Vykurovací systém s prirodzenou cirkuláciou: rozšírené schémy vodných okruhov

Výstavba autonómnej vykurovacej siete gravitačného typu sa volí, ak je neúčelné, a niekedy aj nemožné, nainštalovať obehové čerpadlo alebo sa pripojiť k centralizovanému elektrickému napájaniu.

Takýto systém je lacnejší na vybudovanie a je úplne nezávislý od elektriny. Jeho funkčnosť však do značnej miery závisí od presnosti návrhu.

Aby systém vykurovania s prirodzenou cirkuláciou fungoval bez prerušenia, je potrebné vypočítať jeho parametre, správne nainštalovať komponenty a odôvodnene zvoliť schému vodného okruhu. Pomôžeme vám pri riešení týchto otázok.

Opísali sme hlavné princípy fungovania gravitačného systému, poskytli sme rady o výbere potrubia, stanovili sme pravidlá montáže okruhu a umiestnenia pracovných uzlov. Osobitnú pozornosť sme venovali špecifikám návrhu a fungovania jedno- a dvojrúrkových schém vykurovania.

Princípy procesu prirodzenej cirkulácie

Proces pohybu vody vo vykurovacom okruhu bez použitia obehového čerpadla prebieha v dôsledku prirodzených fyzikálnych zákonov.

Pochopenie podstaty týchto procesov umožní kvalifikovane vypracovať projekt vykurovacieho systému pre typické aj neštandardné prípady.

Maximálny rozdiel hydrostatického tlaku

Základná fyzikálna vlastnosť každého teplonosného média (vody alebo nemrznúcej zmesi), ktorá prispieva k jeho pohybu v okruhu pri prirodzenej cirkulácii – znižovanie hustoty pri zvyšovaní teploty.

Hustota horúcej vody je menšia ako hustota studenej, a preto vzniká rozdiel v hydrostatickom tlaku teplého a studeného stĺpca kvapaliny. Studená voda steká k výmenníku tepla a vytláča horúcu vodu nahor potrubím.

Hnacou silou vody v okruhu pri prirodzenej cirkulácii je rozdiel hydrostatického tlaku medzi studeným a horúcim stĺpcom kvapaliny

Vykurovací okruh domu možno podmienečne rozdeliť na niekoľko fragmentov. Po “horúcich” fragmentoch voda smeruje nahor, a po “studených” – nadol. Hranicami fragmentov sú horný a dolný bod vykurovacej sústavy.

Hlavnou úlohou pri modelovaní sústavy s prirodzenou cirkuláciou vody je dosiahnutie čo najväčšieho rozdielu medzi tlakom stĺpca kvapaliny v “horúcom” a “studenom” fragmente.

Klasickým prvkom vodného okruhu pre prirodzenú cirkuláciu je rozdeľovač zrýchlenia (hlavná stúpačka) – zvislé potrubie smerujúce nahor od výmenníka tepla.

Rozdeľovač zrýchlenia by mal mať maximálnu teplotu, preto ho izolujú po celej dĺžke. Aj keď, ak výška rozdeľovača nie je veľká (ako pri jednopodlažných domoch), možno izoláciu nevykonávať, pretože voda v ňom nestihne vychladnúť.

Zvyčajne sústavu navrhujú tak, aby sa horný bod rozdeľovača zrýchlenia zhodoval s horným bodom celého okruhu. Tam inštalujú výstup na expanznú nádobu otvoreného typu alebo ventil na odvzdušnenie, ak používajú membránovú nádobu.

Potom je dĺžka “horúceho” fragmentu okruhu čo najmenšia, čo vedie k zníženiu tepelných strát v tomto úseku.

Taktiež je žiaduce, aby sa “horúci” fragment okruhu nespájal s dlhým úsekom prepravujúcim vychladnuté teplonosné médium. V ideálnom prípade sa dolný bod vodného okruhu zhoduje s dolným bodom výmenníka tepla umiestneného v ohrievacom zariadení.

Čím nižšie je kotol umiestnený vo vykurovacej sústave, tým menší je hydrostatický tlak stĺpca kvapaliny v horúcom fragmente okruhu

Pre “studený” segment vodného okruhu tiež platia vlastné pravidlá, ktoré zvyšujú tlak kvapaliny:

• čím väčšie tepelné straty na “studenom” úseku vykurovacej siete, tým nižšia teplota vody a väčšia jej hustota, preto je fungovanie systémov s prirodzenou cirkuláciou možné len pri výraznom odovzdávaní tepla;
• čím väčšia vzdialenosť od spodného bodu okruhu k pripojeniu radiátorov, tým väčší úsek stĺpca vody s minimálnou teplotou a maximálnou hustotou.

Aby sa zabezpečilo dodržanie posledného pravidla, často sa pec alebo kotol inštaluje v najnižšom bode domu, napríklad v suteréne. Takýmto umiestnením kotla sa zabezpečí maximálne možná vzdialenosť medzi spodnou úrovňou radiátorov a bodom vstupu vody do výmenníka tepla.

Avšak výška medzi spodným a horným bodom vodného okruhu pri prirodzenej cirkulácii by nemala byť príliš veľká (v praxi nie viac ako 10 metrov). Pec alebo kotol ohrieva len výmenník tepla a spodnú časť zrýchľovacieho kolektora.

Ak je tento fragment zanedbateľný vzhľadom na celkovú výšku vodného okruhu, potom pokles tlaku v “horúcom” fragmente okruhu bude nepodstatný a proces cirkulácie sa nespustí.

Použitie systémov s prirodzenou cirkuláciou pre dvojpodlažné stavby je úplne opodstatnené, ale pre väčší počet podlaží bude potrebný obehové čerpadlo

Minimalizácia odporu pohybu vody

Pri projektovaní systému s prirodzenou cirkuláciou je potrebné zohľadniť rýchlosť pohybu teplonosného média po okruhu.

Po prvé, čím rýchlejšia rýchlosť, tým rýchlejšie bude prebiehať prenos tepla v systéme “kotol – výmenník tepla – vodný okruh – vykurovacie radiátory – miestnosť”.

Po druhé, čím rýchlejšia rýchlosť kvapaliny cez výmenník tepla, tým menšia pravdepodobnosť jej varu, čo je obzvlášť dôležité pri kúrení pecou.

Vyvretie vody v systéme môže byť veľmi drahé – náklady na demontáž, opravu a spätnú inštaláciu výmenníka tepla si vyžadujú veľa času a prostriedkov.

V systémoch vykurovania s nútenou cirkuláciou rýchlosť pohybu vody závisí najmä od parametrov obehového čerpadla.

Pri vodnom vykurovaní s prirodzenou cirkuláciou rýchlosť závisí od nasledujúcich faktorov:

• rozdielu tlaku medzi fragmentmi okruhu v jeho spodnom bode;
• hydrodynamického odporu vykurovacieho systému.

Spôsoby zabezpečenia maximálneho tlakového rozdielu boli uvedené vyššie. Hydrodynamický odpor reálneho systému sa nedá presne vypočítať kvôli zložitému matematickému modelu a veľkému počtu vstupných údajov, ktorých presnosť je ťažké zaručiť.

Napriek tomu existujú všeobecné pravidlá, ktorých dodržiavanie umožní znížiť odpor vykurovacieho okruhu.

Hlavnými príčinami zníženia rýchlosti pohybu vody sú odpor stien rúr a prítomnosť zúžení v dôsledku prítomnosti tvaroviek alebo uzatváracích armatúr. Pri nízkej rýchlosti prúdenia je odpor stien prakticky nulový.

Výnimkou sú dlhé a tenké rúry, typické pre vykurovanie pomocou podlahového kúrenia. Spravidla sa pre ne vyčleňujú samostatné okruhy s núteným obehom.

Pri výbere typov rúr pre okruh s prirodzeným obehom bude potrebné zohľadniť prítomnosť technických zúžení pri montáži systému. Preto kovoplastové rúry používať pri prirodzenom obehu vody neodporúčame z dôvodu ich spojovania tvarovkami s výrazne menším vnútorným priemerom.

Tvarovky kovoplastových rúr mierne zužujú vnútorný priemer a predstavujú vážnu prekážku na ceste vody pri slabom tlaku (+)

Pravidlá výberu a montáže rúr

Výber medzi oceľovými alebo polypropylénovými rúrami pri akejkoľvek cirkulácii prebieha podľa kritéria možnosti ich použitia pre horúcu vodu, ako aj z hľadiska ceny, jednoduchosti montáže a životnosti.

Stúpačka prívodu sa montuje z kovovej rúry, pretože ňou prechádza voda s najvyššou teplotou a v prípade kúrenia kachľami alebo poruchy výmenníka tepla je možný prechod pary.

Pri prirodzenom obehu je potrebné použiť o niečo väčší priemer rúr ako v prípade použitia obehového čerpadla. Zvyčajne, na vykurovanie miestností do 200 m², je priemer zrýchľovacieho kolektora a rúry na vstupe spätného toku do výmenníka tepla 2 palce.

Je to spôsobené nižšou rýchlosťou vody v porovnaní s variantom núteného obehu, čo vedie k nasledujúcim problémom:

• zníženie množstva prenášaného tepla za jednotku času od zdroja k vykurovanej miestnosti;
• vznik upchatí alebo vzduchových bublín, s ktorými si malý tlak nedokáže poradiť.

Osobitnú pozornosť pri použití prirodzeného obehu so spodnou schémou prívodu je potrebné venovať problému odvzdušnenia systému. Vzduch sa nemôže úplne odvádzať z teplonosného média cez expanznú nádobu, pretože vriaca voda vstupuje najskôr do zariadení po hlavnom potrubí, ktoré je umiestené nižšie ako ony samé.

Pri nútenej cirkulácii tlak vody vytláča vzduch k vzduchovému zberaču inštalovanému v najvyššom bode systému – zariadeniu s automatickým, ručným alebo poloautomatickým riadením. Pomocou kohútikov Majevského sa v podstate vykonáva regulácia odovzdávania tepla.

V gravitačných vykurovacích sieťach s prívodom umiestneným pod vykurovacími telesami sa kohútiky Majevského používajú priamo na odvzdušnenie.

Na všetkých vykurovacích radiátoroch moderného typu sú prítomné zariadenia na vypúšťanie vzduchu, preto na zabránenie tvorby vzduchových bublín v okruhu je možné urobiť sklon, ktorým sa vzduch vyháňa k radiátoru.

Vzduch sa môže tiež odvádzať pomocou odvzdušňovačov inštalovaných na každej stúpačke alebo na vzduchovej línii vedenej paralelne s hlavnými potrubiami systému. Kvôli značnému počtu zariadení na odvod vzduchu sa gravitačné schémy s dolným rozvodom používajú veľmi zriedkavo.

Pri slabom tlaku môže malá vzduchová bublina úplne zastaviť vykurovací systém. Tak podľa SNiP 41-01-2003 nie je dovolené ukladať bez sklonu potrubia vykurovacích systémov pri rýchlosti pohybu vody menšej ako 0,25 m/s.

Pri prirodzenej cirkulácii sú takéto rýchlosti nedosiahnuteľné. Preto okrem zväčšenia priemeru potrubí je potrebné dodržiavať stále sklony na odvod vzduchu z vykurovacieho systému. Sklon sa navrhuje v pomere 2–3 mm na 1 meter, v bytových sieťach dosahuje sklon až 5 mm na bežný meter horizontálnej línie.

Sklon prívodu sa robí v smere pohybu vody, aby sa vzduch pohyboval k expanznej nádobe alebo systému odvádzajúcemu vzduch, umiestnenému v hornom bode okruhu. Hoci je možné urobiť aj protisklon, v tom prípade je potrebné dodatočne nainštalovať ventil na odvod vzduchu.

Sklon spätného potrubia sa robí spravidla v smere pohybu ochladenej vody. Potom bude dolný bod okruhu splývať so vstupom spätného potrubia do tepelného generátora.

Najrozšírenejšia kombinácia smeru sklonu prívodného a spätného potrubia na odstránenie vzduchových bublín z vodného okruhu s prirodzenou cirkuláciou

Pri inštalácii podlahového vykurovania malej plochy v okruhu s prirodzenou cirkuláciou je potrebné zabrániť vniknutiu vzduchu do úzkych a horizontálne uložených potrubí tohto vykurovacieho systému. Je potrebné umiestniť zariadenie na odvod vzduchu pred podlahové vykurovanie.

Jednorúrkové a dvojrúrkové schémy vykurovania

Pri navrhovaní schémy vykurovania domu s prirodzenou cirkuláciou vody je možné projektovať jeden aj niekoľko samostatných okruhov. Môžu sa od seba výrazne líšiť. Bez ohľadu na dĺžku, počet radiátorov a ďalšie parametre sa vyhotovujú podľa jednorúrkovej alebo dvojrúrkovej schémy.

Okruh s použitím jednej hlavnej trasy

Systém vykurovania, ktorý používa rovnakú rúru na postupné privádzanie vody k radiátorom, sa nazýva jednorúrkový. Najjednoduchším jednorúrkovým variantom je vykurovanie kovovými rúrami bez použitia radiátorov.

Je to najlacnejší a najmenej problematický spôsob riešenia vykurovania domu pri voľbe v prospech prirodzenej cirkulácie teplonosného média. Jediným významným mínusom je vzhľad objemných rúr.

Pri najúspornejšom variante jednorúrkovej schémy s vykurovacími radiátormi preteká horúca voda postupne cez každé zariadenie. Tu je potrebné minimálne množstvo rúr a uzatváracích armatúr.

Počas prechodu teplonosné médium chladne, preto následné radiátory dostávajú chladnejšiu vodu, čo je potrebné zohľadniť pri výpočte počtu sekcií.

Jednoduchá jednorúrková schéma (hore) vyžaduje minimálne množstvo montážnych prác a investovaných prostriedkov. Zložitejší a nákladnejší variant dole umožňuje odpojiť radiátory bez zastavenia celého systému.

Za najefektívnejší spôsob pripojenia vykurovacích zariadení k jednorúrkovej sieti sa považuje diagonálny variant.

Podľa tejto schémy vykurovacích okruhov s prirodzeným typom cirkulácie vstupuje horúca voda do radiátora zhora a po ochladení je odvádzaná cez umiestnenú dolnú prípojku. Pri takomto prechode odovzdáva ohriata voda maximálne množstvo tepla.

Pri spodnom zapojení vstupnej aj výstupnej prípojky k batérii sa tepelný výkon podstatne znižuje, pretože ohriate teplonosné médium musí prejsť maximálne dlhú cestu. V dôsledku výrazného chladnutia sa v takýchto schémach nepoužívajú batérie s veľkým počtom sekcií.

«Leningradka» sa vyznačuje výraznými tepelnými stratami, ktoré je potrebné zohľadniť pri výpočte systému. Jej výhodou je, že pri použití uzatváracích ventilov na vstupnej a výstupnej prípojke je možné selektívne odpojiť zariadenia na opravu bez zastavenia vykurovacieho cyklu (+)

Vykurovacie okruhy s takýmto zapojením radiátorov dostali názov “Leningradka“. Napriek uvedeným tepelným stratám im dávajú prednosť pri zriaďovaní systémov bytového vykurovania, čo je spôsobené estetickejším vzhľadom vedenia potrubia.

Závažnou nevýhodou jednorúrkových sietí je nemožnosť odpojiť jednu z vykurovacích sekcií bez zastavenia cirkulácie vody v celom okruhu.

Preto zvyčajne používajú modernizáciu klasickej schémy s inštaláciou “bypassu” na obchádzanie radiátora pomocou odbočky s dvomi guľovými ventilmi alebo trojcestným ventilom. To umožňuje regulovať prívod vody k radiátoru, až po jeho úplné odpojenie.

Pre dvoj a viacpodlažné stavby používajú varianty jednorúrkovej schémy s vertikálnymi stúpačkami. V tomto prípade je distribúcia horúcej vody rovnomernejšia ako pri horizontálnych stúpačkách. Navyše vertikálne stúpačky sú menej rozsiahle a lepšie zapadajú do interiéru domu.

Jednorúrkovú schému s vertikálnym rozvodom úspešne používajú pri vykurovaní dvojpodlažných priestorov s využitím prirodzenej cirkulácie. Je predstavený variant s možnosťou odpojenia horných radiátorov.

Variant s použitím spätného potrubia

Keď jednu rúru používajú na prívod horúcej vody k radiátorom a druhú na odvod ochladenej vody späť ku kotlu alebo peci, takúto schému vykurovania nazývajú dvojrúrkovou. Podobný systém pri existencii vykurovacích radiátorov používajú častejšie ako jednorúrkový.

Je drahšia, pretože vyžaduje montáž dodatočnej rúry, ale má rad významných výhod:

• rovnomernejšie rozloženie teploty privádzaného teplonosného média k radiátorom;
• jednoduchšie vykonať výpočet závislosti parametrov radiátorov od plochy vykurovanej miestnosti a potrebných hodnôt teploty;
• efektívnejšia regulácia prívodu tepla ku každému radiátoru.

V závislosti od smeru pohybu ochladenej vody voči horúcej, dvojrúrkové systémy rozdeľujú na súbežné a slepé. V súbežných schémach sa pohyb ochladenej vody deje v rovnakom smere ako horúcej, preto dĺžka cyklu pre celý okruh je zhodná.

V slepých schémach sa ochladená voda pohybuje proti horúcej, preto sa dĺžky cyklov obehu teplonosného média pre rôzne radiátory líšia. Keďže rýchlosť v systéme je malá, aj čas ohrevu sa môže výrazne líšiť. Tie radiátory, ktorých dĺžka cyklu obehu vody je menšia, budú ohriate rýchlejšie.

Pri výbere slepej a súbežnej schémy vykurovania vychádzajú v prvom rade z pohodlia vedenia spätného potrubia

Existujú dva typy umiestnenia prívodu vzhľadom na vykurovacie radiátory: horný a dolný. Pri hornom prívode je rúra privádzajúca horúcu vodu umiestnená nad vykurovacími radiátormi, a pri dolnom prívode – pod.

Pri spodnom prívode je možné odstrániť vzduch cez radiátory a nie je potrebné viesť rúry navrchu, čo je dobré z hľadiska dizajnu miestnosti.

Avšak bez kolektora zrýchlenia bude tlakový rozdiel oveľa menší, než pri použití horného prívodu. Preto sa spodný prívod pri vykurovaní miestností na princípe prirodzenej cirkulácie prakticky nepoužíva.

Závery a užitočné video k téme

Organizácia jednorúrkovej schémy na báze elektrokotla pre malý dom:

Práca dvojrúrkovej systému pre jednoposchodový drevený dom na báze kotla na tuhé palivo s dlhým spaľovaním:

Použitie prirodzenej cirkulácie pri pohybe vody vo vykurovacom okruhu vyžaduje presné výpočty a technicky správne vykonanie montážnych prác. Pri splnení týchto podmienok bude vykurovací systém kvalitne zohrievať miestnosti súkromného domu a ušetrí majiteľov od hluku čerpadla a závislosti od elektrickej energie.

Ak máte otázky k téme alebo máte záujem podeliť sa o osobné skúsenosti s organizáciou a prevádzkou vykurovacieho systému gravitačného typu, prosím, zanechajte komentáre k tomuto článku. Blok pre spätnú väzbu sa nachádza nižšie.