охлаждена в каждом отдельном отопительном приборе, больше не поступает ни в один другой отопительный прибор, а перенаправляется уже непосредственно в котел по обратному трубопроводу в том же порядке – от первого отопительного прибора к последнему. При таком подключении к отопительным приборам температура жидкости на входе в каждый из них не будет сильно отличаться. Это позволит использовать приборы одинакового размера. Также двухтрубные системы дают регулировки теплоотдачи каждого отопительного прибора с помощью термостатического вентиля.
Разновидностью двухтрубной схемы отопления являются возвратные системы реверсивного типа русского профессора В.М. Чаплина (1903 год) и немецкого инженера Альберта Тихельмана (1901 год). В этих схемах теплоноситель подается от первого отопительного прибора к последнему, а собирается к котлу в обратном порядке: от последнего прибора к первому. При такой схеме обеспечивается равное сопротивление и проток теплоносителя в обеих трубах, что обеспечивает стабильную работу отопительной системы, равномерное распределение тепла и позволяет добиться максимального КПД от котла. К главным недостаткам системы Чаплина-Тихельмана относится возможность ее использования только в одном уровне (горизонтальная схема) одноэтажного здания и существенный расход труб большого диаметра.
К более современным двухтрубным схемам относится лучевые или петлевые схемы отопления. Такие схемы подразумевает параллельное подключение всех отопительных приборов к распределительным коллекторам. К каждому отопительному прибору идет своя собственная подающая и обратная труба. Вентили на коллекторе позволяют при необходимости отключать каждый отопительный прибор отдельно. Лучевая разводка позволяет равномерно распределять тепло между всеми отопительными приборами. Главным недостатком коллекторной схемы является высокая стоимость, большой расход труб и необходимость выделения места для коллекторного блока.
Существуют еще трех- и четырехтрубные системы отопления, но они подразумевают разбор нагретой воды для технических нужд и применяются на производствах и в общественных зданиях.
По способу сборки трубопроводы системы отопления могут быть тройниковыми, коллекторными или смешанными. А прокладка труб может быть с верхней разводкой (подводящая труба идет выше отопительных приборов), с нижней разводкой (применяется в домах с подвалами, подпольями, но без чердаков), когда и подающая и обратная магистраль идут ниже приборов. Существует и «опрокинутая» разводка, при которой обратная магистраль прокладывается выше отопительных приборов.
Системы гидравлического отопления разделяются на гравитационные (с естественной циркуляцией воды), в которых используется свойство воды изменять свою плотность при нагреве (горячая вода имеет меньшую плотность и, следовательно, меньший вес, чем охлажденная вода), и насосные – с механическим побуждением циркуляции при помощи насосов.
Гравитационная или насосная гидравлическая система отопления?
Гравитационные одни из самых простых и, пожалуй, самые распространенные гидравлические системы отопления для небольших загородных домов. Такие системы отопления весьма долговечны: могут служить три-четыре десятка лет без капитального ремонта. Считается, что максимальный радиус трубопровода системы с естественной циркуляцией гравитационного типа по горизонтали не должен превышать 30 метров. При гравитационной системе для улучшения циркуляции котел рекомендуется устанавливать как можно ниже по отношению к отопительным приборам: в приямках, в подвале. Для систем с естественной циркуляцией применяют в основном верхнюю разводку теплоносителя. Магистральные трубы, идущие от котла должны быть диаметром 2 дюйма. Диаметр подводящих или отводящих труб зависит от общего количества секций радиаторов: с общим количеством секций более 35 требуются трубы диаметром 2 дюйма, с 25–35 чугунных секций — 1½ дюйма, с 10–25 секций — 1 дюйм, менее 10 секций — 3/4 дюйма. Полимерные трубы имеют меньший коэффициент сопротивления по сравнению со стальными. Как видно, при правильном проектировании гидравлической системы отопления диаметр труб должен быть весьма большим. Такие трубы и стоят недешево и могут испортить интерьер дома. При использовании циркуляционного насоса возможно использование труб меньшего диаметра.
Какой же мощности должен быть циркуляционный насос, как и куда его устанавливать?
Циркуляционные насосы для бытовых гидравлических систем отопления не поднимают воду или теплоноситель, а лишь способствуют преодолению местных сопротивления в трубах. Поэтому циркуляционные насосы имеют низкое потребление электроэнергии — всего 60–100 ватт. Циркуляционные насосы можно применять и в открытых системах отопления: вода из них «не выплеснется», так как, сколько воды насос выталкивает, ровно столько же и поступает к нему – циркулирующий объем жидкости не меняется. Циркуляционные насосы работают бесшумно при условии скорости движения теплоносителя не более 1-1,5 м/c. Устанавливается циркуляционный насос после расширительного бачка. Мощность циркуляционного насоса подбирается исходя из длины циркуляционного теплового контура: на каждые 10 метров контура требуется подъем водного столба насосом на 60 см. Дальновидный хозяин сразу устанавливает в систему два циркуляционных насоса – основной и резервный, включаемый в случае отказа основного. При необходимости подъема воды (теплоносителя) в систему могут включаться и повысительные насосы.
Отопительные приборы
Радиаторы в гидравлиеских системах отопления используются в основном панельного и секционного типа, которые изготавливаются из алюминия, стали, чугуна или комбинации нескольких материалов (биметаллические радиаторы). Чугунные радиаторы не рекомендуются для использования в системах с автоматическим климат-контролем из-за большой теплоемкости. Чугунные радиаторы и медленно остывают и долго прогреваются, что может привести к неадекватной регулировке теплопродукции котла. Лучшее применение чугунных радиаторов – системы естественной циркуляции без автоматики. Для автоматических центральных систем отопления лучше подходят алюминиевые радиаторы, емкость которых в 5-7 раз меньше, чем у чугунных. Применение алюминиевых радиаторов способствует снижению объема теплоносителя и диаметров трубопроводов, а также мощности циркуляционных насосов. Менее инертная отопительная система с алюминиевым радиаторами быстрее реагирует на автоматическое управление. Биметаллические радиаторы со стальными каналами имеют больший срок службы за счет исключения контакта теплоносителя с алюминием. Панельные стальные радиаторы имеют низкую стоимость и также обладают низкой тепловой инерцией.
Особую группу составляют радиаторы-конвекторы с большой площадью оребрения и преимущественной теплоотдачей за счет конвекции (до 75%). Такие радиаторы конвекторы могут использоваться в низкотемпературных системах отопления (35-55°С).
Тепловую мощность радиаторов в стандартных домах рассчитывают исходя из 1.15 кВт на 10 м 2 площади. Однако в домах современной конструкции со сниженными телопотерями (например, за счет дополнительного наружного утепления стен) мощность радиаторов может быть уменьшена в 1,5 раза. Радиаторы размещаются под оконными проемами. Лучший, наиболее эффективный радиатор – это радиатор минимальной высоты при максимальной длине.
К современным отопительным напольным приборам относятся также теплые полы, теплые плинтуса и заглубленные внтурипольные конвекторы. Напольное отопление обеспечивает наиболее комфортные условия — тепловые потоки равномерно распределены по всей площади помещения, температура равномерно понижается по высоте помещения, что соответствует условиям комфортности (температура пола 22-25°С, а температура воздуха на уровне головы человека – 19-20°С).
Современные виды гидравлических систем отопления – это сложные многокомпонентные системы, требующие тщательного проектирования, расчета и квалифицированного монтажа. Определиться с видом отопительной системы и составом ее компонентов необходимо еще на этапе проектирования дома. Правильный подбор всех элементов и выбор варианта разводки теплоносителя по дому обеспечит комфортный микроклимат в доме и его полноценный обогрев при оптимальных расходах на энергоносители и обслуживание отопительной системы.
