Гравитационная система отопления, часть 2

В части первой были коротко приведены основные конструкции данных систем отопления и принципы работы её. Теперь давайте разберём систему более детально и подойдём к принципам её расчёта и проектирования. Как же такую систему сделать, и чтобы она работала так, как надо. Будем постепенно подходить к проекту и созданию системы шаг за шагом. Начнём с того, что мы хотим отопить? То есть, какое здание, улицу топить не будем— бесполезно! Как известно, любое здание не может сохранять тепло на 100%, через любую строительную конструкцию тепловая энергия уходит на улицу, если, конечно, есть разница температур снаружи здания и внутри. Считать теплопотери здания квадратными и кубическими метрами не будем — нет такой единицы измерения тепла. Измерять мощность радиатора и котла квадратными метрами тепла, оставим торговым организациям— пусть они меряют квадратные метры тепла. Для этих измерений есть в системе Si другая единица измерения — Калория. Для удобства возьмём производную единицу—килокалория в час. Или применимую единицу мощности— киловатт. Обратимся к справочной литературе по строительной теплотехнике. Там нужно будет найти теплопроницаемость конструкции, которую будем рассчитывать и, конечно, же формулу для расчёта. В этой формуле вам потребуется внутренняя температура здания, наружная расчётная температура, как указывалось, теплопроницаемость здания и площадь рассчитываемой конструкции. Расчёт обычно начинаем вести с теплопотерь через стены, затем потолочное перекрытие, перекрытие пола, окон и дверей. Также не следует забывать и о вентиляции, через неё тоже уходит тепло и немало. Нужно учитывать и преобладающее направление ветра и его силу. Так, в абсолютно одинаковых зданиях будет теряться разное количество тепла, если одно здание стоит среди других зданий, а другое на открытом месте.

Приведу пример расчёта кирпичной стены здания из силикатного кирпича, толщиной 0, 5 м. Без утеплителя. Берём готовую формулу из справочника «Теплоснабжение и вентиляция промышленных и жилых зданий» изд. Киев—1962г. Авторы Р.В. Щёкин, С.М Корневский, Г.Е Бем, М.А Артюшенко, Ф.И. Скороходько.

Q=F*1/R*(Tв—Тн)

F-площадь конструкции М.кв
Q-теплопотери через конструкцию КК/час
1/R коэффициент теплопередачи через рассчитываемую конструкцию КК/М.кв.ч.град.
Тв, Тн—внутренняя и наружная температуры.
Примем F-10 кв.м
1/R для кирпичной стены в 2 кирпича примем 0,88 из таблицы того же справочника.

Тв примем согласно СНиП как в жилом помещении 20С

Тн примем для региона Москвы и области -31С

Получаем такой вид формулы: Q= 10*0,88*(20- -31) =448,8КК час. Теплопотери через 10Мкв стены в 2 силикатных кирпича и оштукатуриванием с одной стороны.

Аналогично, с другими данными по теплопроницаемости можно будет рассчитать и другие ограждающие конструкции. (Перекрытия пола, потолка, окна, двери и др)Затем все теплопотери через конструкции суммируются, и получается общая теплопотеря здания.

С одноэтажным зданием всё вроде бы получается понятно. А вот с 2х или более этажным зданием получается на практике что-то не то! Вроде бы всё правильно рассчитано, а на первом этаже получилось холодно, а на верхнем или верхних - жара! Что же не так? При малом опыте данных работ принимается в дальнейшем простое решение, это тоже рассмотрим в дальнейшем, установка регулировочной арматуры на нагревательные приборы. Как вариант регулировки тепла в здании, конечно, сойдёт. При правильном гидравлическом расчёте системы и её конструктиве приемлемый вариант.

Это рассмотрим тоже, что хорошего в таком варианте, и что плохого.

Вернёмся к теплотехническому расчёту, чтобы этих проблем не возникало в дальнейшем. Расчёт теплопотерь начинают с 1 этажа здания. Учитывается, как уже говорилось, все теплопотери этажа. И… очень часто забывается о конвективном движении воздуха в здании, особенно если есть «открытый проход» Что такое открытый и закрытый - поясню.

Открытый проход - это лестницы с этаже на этаж, которые идут с нижнего этажа на верхний без отдельно выделенной лестничной клетки. Простой пример—из отапливаемого коридора, или иного помещения первого этажа, в котором температура та же, что в жилом помещении, идёт лестница на верхний этаж, двери на лестницу открыты или отсутствуют или часто открываются. Первый этаж сообщается с верхним. Это открытый проход. Закрытый проход- как пример можно взять типовой многоэтажный дом, с подъездом и лестничной клеткой. Там квартира или комната первого этажа никак не сообщается с верхним этажом, и двери закрыты, либо редко и неодновременно открываются. Воздухообмена не происходит.

Вернёмся к открытому проходу. Разберём особенности его расчёта. Как вариант возьмём двухэтажный, а лучше 3х этажный дом, с открытым проходом с 1 этажа на второй, внизу будет полуподвал, а там гараж и котельная, угольная или газовая, если нормативы газового хозяйства соблюдаются. Газовое хозяйство пока затрагивать не буду. Что получается? В гараже, в полуподвале температура воздуха как в жилом помещении не нужна, возьмём за расчётную +10 +15С. Там такой разброс нормальный, помещение нежилое, и тратить топливо для поддержания более высокой температуры смысла нет. С полуподвала проход закрытый, раздельный вход в дом и гараж. Просчитываем теплопотери первого этажа, но учитываем, что наружная температура под полом будет +10 или +15С, какую выберем в гараже. Просчитали теплопотери 1 этажа, будем считать 2 этаж. Там при расчёте теплопотерь через перекрытие пола второго этажа, (оно же потолок 1 этажа) возьмём во внимание, что тепло 1 этажа, а это потолок, где наибольшая температура в ранее просчитанном помещении будет подогревать пол второго этажа, то есть при расчёте теплопотерь второго этажа станет со знаком «-». Теперь, после расчёта теплопотерь через стены и окна, балконную дверь, если таковая есть на втором этаже, займёмся расчётом теплопотерь через потолочное перекрытие второго этажа. А раз с первого этажа на второй есть открытый проход, то теплопотери через потолочное перекрытие примерно на 70—80% припишем к теплопотерям первого этажа. Способ, конечно, не очень точный, но применимый как упрощённый. Если считать досконально, то это будет слишком трудоёмкий процесс, и расписывать, как считать конвективные потоки воздуха, не вижу смысла. Такая точность просто не нужна. Потом, после расчёта жилых помещений вернёмся к расчёту теплопотерь полуподвала. Там просчитаем теплопотери части стен, что выше уровня грунта на улице, но на ту температуру, какая будет в гараже. Так же просчитаем и теплопотери через стяжку пола и стены, что ниже уровня грунта, от этого можно, чтобы не утруждаться взять только 50%. Проблем не будет, это нежилое помещение.

После того, как выполнен теплотехнический расчёт здания, можно приступать к подбору нагревательных приборов и их выбору. На первом этаже, в одном из помещений предположим, тёплый пол в ванной и туалете. Система всё-таки планируется гравитационная и энергонезависимая, поэтому большую площадь тёплого пола делать не следует. После проведённого теплотехнического расчёта определимся с температурным графиком теплоносителя, от чего исходить будем. Выберем стандартный график для систем водяного отопления 95 подача и 70 - обратка, немного его подкорректируем для некоторого запаса в дальнейшем и погрешности на неточности вычислений и замеров Приведём его к 80 на 60.Далее, в жилых помещениях мысленно установим радиаторы, определимся с местами, где будут радиаторы и какие, и сразу же продумаем трассировку труб отопления, места, где пойдут трубы. Радиаторы же нужно будет установить с учётом потребностей тепла по помещениям. Если в ванной будет тёплый пол, то радиатор надо установить с учётом того, что тёплый пол у вас будет работать по мере надобности, учесть, что система должна быть энергонезависима. То есть, радиатор должен дать 70-80% нужного тепла в помещении. В жилых помещениях, в комнатах также надо учесть направление преобладающего ветра и сторон света, куда выходят стены. Это же относится не только к первому этажу, а ко второму тоже. Очень многое зависит от правильности размещения нагревательных приборов. Также надо не забыть про установку нагревательных приборов или прибора у входной двери. На кухне же, можно на 10-15% уменьшить расчётную мощность нагревательных приборов. Там есть иные источники тепла: газовая или электроплита, духовка, хлебопечка, холодильник и др.

По размещению приборов, думаю, понятно.. В гараже можно в качестве нагревательных приборов использовать регистры из трубы, положить обратку системы большим диаметром. Это будет и дешевле, и практичнее. На радиаторах скапливается пыль и грязь, которую трудно удалять. С регистров удалять проще. Регистры, конечно же, делаются из железной трубы.
Проведём также расчёт по подбору радиаторов. Возьмём всем хорошо знакомые и необоснованно руганые чугунные радиаторы Московского завода.

Будем считать по формуле Q/(Kпр*(/\Т рад—Твн)

Q—тепловая производительность приборов (прибора) выбирается из предшествующих расчётов (сколько тепла хотите получить от радиаторов) 448,8 КК час, округлим до 450КК час
Кпр - коэффициент теплопередачи нагревательного прибора, данные таблицы справочника, при данной /\Т и Твн выбираем коэффициент 7,5
/\T рад, среднюю температуру теплоносителя в радиаторе считаем согласно принятого к расчёту графика (80+60)/2=70С
Твн - внутренняя температура в помещении, приняли её 20С. Ставим данные в формулу.
450/(7,5*(70-20))= 1,2 экм Нашли площадь секций радиаторов.

Теперь опять вернёмся к справочнику, найдем количество секций рассчитываемого радиатора по таблице, получается 3,6 секции! Значит, решаем, в какую сторону округлить. Ставим 4 секции.

Примерно так и рассчитываются нагревательные приборы, и никаких квадратных метров тепла! И измерений удава, как в известном мультике в попугаях! Теплотехнический расчет и подбор нагревательных приборов, и их расчёт абсолютно одинаковый для системы с любым побуждением циркуляции. Единственно, что при гравитационной системе надо ещё и учитывать остывание теплоносителя и иметь в виду что на верхнем этаже, температура теплоносителя больше чем на нижнем, на 5—12С в зависимости от типа стояков, их протяжённости и высоты здания.

Теперь приступим к гидравлическому расчёту. Это очень ответственное дело при гравитационной системе. Это я уже затрагивал в части первой.
Определяемся с местом для котла—очень ответственный момент! Надо учесть, что для системы с гравитационным побуждением циркуляции, котёл должен стоять как можно ниже: в подвале или полуподвале. На практике же такое не всегда приемлемо. Надо, чтобы была возможность монтажа дымохода, соблюдались пожарные нормы, и для работы котла было достаточно воздуха. Еще надо продумать и подачу топлива туда, где будет котёл. В основном подача топлива относится к твёрдотопливным котлам (уголь, дрова и др). Если с местом продумали, определились, разметили котельную, то можно приступать к трассировке труб.

Опять же начнём с выбора типа разводки— какая конкретно будет разводка и розлив. Для гравитационной системы предпочтительнее верхний розлив, а в основном, нижний и не будет работать. Для нижнего розлива нужно больше условий, что бы он работал. Выберем систему с верхним розливом, тип разводки можно взять как векторный, так и параллельный.

​

Вот пример векторной разводки системы, то есть система с одинаковым линейным сопротивлением каждого стояка и радиатора—нет выгодных и удалённых колец циркуляции. Тип стояков двухтрубный. Для гравитационной системы оптимальный вариант. При однотрубном типе стояков получится большее остывание воды на верхнем этаже и более низкая температура на 1 этаже соответственно. Что приведёт к большему количеству нагревательных приборов и удорожанию системы. На рисунке системы предусмотрен ещё и насос, как дополнение. Причём насоса может и не быть, он как бы не особо и нужен (очередная дань моде). В данной системе также предусмотрен ёмкостной теплообменник для ГВС. То, что теплообменник должен быть ёмкостным – это обязательное условие, Пластинчатый теплообменник использовать нецелесообразно из-за его довольно высокого гидравлического сопротивления.

Общие принципы гидравлического расчёта сводятся к определению сечений труб на расчётном участке в зависимости от тепловых нагрузок и располагаемом перепаде давлений, выбирается по наименее выгодному кольцу циркуляции. При векторной разводке невыгодных колец нет, и можно рассчитывать постоянно, сопротивление стояков будет одинаковым. Располагаемый перепад давлений должен превышать потери давления на трение и другие местные сопротивления. То есть диаметр трубы должен быть немного с запасом, или расчётная скорость движения теплоносителя должна быть меньше располагаемой.

Нр=h*(y1-y2)+10 для одно и двухэтажных зданий

Нр—располагаемое давление кг\м.кв
h— расстояние от центра котла, до центра рассчитываемого нагреваемого прибора высота в М Также рассчитывается и высота напорной петли.
у1 и у2 удельный вес поступающей и уходящей воды из прибора, выбирается по таблице, согласно температурному графику.

Допустим, располагаемая высота от центра котла до верха напорной петли в рассчитываемом здании 12 м


Считаем Нр= 12* (983,24-971,82)+10= 147,84 кг/мкв.

Вот у нас располагаемое давление системы с указанной высотой напорной петли. Если перевести в кг.см, то получится 0,014 кг/см. То есть давление, достаточное для поднятия столба воды на 14 см.

После этих расчётов можно сосчитать сколько потребуется теплоносителя на выбранный нами стояк. Для этого надо сложить предполагаемую расчётную тепловую производительность радиаторов этого стояка. И высчитать, сколько теплоносителя должно проходить в час через стояк для обеспечения нужного расхода тепла.

1 Ккал количество тепла для нагрева 1 литра воды на 1С, если кто-то не знает или забыл.

Допустим, у нас на стояке висят 4 радиатора, 2 из которых имеют теплоотдачу 800КК час каждый ,и 2 по 600КК час каждый. Считаем, 1600+1200=2800КК час Температурный график 80Х60 То есть, каждый литр воды отдаст по 20 КК час

2800/20= 140л воды должно пройти через данный стояк. 2/3 тепла должен получить первый этаж и 1/3 должно быть на 2 этаже, примерно.

Выбираем наобум трубу для стояка Ду-25. Считаем скорость движения воды по трубе.

Объём трубы равен (Pi*(2,5*2,5))/4*100 /1000=0,49л. То есть, при скорости движения воды 1м/с через эту трубу, будет расход 0,49*3600=1716л.час. А нам надо всего 140л! Значит выбираем скорость движения воды 0,1-0,2 Мм/с Труба тоже Ду 25 оказывается великовата Выбираем номиналом меньше, получается Ду-20 Если есть желание, то можно посчитать и сопротивление участка трубопровода, оно будет меньше, чем вам необходимо, а значит, условие выполняется и стояк работать будет.

Есть ещё один небольшой нюанс, подводку к радиаторам от стояка желательно на втором этаже несколько занизить, а на первом подзавысить. Скажем, вы ставите двухтрубный стояк, на втором этаже у вас два радиатора, и на первом тоже два, к радиаторам второго этажа подводку лучше сделать Ду-15, обратный стояк с верхних радиаторов тоже поставить 15 до первого этажа, а на первом этаже сделать подводку к радиаторам Ду 20, также и стояк станет Ду20, туда придёт Ду 15 труба со второго этажа и две Ду 20 с первого этажа. Таким образом, вы искусственно увеличите гидравлическое сопротивление радиаторов второго этажа и снизите на первом. Что это даёт? На втором этаже температура теплоносителя всё равно больше, чем на 1 этаже, таковы особенности работы гравитационной системы, кроме того, на второй этаж с первого переходит тёплый воздух, как раньше говорилось. В результате радиаторы второго этажа «радуются» ,а на первый теплоноситель приходит более остывший, а ещё вдобавок «забивает обратку первого этажа, обратка второго этажа, слишком горячая идёт. Те же, примерно, вопросы решаются установкой регулировочных кранов на радиаторы. Но регулировочный кран является подвижным элементом, значит, когда-то может потечь, кроме того, зажатый краном участок трубопровода будет больше засариваться из-за малой скорости движения теплоносителя в сравнении с другими участками системы. В конце-концов забьёт кран, как самое узкое место. При ограничении диаметром трубы этого не происходит в такой мере из-за того, что скорость потока не снижается, снижается расход.

Розлив можно посчитать и упрощённым способом, длины тут небольшие. Считаете количество стояков и их площадь поперечного сечения каждого, суммируете площадь сечения, потом обратным действием получаете диаметр труб розлива. При векторной системе можно на диаметре розлива немного сэкономить, снизить диаметр розлива, но смотреть, что бы скорость движения теплоносителя в розливе не отличалась от скорости движения теплоносителя в стояках более чем на 50% А кроме того, занижать заводской диаметр выхода котла очень не желательно. Завод –изготовитель котёл рассчитывал, также обоснован и выход. Теперь вот можно рассмотреть и уклоны, о которых так много везде обсуждений и вопросов, и для чего они вообще нужны.

Рассмотрим контур циркуляции в теории, как и что происходит. Самый лучший контур циркуляции будет в виде тороида или петли.

​

Вот теоретически самая оптимальная схема циркуляции, с нагревом ТЭН ом снизу, (выделено чёрным). Сверху расположен открытый расширительный бак. Конечно, же практически такую систему отопления не сделать, просто не нужна. Нужно исходить из реально применимого. Для чего же тогда вообще уклоны нужны? Самое первое для чего это нужно - для обеспечения стока остывшей воды или иного теплоносителя из нагревательного прибора или приборов. То же самое для поступления горячего теплоносителя. Холодный теплоноситель пойдёт вниз, а горячий придёт на его место. Так обеспечивается циркуляция. Ещё одно назначение уклонов - это удаление воздуха из системы, избежание воздушных пробок. Вот тут остановлюсь подробнее. Какой же уклон ставить, перепад высот. Конечно, чем больше, тем лучше будет работать система, вывод из предшествующего рисунка. Но Опять же так дело не пойдёт! Вам не хватит места по высоте, то есть, вы не завяжете все нагревательные приборы с выбранным уклоном. Да и некрасиво это будет, трубы по стенам криво-накосо, радиаторы криво висят. И так нельзя. Надо выбирать оптимальный уклон Есть установленные минимальные, и они же оптимальные уклоны. При попутном движении воздуха и теплоносителя уклон достаточен в 2 см на 10 метров трубы. Сейчас поясню, что это такое.

​

Попутное движение воздуха и теплоносителя - это когда теплоноситель и воздух движутся в одну сторону, теплоноситель под действием конвективных сил и удельного веса, а воздух под действием веса выходит вверх. При попутном движении минимальный уклон указал, а при встречном движении минимальный уклон должен быть не менее чем 4 см на 10 метров трубы. Это относится как к подаче, так и к обратке. Если же по какой-либо причине уклон на обратке выдержать невозможно, не хватает места, архитектурные особенности здания и т.п., то тогда на до следить за тем, чтобы противоуклоны или отсутствие уклона сводились к минимуму. Кроме того, контруклоны недопустимы из-за невозможности самостоятельного выхода воздуха из системы и, как следствие, нарушение циркуляции и отключение стояков или приборов. На подаче контруклоны абсолютно не допустимы, иначе система не будет работать корректно. Дело в том, что воздух из системы должен удаляться сам, а не принудительно через «Маевские», так как через «Маевские» вы его полностью не удалите. Объясню почему. Вода имеет свойства растворителя, в ней находятся растворённые соли переменной жёсткости и газы: углекислота, кислород, в водопроводной воде есть ещё и хлор, в скважинной - сероводород или сернистый газ. Растворимость газов при нагревании воды падает, а значит, газы будут из раствора выходить в свободное состояние и создавать воздушные или газовые пробки (процесс деаэрации). Водород от алюминиевых радиаторов я не беру во внимание, его мало, и водород имеет очень большую проницаемость и летучесть, он сам уйдёт. При остывании системы кислород, углекислота и многие иные газы начинают опять растворяться в воде. Вот по этой причине сложно выгнать весь воздух из неправильно сделанной системы. Если же уклоны в системе выставлены правильно, то газы уйдут сами через открытый расширительный бак или автовоздушник в закрытой системе и хлопот создавать не будут.
Варианты разводки системы, чтобы трубы не шли под потолком, показаны в части 1.

В третьей части я поделюсь с вами полезными советами которые надеюсь пригодятся при монтаже гравитационной системы отопления.

Автор: Александр-Яр​