Sistem ogrevanja z naravno cirkulacijo: pogoste sheme vodnih krogov

Gradnjo avtonomnega ogrevalnega omrežja gravitacijskega tipa izberejo, če je nesmiselno, včasih pa tudi nemogoče namestiti obtočno črpalko ali se priključiti na centralizirano oskrbo z električno energijo.

Tak sistem je cenejši za ureditev in popolnoma neodvisen od elektrike. Vendar je njegovo delovanje v veliki meri odvisno od natančnosti načrtovanja.

Da bi ogrevalni sistem z naravno cirkulacijo deloval neprekinjeno, je treba izračunati njegove parametre, pravilno namestiti komponente in utemeljeno izbrati shemo vodnega kroga. Pomagali vam bomo pri reševanju teh vprašanj.

Opisali smo glavna načela delovanja gravitacijskega sistema, podali nasvete za izbiro cevovoda, označili pravila sestavljanja kroga in postavitve delovnih enot. Posebno pozornost smo namenili posebnostim načrtovanja in delovanja eno- in dvocevnih ogrevalnih shem.

Načela procesa naravne cirkulacije

Proces gibanja vode v ogrevalnem krogu brez uporabe obtočne črpalke poteka zaradi naravnih fizikalnih zakonov.

Razumevanje narave teh procesov bo omogočilo kompetentno razviti projekt ogrevalnega sistema za tipične in nestandardne primere.

Največja razlika hidrostatskega tlaka

Osnovna fizikalna lastnost vsakega prenosnika toplote (vode ali antifriza), ki omogoča njegovo gibanje po krogu pri naravni cirkulaciji, je zmanjšanje gostote ob povečanju temperature.

Gostota tople vode je manjša kot gostota hladne vode, zato nastane razlika v hidrostatičnem tlaku toplega in hladnega stolpca tekočine. Hladna voda, ki teče k toplotnemu izmenjevalniku, izpodriva toplo vodo navzgor po cevi.

Gonilna sila vode v krogu pri naravni cirkulaciji je razlika hidrostatičnega tlaka med hladnim in toplim stolpcem tekočine

Ogrevalni krog hiše lahko pogojno razdelimo na več fragmentov. Po “vročih” fragmentih voda potuje navzgor, po “hladnih” pa navzdol. Meje fragmentov sta zgornja in spodnja točka ogrevalnega sistema.

Glavna naloga pri modeliranju sistema z naravno cirkulacijovode je doseganje največje možne razlike med tlakom stolpca tekočine v “vročem” in “hladnem” fragmentu.

Klasičen element vodnega kroga za naravno cirkulacijo je pospeševalni kolektor (glavni dvižni vod) – vertikalna cev, usmerjena navzgor od toplotnega izmenjevalnika.

Pospeševalni kolektor mora imeti maksimalno temperaturo, zato ga izolirajo po celotni dolžini. Čeprav, če višina kolektorja ni velika (kot pri enonadstropnih hišah), se izolaciji lahko odpovemo, saj voda v njem nima časa, da bi se ohladila.

Običajno sistem načrtujejo tako, da zgornja točka pospeševalnega kolektorja sovpada z zgornjo točko celotnega kroga. Tam namestijo izhod na ekspanzijsko posodo odprtega tipa ali ventil za odvod zraka, če uporabljajo membransko posodo.

Takrat je dolžina “vročega” fragmenta kroga minimalno možna, kar vodi do zmanjšanja toplotnih izgub na tem odseku.

Prav tako je zaželeno, da se “vroč” fragment kroga ne povezuje z dolgotrajnim odsekom, ki prenaša ohlajen prenosnik toplote. V idealnem primeru spodnja točka vodnega kroga sovpada s spodnjo točko toplotnega izmenjevalnika, nameščenega v grelno napravo.

Nižje kot je kotel nameščen v ogrevalnem sistemu, manjši je hidrostatični tlak stolpca tekočine v vročem fragmentu kroga.

Za “hladni” segment vodnega kroga prav tako obstajajo pravila, ki povečujejo tlak tekočine:

• čim večje so toplotne izgube na “hladnem” delu ogrevalnega omrežja, tem nižja je temperatura vode in večja njena gostota, zato je delovanje sistemov z naravno cirkulacijo mogoče le pri znatnem oddajanju toplote;
• čim večja je razdalja od spodnje točke kroga do priključitve radiatorjev, tem večji je del stolpca vode z minimalno temperaturo in maksimalno gostoto.

Da bi zagotovili izpolnjevanje zadnjega pravila, pogosto peč ali kotel namestijo na najnižjo točko hiše, na primer v kleti. S takšno namestitvijo kotla zagotovijo največjo možno razdaljo med spodnjo ravnjo radiatorjev in točko vstopa vode v toplotni izmenjevalec.

Vendar višina med spodnjo in zgornjo točko vodnega kroga pri naravni cirkulaciji ne sme biti prevelika (v praksi ne več kot 10 metrov). Peč ali kotel ogreva samo toplotni izmenjevalec in spodnji del kolektorja pospeševanja.

Če je ta fragment nepomemben glede na celotno višino vodnega kroga, bo padec tlaka v “vročem” fragmentu kroga nepomemben in proces cirkulacije se ne bo zagnal.

Uporaba sistemov z naravno cirkulacijo za dvonadstropne stavbe je povsem upravičena, za več nadstropij pa bo potrebna obtočna črpalka

Minimizacija upora gibanju vode

Pri načrtovanju sistema z naravno cirkulacijo je treba upoštevati hitrost gibanja toplotnega nosilca po krogu.

Prvič, čim hitrejša je hitrost, tem hitreje bo potekal prenos toplote po sistemu “kotel – toplotni izmenjevalec – vodni krog – ogrevalni radiatorji – prostor”.

Drugič, čim hitrejša je hitrost tekočine skozi toplotni izmenjevalec, tem manjša je verjetnost njenega vrenja, kar je še posebej pomembno pri pečnem ogrevanju.

Vrenje vode v sistemu je lahko zelo drago – stroški demontaže, popravila in ponovne namestitve toplotnega izmenjevalca zahtevajo veliko časa in sredstev

V sistemih ogrevanja s prisilno cirkulacijo je hitrost gibanja vode v glavnem odvisna od parametrov obtočne črpalke.

Pri vodnem ogrevanju z naravno cirkulacijo je hitrost odvisna od naslednjih dejavnikov:

• razlike tlaka med fragmenti kroga na njegovi spodnji točki;
• hidrodinamičnega upora ogrevalnega sistema.

Načini zagotavljanja največje razlike tlaka so bili obravnavani zgoraj. Hidrodinamični upor realnega sistema ni mogoče natančno izračunati zaradi zapletenega matematičnega modela in velikega števila vhodnih podatkov, katerih natančnost je težko zagotoviti.

Kljub temu obstajajo splošna pravila, katerih upoštevanje bo zmanjšalo upor ogrevalnega kroga.

Glavna vzroka za zmanjšanje hitrosti vode sta upor sten cevi in prisotnost zožitev zaradi fitingov ali zapornih ventilov. Pri majhni hitrosti pretoka upora sten skoraj ni.

Izjema so dolge in tanke cevi, značilne za ogrevanje s pomočjo talnega ogrevanja. Praviloma se zanj določijo ločeni krogi s prisilnim kroženjem.

Pri izbiri vrst cevi za krog z naravno cirkulacijo je treba upoštevati prisotnost tehničnih zožitev pri montaži sistema. Zato je uporaba kovinsko-plastičnih cevi pri naravni cirkulaciji vode nezaželena zaradi povezovanja s fitingi, ki imajo bistveno manjši notranji premer.

Fitingi kovinsko-plastičnih cevi nekoliko zožijo notranji premer in so resna ovira na poti vode pri šibkem tlaku (+)

Pravila izbire in montaže cevi

Izbira med jeklenimi ali polipropilenskimi cevmi pri katerikoli cirkulaciji poteka po merilu možnosti njihove uporabe za toplo vodo, pa tudi z vidika cene, enostavnosti montaže in življenjske dobe.

Dvižni vod za dovod je nameščen iz kovinske cevi, saj skozenj teče voda najvišje temperature, v primeru pečnega ogrevanja ali okvare toplotnega izmenjevalnika pa je možen prehod pare.

Pri naravni cirkulaciji je treba uporabiti premer cevi nekoliko večji kot pri uporabi obtočne črpalke. Običajno je za ogrevanje prostorov do 200 m² premer razvodnega kolektorja in cevi na vstopu povratka v toplotni izmenjevalnik 2 palca.

To je posledica manjše hitrosti vode v primerjavi s prisilno cirkulacijo, kar vodi do naslednjih težav:

• zmanjšanje količine prenesene toplote na enoto časa od vira do ogrevanega prostora;
• pojav zamašitev ali zračnih mehurčkov, s katerimi se ne bo mogel spoprijeti majhen tlak.

Posebno pozornost pri uporabi naravne cirkulacije s spodnjo shemo dovoda je treba nameniti problemu odstranjevanja zraka iz sistema. Ta se ne more popolnoma odvajati iz hladilnega sredstva skozi ekspanzijsko posodo, ker vrela voda najprej vstopa v naprave po glavnem vodu, ki je nameščen nižje od njih samih.

Pri prisilnem kroženju vodni tlak potiska zrak k zračniku, nameščenem na najvišji točki sistema – napravi z avtomatskim, ročnim ali polavtomatskim upravljanjem. S pomočjo pip Maevskega se v glavnem regulira oddajanje toplote.

V gravitacijskih ogrevalnih omrežjih z dovodom, ki je nameščen pod napravami, se pipe Maevskega uporabljajo neposredno za odzračevanje.

Na vseh ogrevalnih radiatorjih sodobnega tipa so prisotne naprave za izpust zraka, zato je za preprečitev nastajanja zračnih mehurjev v krogu mogoče narediti nagib, ki odvaja zrak proti radiatorju.

Zrak se lahko odvaja tudi s pomočjo odzračevalnikov, nameščenih na vsakem dvižnem vodu ali na zračni liniji, položenem vzporedno z glavnimi vodi sistema. Zaradi velikega števila naprav za odvajanje zraka se gravitacijske sheme s spodnjim razvodom uporabljajo izjemno redko.

Pri šibkem tlaku lahko majhen zračni mehurček popolnoma ustavi ogrevalni sistem. Tako v skladu s SNiP 41-01-2003 ni dovoljeno polagati cevovodov ogrevalnih sistemov brez nagiba pri hitrosti vode, manjši od 0,25 m/s.

Pri naravnem kroženju takšne hitrosti niso dosegljive. Zato je treba poleg povečanja premera cevi upoštevati stalne nagibe za odvod zraka iz ogrevalnega sistema. Nagib se načrtuje v razmerju 2–3 mm na 1 meter, v stanovanjskih omrežjih nagib doseže 5 mm na tekoči meter vodoravne črte.

Nagib dovoda se naredi v smeri gibanja vode, da zrak potuje proti ekspanzijski posodi ali sistemu za odzračevanje, ki se nahaja na najvišji točki kroga. Čeprav je mogoče narediti tudi protinagib, je v tem primeru treba dodatno namestiti ventil za odvod zraka.

Nagib povratnega voda se praviloma naredi v smeri gibanja ohlajene vode. Tako bo spodnja točka kroga sovpadala z vstopom povratne cevi v toplotni generator.

Najpogostejša kombinacija smeri nagiba dovodne in povratne cevi za odstranitev zračnih mehurčkov iz vodnega kroga z naravnim kroženjem

Pri namestitvi talnega gretja majhne površine v krogu z naravnim kroženjem je treba preprečiti vstop zraka v ozke in vodoravno položene cevi tega ogrevalnega sistema. Pred talnim gretjem je treba namestiti napravo za odvajanje zraka.

Eno- in dvocevne ogrevalne sheme

Pri načrtovanju ogrevalne sheme hiše z naravno cirkulacijo vode je možno projektirati en sam ali več ločenih krogov. Ti se lahko med seboj precej razlikujejo. Ne glede na dolžino, število radiatorjev in druge parametre se izvedejo po enocevni ali dvocevni shemi.

Krog z uporabo enega glavnega voda

Ogrevalni sistem, ki za zaporedno dovajanje vode do radiatorjev uporablja isto cev, imenujemo enocevni. Najenostavnejša enocevna različica je ogrevanje s kovinskimi cevmi brez uporabe radiatorjev.

To je najcenejši in najmanj problematičen način ogrevanja hiše pri izbiri naravne cirkulacije ogrevalnega medija. Edina pomembna pomanjkljivost je videz okornih cevi.

Pri najbolj ekonomičnem variantu enocevne sheme z radiatorji ogrevanja topla voda zaporedno teče skozi vsako napravo. Tu je potrebno minimalno število cevi in zapornih ventilov.

Med prehodom ogrevalni medij ohlaja, zato naslednji radiatorji prejmejo hladnejšo vodo, kar je treba upoštevati pri izračunu števila členov.

Preprosta enocevna shema (zgoraj) zahteva minimalno količino montažnih del in vloženih sredstev. Bolj zapletena in dražja različica spodaj omogoča izklop radiatorjev brez zaustavitve celotnega sistema.

Najbolj učinkovit način priklopa ogrevalnih naprav na enocevno omrežje je diagonalna različica.

V skladu s to shemo ogrevalnih krogov z naravnim tipom cirkulacije topla voda vstopa v radiator od zgoraj, po ohladitvi pa se odvaja skozi spodaj nameščeno cev. Pri takšnem prehodu segreta voda odda največjo količino toplote.

Pri spodnjem priklopu tako vstopne kot izstopne cevi na baterijo se prenos toplote bistveno zmanjša, ker mora segreti ogrevalni medij prevoziti najdaljšo pot. Zaradi znatnega ohlajanja se v takšnih shemah ne uporabljajo baterije z velikim številom členov.

»Leningradka« se odlikuje po znatnih toplotnih izgubah, ki jih je treba upoštevati pri izračunu sistema. Njena prednost je, da je z uporabo zapornih ventilov na vstopni in izstopni cevi naprave mogoče selektivno izklopiti za popravilo brez zaustavitve ogrevalnega cikla (+)

Ogrevalni krogi s takšnim priklopom radiatorjev so dobili ime “Leningradka“. Kljub omenjenim toplotnim izgubam jim dajejo prednost pri urejanju sistemov stanovanjskega ogrevanja, kar je posledica bolj estetskega videza polaganja cevovoda.

Bistvena pomanjkljivost enocevnih omrežij je, da ni mogoče izklopiti enega od ogrevalnih odsekov, ne da bi prekinili kroženje vode po celotnem tokokrogu.

Zato običajno uporabijo posodobitev klasične sheme z namestitvijo “bypassa” za obvod radiatorja s pomočjo odcepa z dvema krogelnima ventiloma ali tristranskim ventilom. To omogoča uravnavanje dovoda vode do radiatorja, vse do njegove popolne izključitve.

Za stavbe z dvema ali več nadstropji uporabljajo različice enocevne sheme z vertikalnimi dvižnimi vodi. V tem primeru je porazdelitev tople vode bolj enakomerna kot pri horizontalnih dvižnih vodih. Poleg tega so vertikalni dvižni vodi krajši in se bolje vključujejo v notranjost hiše.

Enocevno shemo z vertikalnim razvodom uspešno uporabljajo pri ogrevanju dvonadstropnih prostorov z uporabo naravne cirkulacije. Predstavljena je različica z možnostjo izklopa zgornjih radiatorjev.

Različica z uporabo povratne cevi

Ko eno cev uporabljajo za dovod tople vode do radiatorjev, drugo pa za odvod ohlajene vode do kotla ali peči, takšno ogrevalno shemo imenujemo dvocevna. Podoben sistem ob prisotnosti ogrevalnih radiatorjev uporabljajo pogosteje kot enocevnega.

Je dražja, saj zahteva montažo dodatne cevi, vendar ima vrsto pomembnih prednosti:

• bolj enakomerna porazdelitev temperature dovedenega toplotnega nosilca do radiatorjev;
• lažje izvesti izračun odvisnosti parametrov radiatorjev od površine ogrevanega prostora in potrebnih vrednosti temperature;
• učinkovitejša regulacija dovoda toplote do vsakega radiatorja.

Glede na smer gibanja ohlajene vode glede na toplo, dvocevne sisteme delimo na sočasne in slepe. V sočasnih shemah se ohlajena voda giblje v isti smeri kot topla, zato je dolžina cikla za celoten tokokrog enaka.

V slepih shemah se ohlajena voda giblje nasproti topli, zato se dolžine ciklov obrata toplotnega nosilca za različne radiatorje razlikujejo. Ker je hitrost v sistemu majhna, se lahko tudi čas ogrevanja bistveno razlikuje. Tisti radiatorji, pri katerih je dolžina cikla kroženja vode krajša, se bodo segreli hitreje.

Pri izbiri slepe in sočasne ogrevalne sheme izhajajo predvsem iz udobja izvedbe povratne cevi

Obstajata dve vrsti postavitve priključka glede na ogrevalne radiatorje: zgornji in spodnji. Pri zgornjem priključku je cev, ki dovaja toplo vodo, nameščena nad ogrevalnimi radiatorji, pri spodnjem priključku pa pod njimi.

Pri spodnjem priključku je možno odstranjevanje zraka skozi radiatorje in ni potrebe po napeljavi cevi po vrhu, kar je dobro z vidika oblikovanja prostora.

Vendar bo brez razdelilnika za pospeševanje tlačna razlika veliko manjša kot pri uporabi zgornjega priključka. Zato se spodnji priključek pri ogrevanju prostorov po načelu naravne cirkulacije praktično ne uporablja.

Zaključki in koristen video na to temo

Organizacija enocevne sheme na podlagi električnega kotla za manjšo hišo:

Delovanje dvotrubnega sistema za enonadstropno leseno hišo na podlagi kotla na trdo gorivo z dolgotrajnim zgorevanjem:

Uporaba naravne cirkulacije pri gibanju vode v ogrevalnem krogu zahteva natančne izračune in tehnično pravilno izvedbo montažnih del. Ob izpolnitvi teh pogojev bo ogrevalni sistem kakovostno ogreval prostore zasebne hiše in lastnike rešil hrupa črpalke in odvisnosti od električne energije.

Če imate vprašanja o temi ali željo deliti osebne izkušnje o organizaciji in delovanju ogrevalnega sistema gravitacijskega tipa, prosimo, pustite komentarje k temu članku. Blok za povratne informacije se nahaja spodaj.