Värmesystem med naturlig cirkulation: vanliga scheman för vattenkretsar

En autonom gravitationsvärmenät väljs om det är olämpligt, och ibland omöjligt, att installera en cirkulationspump eller ansluta till central elförsörjning.

Ett sådant system är billigare att installera och helt oberoende av el. Dock beror dess funktionalitet till stor del på noggrannheten i projekteringen.

För att värmesystem med naturlig cirkulation ska fungera oavbrutet måste man beräkna dess parametrar, installera komponenterna korrekt och välja vattenkretsens schema på ett välgrundat sätt. Vi hjälper dig att lösa dessa frågor.

Vi har beskrivit huvudprinciperna för gravitationssystemets funktion, gett råd om val av rörledning, markerat regler för montering av krets och placering av arbetsenheter. Särskild uppmärksamhet har vi ägnat åt egenskaperna hos projektering och funktion för en- och tvårörsuppvärmningssystem.

Principer för processen med naturlig cirkulation

Processen för vattenrörelse i värmekretsen utan cirkulationspump sker på grund av naturliga fysikaliska lagar.

Förståelse av dessa processers natur gör att du kan utveckla ett värmesystemsprojekt på ett kompetent sätt för typiska och ovanliga fall.

Maximal skillnad i hydrostatiskt tryck

Den grundläggande fysikaliska egenskapen hos alla värmebärare (vatten eller frostskyddsmedel), som bidrar till dess rörelse i kretsen vid naturlig cirkulation, är minskningen av densiteten vid ökad temperatur.

Varmt vatten har lägre densitet än kallt, vilket leder till en skillnad i hydrostatiskt tryck mellan varma och kalla vätskepelare. Kallt vatten rinner ner mot värmeväxlaren och tränger ut det varma vattnet uppåt i röret.

Drivkraften för vattnet i kretsen vid naturlig cirkulation är skillnaden i hydrostatiskt tryck mellan kalla och varma vätskepelare.

Värmekretsen i huset kan grovt delas in i flera segment. I de “varma” segmenten leds vattnet uppåt, och i de “kalla” segmenten leds det nedåt. Segmentens gränser är värmesystemets övre och nedre punkt.

Huvuduppgiften vid modellering av ett system med naturlig cirkulation är att uppnå största möjliga skillnad mellan vätskepelarens tryck i de “varma” och “kalla” segmenten.

En klassisk komponent för naturlig cirkulation i vattenkretsen är accelerationskollektorn (huvudstigaren) – ett vertikalt rör som går uppåt från värmeväxlaren.

Accelerationskollektorn bör ha maximal temperatur, därför isoleras den längs hela sin längd. Dock, om kollektorns höjd är liten (som i enplanshus), kan man avstå från isolering eftersom vattnet inte hinner kallna där.

Vanligtvis konstrueras systemet så att accelerationskollektorns övre punkt sammanfaller med hela kretsens övre punkt. Där installeras en anslutning till en öppen expansionskärl eller en ventil för luftavledning, om man använder en membrantank.

Då blir längden på det “varma” kretssegmentet minimal, vilket leder till minskade värmeförluster i den sektionen.

Det är också önskvärt att det “varma” kretssegmentet inte kombineras med en lång sträcka som transporterar avkyld värmebärare. Idealt sett sammanfaller vattenkretsens nedre punkt med värmeväxlarens nedre punkt, placerad i värmeanordningen.

Ju lägre i värmesystemet pannan är placerad, desto lägre är vätskepelarens hydrostatiska tryck i den varma kretsdelen.

För det “kalla” segmentet av vattenkretsen finns också egna regler som ökar vätsketrycket:

• ju större värmeförlusterna på “kalla” delen av värmenätet är, desto lägre är vattentemperaturen och desto högre densitet, därför är funktion av system med naturlig cirkulation endast möjlig vid betydande värmeavgivning;
• ju större avståndet från konturens lägsta punkt till anslutningen av radiatorerna är, desto större är sektionen av vattenpelaren med minimal temperatur och maximal densitet.

För att säkerställa att den sista regeln uppfylls, installeras ofta en kamin eller panna i husets lägsta punkt, till exempel i källaren. Genom denna placering av pannan säkerställs maximalt möjligt avstånd mellan radiatorernas nedre nivå och vattnets ingångspunkt i värmeväxlaren.

Höjden mellan den nedre och övre punkten på vattenkretsen vid naturlig cirkulation bör dock inte vara för stor (i praktiken högst 10 meter). Kaminen eller pannan värmer endast värmeväxlaren och den nedre delen av accelerationskollektorn.

Om detta fragment är obetydligt i förhållande till hela vattenkretsens höjd, kommer tryckfallet i “heta” fragmentet av kretsen att vara försumbart och cirkulationsprocessen kommer inte att startas.

Användning av system med naturlig cirkulation för tvåvåningsbyggnader är fullt berättigad, men för högre våningsantal kommer en cirkulationspump att vara nödvändig

Minimering av motstånd mot vattenrörelse

Vid konstruktion av ett system med naturlig cirkulation måste hastigheten på värmeöverföringsmediet i kretsen beaktas.

För det första, ju snabbare hastighet, desto snabbare kommer värmeöverföringen att ske i systemet “panna – värmeväxlare – vattenkrets – värmeradiatorer – rum”.

För det andra, ju snabbare vätskehastigheten genom värmeväxlaren är, desto mindre sannolikhet att den kokar, vilket är särskilt viktigt vid kaminuppvärmning.

Kokning av vatten i systemet kan bli mycket dyrt – kostnad för demontering, reparation och återinstallation av värmeväxlaren kräver mycket tid och pengar

I system med forcerad cirkulation beror vattenhastigheten huvudsakligen på parametrarna för cirkulationspumpen.

Vid vattenuppvärmning med naturlig cirkulation beror hastigheten på följande faktorer:

• tryckskillnaden mellan kretsens fragment vid dess lägsta punkt;
• hydrodynamiskt motstånd i värmesystemet.

Metoder för att säkerställa maximal tryckskillnad har behandlats ovan. Det hydrodynamiska motståndet i ett verkligt system kan inte beräknas exakt på grund av den komplexa matematiska modellen och det stora antalet indata, vars noggrannhet är svår att garantera.

Det finns dock allmänna regler som, om de följs, minskar motståndet i värmekretsen.

De främsta orsakerna till minskad vattenhastighet är motståndet från rörväggarna och förekomsten av förträngningar på grund av kopplingar eller avstängningsventiler. Vid låg flödeshastighet är väggmotståndet i stort sett obefintligt.

Undantaget är långa och tunna rör, typiska för uppvärmning med golvvärme. Som regel avsätts separata kretsar med forcerad cirkulation för detta.

Vid val av rörtyper för en krets med naturlig cirkulation måste man ta hänsyn till förekomsten av tekniska förträngningar vid installationen. Därför är det inte önskvärt att använda metall-plaströr vid naturlig vattencirkulation på grund av att de sammanfogas med kopplingar som har en betydligt mindre innerdiameter.

Kopplingarna för metall-plaströr minskar något innerdiametern och utgör ett allvarligt hinder för vattenflödet vid svagt tryck (+)

Regler för val och installation av rör

Valet mellan stålrör eller polypropenrör vid valfri cirkulation görs utifrån kriterier som möjlighet att använda dem för varmvatten, samt med hänsyn till pris, enkel installation och livslängd.

Tillförselstammen monteras av metallrör eftersom det passerar vatten med högsta temperaturen, och vid vedeldning eller fel i värmeväxlaren kan ånga förekomma.

Vid naturlig cirkulation måste rördiametern vara något större än vid användning av en cirkulationspump. Vanligtvis, för uppvärmning av lokaler upp till 200 kvm, är diametern på hastighetskollektorn och returröret vid inloppet till värmeväxlaren 2 tum.

Detta beror på den lägre vattenhastigheten jämfört med forcerad cirkulation, vilket leder till följande problem:

• minskning av mängden överförd värme per tidsenhet från källan till det uppvärmda rummet;
• uppkomst av blockeringar eller luftfickor som ett svagt tryck inte kan hantera.

Särskild uppmärksamhet måste ägnas åt problemet med luftavlägsning ur systemet vid naturlig cirkulation med nedre matningsledning. Luften kan inte helt avlägsnas från värmebäraren genom expansionskärlet, eftersom kokande vatten först kommer in i radiatorerna via en ledning som ligger lägre än radiatorerna själva.

Vid forcerad cirkulation trycker vattentrycket luften till en luftinsamlare installerad i systemets högsta punkt – en enhet med automatisk, manuell eller halvautomatisk styrning. Med hjälp av Mayevsky-kranar regleras i huvudsak värmeavgivningen.

I gravitationsvärmenät med framledning placerad under elementen används Mayevsky-kranar direkt för att lufta systemet.

På alla moderna värmeelement finns luftningsanordningar, så för att förhindra luftfickor i kretsen kan man göra en lutning och driva luften mot elementet.

Luft kan också avledas med hjälp av luftningsanordningar installerade på varje stigrör eller på en luftledning som löper parallellt med systemets huvudledningar. På grund av det stora antalet luftningsanordningar används gravitationssystem med bottenfördelning mycket sällan.

Vid svagt tryck kan en liten luftficka helt stoppa värmesystemet. Enligt SNiP 41-01-2003 är det inte tillåtet att lägga värmesystemets rörledningar utan lutning om vattenhastigheten är lägre än 0,25 m/s.

Vid naturlig cirkulation är sådana hastigheter ouppnåeliga. Därför måste man förutom att öka rördiametern även hålla konstanta lutningar för att avlägsna luft ur värmesystemet. Lutningen projekteras med 2–3 mm per meter, i lägenhetsnätverk kan lutningen uppgå till 5 mm per löpmeter horisontell ledning.

Framledningens lutning görs i vattnets flödesriktning så att luften rör sig mot expansionskärlet eller ett luftningssystem placerat i kretsens högsta punkt. Man kan dock göra en motlutning, men då måste man även installera en luftavledningsventil.

Returledningens lutning görs vanligtvis i det kylda vattnets flödesriktning. Då kommer kretsens lägsta punkt att sammanfalla med returrörets inlopp till värmegeneratorn.

Den vanligaste kombinationen av lutningsriktning för fram- och returledningar för att avlägsna luftfickor från vattenkretsen med naturlig cirkulation

Vid installation av golvvärme med liten yta i en krets med naturlig cirkulation måste man förhindra att luft kommer in i de smala och horisontellt liggande rören i detta värmesystem. Man måste installera en luftningsanordning före golvvärmen.

En- och tvårörsuppvärmningssystem

Vid utformning av ett värmesystem för ett hus med naturlig vattencirkulation är det möjligt att projektera både en och flera separata kretsar. De kan skilja sig avsevärt från varandra. Oavsett längd, antal radiatorer och andra parametrar utförs de enligt ett enrörs- eller tvårörsschema.

Krets med en huvudledning

Ett värmesystem som använder samma rör för successiv vattentillförsel till radiatorerna kallas enrörssystem. Det enklaste enrörsalternativet är uppvärmning med metallrör utan radiatorer.

Detta är det billigaste och minst problematiska sättet att värma huset när man väljer naturlig cirkulation av värmebäraren. Den enda betydande nackdelen är de klumpiga rörens utseende.

Vid det mest ekonomiska enrörsalternativet med värmeradiatorer, rinner varmvattnet successivt genom varje enhet. Här krävs minimalt med rör och avstängningsventiler.

När värmebäraren passerar, kyls den, så efterföljande radiatorer får kallare vatten, vilket måste beaktas vid beräkning av antalet sektioner.

Ett enkelt enrörsschema (överst) kräver minimalt med installationsarbete och investeringar. Ett mer komplext och kostsamt alternativ nedan gör det möjligt att stänga av radiatorer utan att stoppa hela systemet.

Det mest effektiva sättet att ansluta värmeelement till ett enrörssystem anses vara diagonalt alternativ.

Enligt detta schema för värmekretsar med naturlig cirkulation kommer varmvatten in i radiatorn ovanifrån, och efter kylning leds det ut genom ett rör i botten. På detta sätt avger den uppvärmda vattnet maximal värme.

Vid nedre anslutning av både inlopps- och utloppsrör till elementet minskar värmeavgivningen avsevärt eftersom den uppvärmda värmebäraren måste färdas längsta möjliga väg. På grund av betydande avkylning används inte element med många sektioner i sådana scheman.

Leningradka kännetecknas av betydande värmeförluster som måste beaktas vid systemberäkning. Fördelen är att med avstängningsventiler på inlopps- och utloppsrören kan enheterna selektivt stängas av för reparation utan att stoppa värmeprocessen (+)

Värmekretsar med sådan radiatoranslutning har fått namnet “Leningradka“. Trots de noterade värmeförlusterna föredras de vid installation av lägenhetsvärmesystem, på grund av en mer estetisk rördragning.

En stor nackdel med enrörssystem är att det inte går att stänga av en av värmesektionerna utan att stoppa vattencirkulationen i hela kretsen.

Därför använder man oftast en modernisering av den klassiska schemat med installation av “bypass” för att leda förbi radiatorn med hjälp av en grenledning med två kulventiler eller en trevägsventil. Detta gör det möjligt att reglera vattentillförseln till radiatorn, ända till full avstängning.

För byggnader med två eller fler våningar används varianter av enrörssystem med vertikala stigar. I detta fall blir fördelningen av varmt vatten mer jämn än med horisontella stigar. Dessutom är vertikala stigar kortare och passar bättre i hemmets inredning.

Ett enrörssystem med vertikal rördragning används framgångsrikt för uppvärmning av tvåvåningslokaler med naturlig cirkulation. Ett alternativ presenteras med möjlighet att stänga av de övre radiatorerna.

Alternativ med returrör

När ett rör används för att tillföra varmvatten till radiatorerna och ett annat för att leda tillbaka det kylda vattnet till pannan eller kaminen, kallas detta för ett tvårörssystem. Ett sådant system med värmeradiatorer används oftare än ett enrörssystem.

Den är dyrare eftersom den kräver installation av ett extra rör, men har flera betydande fördelar:

• jämnare temperaturfördelning av den värmebärare som tillförs radiatorerna;
• enklare att beräkna sambandet mellan radiatorparametrar och uppvärmningsytan samt erforderliga temperaturvärden;
• effektivare reglering av värmeleveransen till varje radiator.

Beroende på det kylda vattnets rörelseriktning i förhållande till det varma, delas tvårörssystem in i medströms- och återvändssystem. I medströmsystem sker det kylda vattnets rörelse i samma riktning som det varma, därför blir cykellängden densamma för hela kretsen.

I återvändssystem rör sig det kylda vattnet mot det varma, därför skiljer sig cykellängderna för värmebärarens omlopp för olika radiatorer. Eftersom hastigheten i systemet är låg, kan uppvärmningstiden skilja sig avsevärt. De radiatorer som har kortare vattenomloppscykel värms upp snabbare.

Vid val av återvänds- och medströmsuppvärmningssystem utgår man först och främst från bekvämligheten med att dra returröret.

Det finns två typer av anslutningsplacering i förhållande till värmeradiatorerna: övre och nedre. Vid övre anslutning placeras röret som tillför varmvatten ovanför värmeradiatorerna, och vid nedre anslutning – nedanför.

Vid nedre anslutning är det möjligt att avlägsna luft via radiatorer och det finns inget behov av att dra rör ovanför, vilket är bra ur designsynpunkt.

Men utan en uppsamlingsfördelare blir tryckskillnaden mycket mindre än vid användning av övre anslutning. Därför används nedre anslutning nästan aldrig vid uppvärmning med naturlig cirkulation.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Organisering av ett enrörssystem baserat på elpanna för ett litet hus:

Funktion av ett tvårörssystem för ett envånings trähus baserat på en långbrinnande vedpanna:

Användning av naturlig cirkulation för vattenrörelse i värmekretsen kräver noggranna beräkningar och tekniskt korrekt utförande av installationsarbeten. Om dessa villkor uppfylls kommer värmesystemet att värma upp rummen i ett privat hus effektivt och befria ägarna från pumpbuller och beroende av elektricitet.

Om du har frågor om ämnet eller vill dela med dig av personlig erfarenhet av att organisera och använda ett gravitationsvärmesystem, vänligen lämna kommentarer till denna artikel. Feedback-blocket finns nedan.