Varmesystem med naturlig cirkulation: almindelige skemaer for vandkredsløb

Opbygning af et autonomt gravitationsvarmesystem vælges, når det er uhensigtsmæssigt, og nogle gange umuligt, at installere en cirkulationspumpe eller at tilslutte sig til central elforsyning.

Sådan et system er billigere at indrette og fuldstændig uafhængig af elektricitet. Men dets funktion afhænger i høj grad af nøjagtigheden af designet.

For at et varmesystem med naturlig cirkulation fungerer uafbrudt, er det nødvendigt at beregne dets parametre, installere komponenterne korrekt og vælge en velbegrundet vandkredsdiagram. Vi hjælper dig med at løse disse spørgsmål.

Vi har beskrevet de vigtigste principper for gravitationssystemets drift, givet råd om valg af rørledning, angivet reglerne for montering af kredsen og placering af arbejdsenheder. Vi har lagt særlig vægt på design- og funktionsegenskaberne for en- og to-rørs varmesystemer.

Principper for naturlig cirkulationsproces

Vandets bevægelse i varmekredsen uden brug af en cirkulationspumpe sker på grund af naturlige fysiske love.

Forståelse af disse processers natur vil gøre det muligt kompetent at udvikle et varmesystemprojekt for typiske og utypiske tilfælde.

Maksimal forskel i hydrostatisk tryk

Det grundlæggende fysiske egenskab for ethvert varmemedie (vand eller frostvæske), der fremmer dets bevægelse i kredsløbet ved naturlig cirkulation, er fald i densitet med stigende temperatur.

Varmt vands densitet er lavere end kold vands, så der opstår en forskel i hydrostatisk tryk mellem den varme og kolde væskesøjle. Koldt vand løber ned til varmeveksleren og fortrænger det varme vand opad i røret.

Drivkraften for vandet i kredsløbet ved naturlig cirkulation er forskellen i hydrostatisk tryk mellem den kolde og varme væskesøjle

Varmekredsen i huset kan opdeles i flere fragmenter. Vandet ledes opad i de “varme” fragmenter og nedad i de “kolde” fragmenter. Fragmenternes grænser er systemets øverste og nederste punkt.

Hovedopgaven ved modellering af et system med naturlig cirkulation af vand er at opnå den størst mulige forskel mellem væskesøjlens tryk i de “varme” og “kolde” fragmenter.

Det klassiske element i et vandkredsløb med naturlig cirkulation er hovedstigrøret – et lodret rør, der går opad fra varmeveksleren.

Hovedstigrøret skal have den maksimale temperatur, derfor isoleres det i hele sin længde. Selvom, hvis stigrørets højde ikke er stor (som for en-etagers huse), kan isolering udelades, da vandet ikke når at afkøles i det.

Normalt designes systemet sådan, at det øverste punkt af hovedstigrøret falder sammen med kredsløbets øverste punkt. Der installeres et udløb til en ekspansionsbeholder af åben type eller en ventil til luftudledning, hvis der anvendes en membrantank.

Derefter er længden af det “varme” fragment af kredsløbet den mindst mulige, hvilket reducerer varmetabet på dette stykke.

Det er også ønskeligt, at det “varme” fragment ikke kombineres med en lang strækning, der transporterer afkølet varmemedie. Ideelt set falder kredsløbets laveste punkt sammen med varmevekslerens laveste punkt, som er placeret i varmeapparatet.

Jo lavere kedlen er placeret i varmesystemet, desto lavere er væskesøjlens hydrostatiske tryk i det varme fragment af kredsløbet.

For det “kolde” segment af vandkredsløbet er der også regler, der øger væsketrykket:

• jo større varmetabet er på den “kolde” del af varmenetværket, desto lavere er vandtemperaturen og desto større dens tæthed, derfor er drift af systemer med naturlig cirkulation kun mulig ved betydelig varmeafgivelse;
• jo større afstand fra kredsens laveste punkt til tilslutningen af radiatorer, desto større er sektionen af vandsøjlen med minimal temperatur og maksimal tæthed.

For at sikre opfyldelsen af den sidste regel installeres ovnen eller kedlen ofte i husets laveste punkt, f.eks. i kælderen. Med denne placering af kedlen sikres den størst mulige afstand mellem radiatorens nedre niveau og vandindløbspunktet i varmeveksleren.

Højden mellem vandkredsens laveste og højeste punkt ved naturlig cirkulation må dog ikke være for stor (i praksis ikke mere end 10 meter). Ovnen eller kedlen opvarmer kun varmeveksleren og den nedre del af accelerationssamleren.

Hvis dette fragment er ubetydeligt i forhold til hele vandkredsens højde, vil trykfaldet i det “varme” fragment af kredsen være ubetydeligt, og cirkulationsprocessen vil ikke blive startet.

Brugen af systemer med naturlig cirkulation til toetagers bygninger er fuldt berettiget, men for større etageantal vil en cirkulationspumpe være nødvendig

Minimering af modstand mod vandbevægelse

Ved design af et system med naturlig cirkulation skal hastigheden af varmemediets bevægelse i kredsen tages i betragtning.

For det første, jo hurtigere hastighed, desto hurtigere vil varmeoverførslen ske i systemet “kedel – varmeveksler – vandkreds – radiatorer – rum”.

For det andet, jo hurtigere væskens hastighed gennem varmeveksleren, desto mindre er sandsynligheden for kogning, hvilket især er vigtigt ved brændeovnsopvarmning.

Kogning af vand i systemet kan blive meget dyrt – omkostningerne ved demontering, reparation og geninstallation af varmeveksleren kræver megen tid og ressourcer

I systemer med tvungen cirkulation afhænger vandets hastighed hovedsageligt af parametrene for cirkulationspumpen.

Ved vandopvarmning med naturlig cirkulation afhænger hastigheden af følgende faktorer:

• trykforskellen mellem kredsfragmenterne i dets laveste punkt;
• hydrodynamisk modstand i varmesystemet.

Metoder til at sikre maksimal trykforskel blev diskuteret ovenfor. Den hydrodynamiske modstand i et reelt system kan ikke beregnes præcist på grund af den komplekse matematiske model og den store mængde inddata, hvis nøjagtighed er svær at garantere.

Der findes dog generelle regler, som, hvis de overholdes, kan reducere modstanden i varmekredsen.

De vigtigste årsager til nedsat vandhastighed er modstand fra rørvæggene og tilstedeværelsen af forsnævringer på grund af fittings eller afspærringsventiler. Ved lav strømningshastighed er modstanden fra væggene næsten ikke-eksisterende.

Undtagelsen er lange og tynde rør, som er typiske for opvarmning med gulvvarme. Som regel afsættes der separate kredse med tvungen cirkulation til dette.

Ved valg af rørtyper til en kreds med naturlig cirkulation skal man tage højde for tekniske forsnævringer under installationen. Derfor anbefales det ikke at bruge metal-plastrør ved naturlig cirkulation, da de samles med fittings med væsentligt mindre indvendig diameter.

Fittings til metal-plastrør indsnævrer lidt den indvendige diameter og udgør en betydelig barriere for vandet ved lavt tryk (+)

Regler for valg og installation af rør

Valget mellem stål- eller polypropylenrør ved enhver cirkulation sker ud fra kriteriet om egnethed til varmt vand samt pris, installationsvenlighed og levetid.

Fremløbsstigrøret monteres af metalrør, da det bærer vand af højeste temperatur, og i tilfælde af brændeovnsopvarmning eller fejl på varmeveksleren kan der forekomme damp.

Ved naturlig cirkulation skal der anvendes en lidt større rørdiameter end ved brug af en cirkulationspumpe. Normalt, til opvarmning af rum op til 200 m², er diameteren på fordelingsrøret og returrøret ved indgangen til varmeveksleren 2 tommer.

Dette skyldes en lavere vandhastighed sammenlignet med tvungen cirkulation, hvilket fører til følgende problemer:

• reduceret mængde af transporteret varme pr. tidsenhed fra kilden til det opvarmede rum;
• forekomst af blokeringer eller luftlommer, som det lave tryk ikke kan håndtere.

Særlig opmærksomhed ved brug af naturlig cirkulation med nedre fremløbstilslutning skal rettes mod problemet med at fjerne luft fra systemet. Luften kan ikke helt udskilles fra varmemediet gennem ekspansionsbeholderen, da det kogende vand først strømmer ind i radiatorerne via en ledning, der er placeret lavere end dem selv.

Ved tvungen cirkulation presser vandstrømmen luften hen til en luftopsamler installeret på systemets højeste punkt – en enhed med automatisk, manuel eller halvautomatisk styring. Ved hjælp af Mayevski-ventiler reguleres hovedsageligt varmeafgivelsen.

I gravitationsopvarmningsnet med fremløb placeret under apparaterne anvendes Mayevski-ventiler direkte til udluftning.

På alle moderne radiatorer findes der anordninger til udluftning, så for at forhindre dannelse af luftlommer i kredsen kan man lave et fald, så luften tvinges hen til radiatoren.

Luft kan også udluftes ved hjælp af udluftningsventiler placeret på hvert stigrør eller på en luftledning lagt parallelt med systemets hovedledninger. På grund af det betydelige antal udluftningsenheder anvendes gravitationsordninger med nedre fordeling yderst sjældent.

Ved lavt tryk kan en lille luftlomme helt stoppe varmesystemet. I henhold til SNiP 41-01-2003 er det således ikke tilladt at lægge rørledninger til varmesystemer uden fald, når vandhastigheden er mindre end 0,25 m/s.

Ved naturlig cirkulation er sådanne hastigheder uopnåelige. Derfor, udover at øge rørdiameteren, er det nødvendigt at opretholde konstante fald for at fjerne luft fra varmesystemet. Faldet dimensioneres med 2-3 mm pr. 1 meter; i lejlighedsnet når hældningen 5 mm pr. løbende meter vandret linje.

Fremløbsfaldet laves i vandets strømningsretning, så luften bevæger sig mod ekspansionsbeholderen eller et udluftningssystem placeret i kredsens højeste punkt. Selvom man kan lave et modfald, men i så fald skal der yderligere installeres en udluftningsventil.

Returledningens fald laves som regel i den afkølede vands strømningsretning. Så vil kredsens laveste punkt falde sammen med returrørets indgang til varmegeneratoren.

Den mest almindelige kombination af faldretning for fremløbs- og returrør til fjernelse af luftlommer fra vandkredsen med naturlig cirkulation

Ved installation af gulvvarme med et lille areal i et kredsløb med naturlig cirkulation skal man undgå, at luft trænger ind i de smalle og vandret placerede rør i dette varmesystem. Der skal installeres en udluftningsenhed foran gulvvarmen.

En- og to-rørs varmesystemer

Ved udvikling af et varmesystem til et hus med naturlig vandcirkulation kan man designe både et enkelt og flere separate kredsløb. De kan afvige væsentligt fra hinanden. Uanset længde, antal radiatorer og andre parametre udføres de efter et enkeltrørs- eller torørssystem.

Kreds med én hovedledning

Et varmesystem, der bruger det samme rør til at føre vand sekventielt til radiatorerne, kaldes et enkeltrørssystem. Den enkleste enkeltrørsvariant er opvarmning med metalrør uden brug af radiatorer.

Dette er den billigste og mindst problematiske måde at opvarme huset på, når man vælger naturlig cirkulation af varmebæreren. Den eneste væsentlige ulempe er udseendet af de store rør.

Ved den mest økonomiske variant af enkeltrørssystemet med radiatorer strømmer varmt vand sekventielt gennem hver enhed. Her kræves et minimum af rør og afspærringsventiler.

Efterhånden som varmebæreren passerer, afkøles den, så de efterfølgende radiatorer får koldere vand, hvilket skal tages i betragtning ved beregning af antallet af sektioner.

En simpel enkeltrørsordning (øverst) kræver et minimum af installationsarbejde og investerede midler. En mere kompleks og dyrere variant nederst gør det muligt at frakoble radiatorer uden at stoppe hele systemet.

Den mest effektive måde at tilslutte varmeapparater til et enkeltrørsnetværk anses for at være den diagonale variant.

Ifølge dette varmekredsløb med naturlig cirkulation kommer varmt vand ind i radiatoren fra toppen, og efter afkøling ledes det ud gennem en nederste studs. Når vandet passerer på denne måde, afgiver det maksimal varme.

Ved en nedre tilslutning til batteriet, både indløbs- og udløbsrøret, reduceres varmeafgivelsen betydeligt, fordi den opvarmede varmebærer skal tilbagelægge den længste vej. På grund af betydelig afkøling bruges der i sådanne ordninger ikke batterier med et stort antal sektioner.

«Leningradka» er karakteriseret ved betydelige varmetab, som skal tages i betragtning ved systemberegningen. Fordelen er, at når der bruges afspærringsventiler på indløbs- og udløbsstudsen, kan apparaterne selektivt frakobles til reparation uden at stoppe varmekredsløbet (+).

Varmekredsløb med en sådan tilslutning af radiatorer har fået navnet “Leningradka“. På trods af de nævnte varmetab foretrækkes de i indretningen af lejlighedsvarmesystemer, hvilket skyldes et mere æstetisk udseende af rørføringen.

En væsentlig ulempe ved enkeltrørssystemer er, at det ikke er muligt at afbryde en af varmesektionerne uden at stoppe vandcirkulationen i hele kredsen.

Derfor anvendes normalt en modernisering af den klassiske opsætning med installation af en “bypass” til at lede vand uden om radiatoren via en forgrening med to kugleventiler eller en trevejsventil. Dette gør det muligt at regulere vandtilførslen til radiatoren, helt op til at slukke den helt.

For to eller flere etager anvendes varianter af enkeltrørsopstillinger med lodrette stigrør. I dette tilfælde er fordelingen af varmt vand mere jævn end med vandrette stigrør. Desuden er lodrette stigrør kortere og passer bedre ind i husets indretning.

Lodret enkeltrørsopstilling med lodret fordeling anvendes med succes til opvarmning af toetagers rum ved hjælp af naturlig cirkulation. Der vises en variant med mulighed for at afbryde de øverste radiatorer.

Variant med brug af returrør

Når ét rør bruges til at føre varmt vand til radiatorerne, og et andet til at føre afkølet vand tilbage til kedlen eller ovnen, kaldes dette varmesystem for to-rørssystem. Et sådant system, med radiatorer til opvarmning, bruges oftere end enkeltrørssystemet.

Det er dyrere, da det kræver installation af et ekstra rør, men har flere væsentlige fordele:

• mere jævn temperaturfordeling af det varmebærende medium, der tilføres radiatorerne;
• lettere at beregne afhængigheden af radiatorens parametre i forhold til arealet af det opvarmede rum og de nødvendige temperaturværdier;
• mere effektiv regulering af varmetilførsel til hver radiator.

Afhængigt af retningen af den afkølede vandstrøm i forhold til den varme, opdeles to-rørssystemer i parallelle og blindgydesystemer. I parallelle opstillinger bevæger den afkølede vand sig i samme retning som den varme, så cykluslængden er den samme for hele kredsen.

I blindgydesystemer bevæger den afkølede vand sig mod den varme, så cykluslængderne for varmebæreren varierer for forskellige radiatorer. Da hastigheden i systemet er lav, kan opvarmningstiden variere betydeligt. De radiatorer, der har kortere vandcirkulationscyklus, varmes hurtigere op.

Ved valg af blindgyde- og parallelopstillinger af varmesystemer tages der først og fremmest hensyn til bekvemmeligheden ved at føre returrøret

Der findes to typer af placering af tilslutningen i forhold til radiatorerne: top- og bundtilslutning. Ved topfordeling er røret, der fører varmt vand, placeret over radiatorerne, og ved bundfordeling er det placeret under dem.

Ved bundtilslutning er det muligt at udlufte gennem radiatorerne, og der er ikke behov for at trække rør ovenover, hvilket er godt for rummets design.

Uden en fordelingssamler vil trykfaldet være meget mindre end ved brug af overtilslutning. Derfor anvendes bundtilslutning næsten ikke ved opvarmning af rum med naturlig cirkulation.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Organisering af et enkeltrørssystem baseret på en el-kedel til et lille hus:

Drift af et torørssystem til et etplans træhus baseret på en langbrændende fastbrændselskedel:

Brug af naturlig cirkulation til vandbevægelse i varmekredsen kræver præcise beregninger og teknisk korrekt udførelse af installationsarbejdet. Hvis disse betingelser er opfyldt, vil varmesystemet effektivt opvarme rummene i et privat hus og befri ejerne for pumpestøj og afhængighed af elektricitet.

Hvis du har spørgsmål om emnet eller ønsker at dele personlige erfaringer med organisering og drift af et gravitationsvarmesystem, er du velkommen til at skrive kommentarer til denne artikel. Feedback-blokken findes nedenfor.