Sustav grijanja s prirodnom cirkulacijom: uobičajene sheme vodenih krugova

Izgradnja autonomne mreže grijanja gravitacijskog tipa odabire se ako je neprikladno, a ponekad i nemoguće, ugraditi cirkulacijsku pumpu ili se priključiti na centralizirano napajanje električnom energijom.

Takav sustav je jeftiniji za uređenje i potpuno neovisan o električnoj energiji. Međutim, njegova funkcionalnost uvelike ovisi o preciznosti projektiranja.

Da bi sustav grijanja s prirodnom cirkulacijom funkcionirao neprekidno, potrebno je izračunati njegove parametre, pravilno ugraditi komponente i opravdano odabrati shemu vodenog kruga. Pomoći ćemo vam u rješavanju ovih pitanja.

Opisali smo glavne principe rada gravitacijskog sustava, dali savjete za odabir cjevovoda, označili pravila sastavljanja kruga i postavljanja radnih čvorova. Posebnu pažnju posvetili smo značajkama projektiranja i funkcioniranja jedno- i dvocijevnih shema grijanja.

Principi procesa prirodne cirkulacije

Proces kretanja vode u krugu grijanja bez upotrebe cirkulacijske pumpe događa se zbog prirodnih fizičkih zakona.

Razumijevanje prirode ovih procesa omogućit će kompetentno izraditi projekt sustava grijanja za tipične i nestandardne slučajeve.

Maksimalna razlika hidrostatskog tlaka

Osnovno fizičko svojstvo svakog toplinskog medija (vode ili antifriza) koje potiče njegovo kretanje kroz krug pri prirodnoj cirkulaciji je smanjenje gustoće s povećanjem temperature.

Gustoća tople vode manja je od hladne, stoga nastaje razlika u hidrostatskom tlaku između toplog i hladnog stupca tekućine. Hladna voda, otječući prema izmjenjivaču topline, istiskuje toplu vodu prema gore kroz cijev.

Pokretačka sila vode u krugu pri prirodnoj cirkulaciji jest razlika hidrostatskog tlaka između hladnog i toplog stupca tekućine

Krug grijanja kuće može se uvjetno podijeliti na nekoliko fragmenata. Kroz “vruće” fragmente voda se usmjerava prema gore, a kroz “hladne” – prema dolje. Granice fragmenata su gornja i donja točka sustava grijanja.

Glavni zadatak pri modeliranju sustava s prirodnom cirkulacijom vode jest postizanje što veće moguće razlike između tlaka stupca tekućine u “vrućem” i “hladnom” fragmentu.

Klasičan element vodenog kruga za prirodnu cirkulaciju jest razdjelnik ubrzanja (glavni uspon) – vertikalna cijev usmjerena prema gore od izmjenjivača topline.

Razdjelnik ubrzanja mora imati maksimalnu temperaturu, stoga se izolira cijelom dužinom. Iako, ako je visina razdjelnika mala (kao za jednokatne kuće), izolacija se ne mora provoditi jer voda u njemu neće imati vremena ohladiti se.

Sustav se obično projektira tako da se gornja točka razdjelnika ubrzanja podudara s gornjom točkom cijelog kruga. Tu se postavlja izlaz prema ekspanzijskoj posudi otvorenog tipa ili ventil za odvod zraka ako se koristi membranska posuda.

Tada je duljina “vrućeg” fragmenta kruga minimalno moguća, što dovodi do smanjenja toplinskih gubitaka na tom dijelu.

Također je poželjno da se “vrući” fragment kruga ne kombinira s dugim dijelom koji prenosi ohlađeni toplinski medij. U idealnom slučaju, donja točka vodenog kruga podudara se s donjom točkom izmjenjivača topline smještenog u uređaju za grijanje.

Što je kotao niže smješten u sustavu grijanja, to je manji hidrostatski tlak stupca tekućine u vrućem fragmentu kruga

Za “hladni” segment vodenog kruga također vrijede pravila koja povećavaju tlak tekućine:

• što su veći toplinski gubici na “hladnom” dijelu mreže grijanja, to je niža temperatura vode i veća njezina gustoća, stoga je funkcioniranje sustava s prirodnom cirkulacijom moguće samo uz značajnu toplinsku predaju;
• što je veća udaljenost od donje točke kruga do priključka radijatora, to je veći dio vodenog stupca s minimalnom temperaturom i maksimalnom gustoćom.

Kako bi se osiguralo ispunjenje posljednjeg pravila, peć ili kotao se često postavljaju na najnižoj točki kuće, primjerice u podrumu. Takvim smještajem kotla osigurava se najveća moguća udaljenost između donje razine radijatora i točke ulaska vode u izmjenjivač topline.

Međutim, visina između donje i gornje točke vodenog kruga kod prirodne cirkulacije ne smije biti prevelika (u praksi ne više od 10 metara). Peć ili kotao zagrijavaju samo izmjenjivač topline i donji dio kolektora za ubrzanje.

Ako je ovaj fragment beznačajan u odnosu na ukupnu visinu vodenog kruga, tada će pad tlaka u “vrućem” fragmentu kruga biti zanemariv i proces cirkulacije neće biti pokrenut.

Korištenje sustava s prirodnom cirkulacijom za dvokatne zgrade je posve opravdano, a za veći broj katova bit će potrebna cirkulacijska pumpa

Minimizacija otpora kretanju vode

Pri projektiranju sustava s prirodnom cirkulacijom potrebno je uzeti u obzir brzinu gibanja toplinskog medija po krugu.

Prvo, što je brzina veća, to će brže dolaziti do prijenosa topline po sustavu “kotao – izmjenjivač topline – vodeni krug – radijatori grijanja – prostorija”.

Drugo, što je brzina tekućine kroz izmjenjivač topline veća, to je manja vjerojatnost njezina vrenja, što je posebno važno kod pećnog grijanja.

Vrenje vode u sustavu može biti vrlo skupo – trošak demontaže, popravka i ponovne ugradnje izmjenjivača topline zahtijeva puno vremena i sredstava

U sustavima grijanja s prisilnom cirkulacijom brzina gibanja vode uglavnom ovisi o parametrima cirkulacijske pumpe.

Kod vodenog grijanja s prirodnom cirkulacijom brzina ovisi o sljedećim čimbenicima:

• razlike tlaka između fragmenata kruga u njegovoj donjoj točki;
• hidrodinamičkog otpora sustava grijanja.

Metode osiguravanja maksimalne razlike tlaka razmotrene su gore. Hidrodinamički otpor stvarnog sustava ne može se točno izračunati zbog složenog matematičkog modela i velikog broja ulaznih podataka čiju je točnost teško garantirati.

Ipak, postoje opća pravila čije će poštivanje omogućiti smanjenje otpora kruga grijanja.

Glavni uzroci smanjenja brzine kretanja vode su otpor stijenki cijevi i prisutnost suženja zbog prisutnosti fittinga ili zapornih ventila. Pri maloj brzini protoka otpor stijenki je praktički nepostojeći.

Iznimka su duge i tanke cijevi, karakteristične za grijanje pomoću podnog grijanja. U pravilu se za njega izdvajaju posebni krugovi s prisilnom cirkulacijom.

Pri odabiru vrsta cijevi za krug s prirodnom cirkulacijom morat će se uzeti u obzir prisutnost tehničkih suženja tijekom montaže sustava. Stoga je metaloplastične cijevi nepoželjno koristiti pri prirodnoj cirkulaciji vode zbog njihovog spajanja fitinzima sa znatno manjim unutarnjim promjerom.

Fitinzi metaloplastičnih cijevi nešto sužavaju unutarnji promjer i predstavljaju ozbiljnu prepreku protoku vode pri slabom tlaku (+)

Pravila odabira i montaže cijevi

Izbor između čeličnih ili polipropilenskih cijevi pri bilo kojoj cirkulaciji vrši se prema kriteriju mogućnosti njihove upotrebe za toplu vodu, kao i s obzirom na cijenu, lakoću montaže i vijek trajanja.

Dovodni uspon montira se od metalne cijevi, jer kroz njega prolazi voda najviše temperature, a u slučaju pećnog grijanja ili kvara izmjenjivača topline moguća je prolaz pare.

Pri prirodnoj cirkulaciji potrebno je koristiti promjer cijevi nešto veći nego u slučaju primjene cirkulacijske pumpe. Obično, za grijanje prostorija do 200 m², promjer kolektora za ubrzanje i cijevi na ulazu povrata u izmjenjivač topline iznosi 2 inča.

To je uzrokovano manjom brzinom vode u usporedbi s opcijom prisilne cirkulacije, što dovodi do sljedećih problema:

• smanjenje količine prenesene topline u jedinici vremena od izvora do grijane prostorije;
• pojava začepljenja ili zračnih čepova, s kojima se mali tlak neće moći nositi.

Posebnu pozornost pri korištenju prirodne cirkulacije s donjom shemom dovoda treba posvetiti problemu uklanjanja zraka iz sustava. On se ne može u potpunosti odvoditi iz toplinskog nosača kroz ekspanzijsku posudu, jer kipuća voda prvo ulazi u uređaje magistralom koja se nalazi niže od njih samih.

Kod prisilne cirkulacije tlak vode tjeranjem istiskuje zrak prema sakupljaču zraka postavljenom na najvišoj točki sustava – uređaju s automatskim, ručnim ili poluautomatskim upravljanjem. Pomoću ventila Mayevskog uglavnom se podešava toplinska predaja.

U gravitacijskim mrežama grijanja s dovodom smještenim ispod uređaja, ventili Mayevskog koriste se izravno za ispuštanje zraka.

Na svim modernim radijatorima grijanja postoje uređaji za ispuštanje zraka, stoga se radi sprječavanja stvaranja čepova u krugu može napraviti nagib, tjerajući zrak prema radijatoru.

Zrak se također može odvoditi pomoću odzračnika postavljenih na svakom usponu ili na zračnoj liniji položeno paralelno s glavnim vodovima sustava. Zbog impresivnog broja uređaja za odvod zraka, gravitacijske sheme s donjim razvodom primjenjuju se iznimno rijetko.

Pri slabom tlaku mali zračni čep može potpuno zaustaviti sustav grijanja. Tako, prema SNiP 41-01-2003, nije dopušteno polagati cjevovode sustava grijanja bez nagiba pri brzini vode manjoj od 0,25 m/s.

Kod prirodne cirkulacije takve brzine su nedostižne. Stoga je osim povećanja promjera cijevi potrebno održavati stalne nagibe za odvod zraka iz sustava grijanja. Nagib se projektira u omjeru 2-3 mm po 1 metru, a u stambenim mrežama nagib doseže 5 mm po tekućem metru vodoravne linije.

Nagib dovoda se izvodi u smjeru kretanja vode kako bi se zrak kretao prema ekspanzijskom spremniku ili sustavu za ispuštanje zraka, smještenom u gornjoj točki kruga. Iako se može napraviti i protunagib, ali u tom slučaju je potrebno dodatno ugraditi ventil za odvod zraka.

Nagib povratnog voda obično se izvodi u smjeru kretanja ohlađene vode. Tada će se donja točka kruga podudarati s ulazom povratne cijevi u toplinski generator.

Najčešća kombinacija smjera nagiba dovodne i povratne cijevi za uklanjanje zračnih čepova iz vodenog kruga s prirodnom cirkulacijom

Kod ugradnje podnog grijanja male površine u krugu s prirodnom cirkulacijom potrebno je spriječiti ulazak zraka u uske i vodoravno položene cijevi ovog sustava grijanja. Potrebno je postaviti uređaj za uklanjanje zraka ispred podnog grijanja.

Jednocijevne i dvocijevne sheme grijanja

Pri izradi sheme grijanja kuće s prirodnom cirkulacijom vode moguće je projektirati jedan ili više zasebnih krugova. Oni se mogu znatno razlikovati jedan od drugoga. Bez obzira na duljinu, broj radijatora i druge parametre, izvode se prema jednocijevnoj ili dvocijevnoj shemi.

Krug s upotrebom jedne magistrale

Sustav grijanja koji koristi istu cijev za sekvencijalno dovođenje vode do radijatora naziva se jednocijevnim. Najjednostavnija jednocijevna varijanta je grijanje metalnim cijevima bez upotrebe radijatora.

To je najjeftiniji i najmanje problematičan način rješavanja grijanja kuće pri odabiru prirodne cirkulacije toplinskog medija. Jedini značajan nedostatak je izgled glomaznih cijevi.

U najekonomičnijoj varijanti jednocijevne sheme s radijatorima grijanja, vruća voda sekvencijalno prolazi kroz svaki uređaj. Ovdje je potreban minimalni broj cijevi i zapornih ventila.

Tijekom prolaska toplinski medij se hladi, stoga sljedeći radijatori primaju hladniju vodu, što treba uzeti u obzir pri izračunu broja sekcija.

Jednostavna jednocijevna shema (gore) zahtijeva minimalnu količinu montažnih radova i uloženih sredstava. Složenija i skuplja varijanta dolje omogućuje isključivanje radijatora bez zaustavljanja cijelog sustava.

Naj učinkovitijim načinom spajanja uređaja za grijanje na jednocijevnu mrežu smatra se dijagonalna varijanta.

Prema ovoj shemi krugova grijanja s prirodnom cirkulacijom, vruća voda ulazi u radijator odozgo, nakon hlađenja odvodi se kroz donju cijev. Prolazeći na takav način, zagrijana voda predaje maksimalnu količinu topline.

Kod donjeg spajanja na bateriju i ulazne i izlazne cijevi, prijenos topline se značajno smanjuje, jer zagrijani toplinski medij mora proći maksimalno dugačak put. Zbog značajnog hlađenja u takvim shemama ne koriste se baterije s velikim brojem sekcija.

„Lenjingradka” se karakterizira značajnim gubicima topline koje je potrebno uzeti u obzir pri proračunu sustava. Njezina prednost je u tome što se pomoću zapornih ventila na ulaznoj i izlaznoj cijevi uređaji mogu selektivno isključiti radi popravka bez zaustavljanja ciklusa grijanja (+).

Krugovi grijanja s takvim spajanjem radijatora dobili su naziv “Lenjingradka“. Unatoč zabilježenim gubicima topline, daje im se prednost u uređenju sustava grijanja stanova, što je uvjetovano estetskijim izgledom polaganja cjevovoda.

Značajan nedostatak jednocijevnih sustava je nemogućnost isključivanja jedne od sekcija grijanja bez prekida cirkulacije vode kroz cijeli krug.

Stoga se obično primjenjuje modernizacija klasične sheme s ugradnjom “bypassa” za zaobilaženje radijatora pomoću odvojka s dva kuglasta ventila ili troputnim ventilom. To omogućuje regulaciju dovoda vode do radijatora, sve do potpunog isključenja.

Za zgrade s dva ili više katova primjenjuju se varijante jednocijevne sheme s vertikalnim usponskim vodovima. U tom slučaju raspodjela tople vode je ravnomjernija nego kod horizontalnih usponskih vodova. Osim toga, vertikalni usponski vodovi su kraći i bolje se uklapaju u interijer kuće.

Jednocijevna shema s vertikalnim razvodom uspješno se primjenjuje za grijanje dvokatnih prostora uz korištenje prirodne cirkulacije. Prikazana je varijanta s mogućnošću isključivanja gornjih radijatora.

Varijanta s upotrebom povratne cijevi

Kada se jedna cijev koristi za dovod tople vode do radijatora, a druga za odvođenje ohlađene vode do kotla ili peći, takva shema grijanja naziva se dvocevnom. Takav se sustav s radijatorima grijanja koristi češće nego jednocijevni.

Ona je skuplja jer zahtijeva ugradnju dodatne cijevi, ali ima niz značajnih prednosti:

• ravnomjernija raspodjela temperature toplinskog medija koji se dovodi do radijatora;
• lakše je izračunati ovisnost parametara radijatora o površini grijanog prostora i potrebnim temperaturnim vrijednostima;
• učinkovitija regulacija dovoda topline do svakog radijatora.

Ovisno o smjeru kretanja ohlađene vode u odnosu na toplu, dvocjevni sustavi se dijele na istosmjerne i slijepe. U istosmjernim shemama kretanje ohlađene vode odvija se u istom smjeru kao i tople, stoga se duljina ciklusa za cijeli krug podudara.

U slijepim shemama ohlađena voda kreće se u susret toploj, stoga se za različite radijatore duljine ciklusa okretanja toplinskog medija razlikuju. Budući da je brzina u sustavu mala, vrijeme zagrijavanja može se znatno razlikovati. Oni radijatori koji imaju kraću duljinu ciklusa kruženja vode brže će se zagrijati.

Pri odabiru slijepe i istosmjerne sheme grijanja polazi se prvenstveno od praktičnosti provođenja povratne cijevi

Postoje dvije vrste položaja priključka u odnosu na radijatore grijanja: gornji i donji. Kod gornjeg priključka cijev koja dovodi toplu vodu nalazi se iznad radijatora grijanja, a kod donjeg priključka – ispod.

Kod donjeg priključka moguće je ukloniti zrak kroz radijatore i nema potrebe za provođenjem cijevi odozgo, što je dobro s gledišta dizajna prostorije.

Međutim, bez razvodnog kolektora, razlika tlaka bit će znatno manja nego kod gornjeg priključka. Stoga se donji priključak kod grijanja prostorija na principu prirodne cirkulacije gotovo i ne koristi.

Zaključci i koristan video na temu

Organizacija jednocijevne sheme na temelju električnog kotla za malu kuću:

Rad dvocijevnog sustava za prizemnu drvenu kuću na temelju kotla na kruta goriva dugog gorenja:

Korištenje prirodne cirkulacije pri kretanju vode u krugu grijanja zahtijeva točne izračune i tehnički ispravno izvođenje montažnih radova. Ako su ti uvjeti ispunjeni, sustav grijanja će kvalitetno grijati prostorije privatne kuće i osloboditi vlasnike buke pumpe i ovisnosti o električnoj energiji.

Ako imate pitanja na tu temu ili želite podijeliti osobno iskustvo o organizaciji i radu sustava grijanja gravitacijskog tipa, molimo ostavite komentare na ovaj članak. Blok za povratne informacije nalazi se ispod.