Topný systém s přirozenou cirkulací: běžná schémata vodních okruhů

Stavbu autonomní otopné sítě gravitačního typu volí, pokud není účelné, a někdy ani možné, instalovat oběhové čerpadlo nebo se připojit k centralizovanému zásobování elektřinou.

Takový systém je levnější na vybudování a zcela nezávislý na elektřině. Jeho funkčnost však do značné míry závisí na přesnosti návrhu.

Aby otopný systém s přirozenou cirkulací fungoval bez výpadků, je nutné vypočítat jeho parametry, správně nainstalovat součásti a odůvodněně zvolit schéma vodního okruhu. Pomůžeme vám tyto otázky vyřešit.

Popsali jsme hlavní principy fungování gravitačního systému, uvedli rady pro výběr potrubí, stanovili pravidla montáže okruhu a umístění pracovních uzlů. Zvláštní pozornost jsme věnovali zvláštnostem návrhu a fungování jednotrubkových a dvoutrubkových otopných schémat.

Principy procesu přirozené cirkulace

Proces pohybu vody v otopném okruhu bez použití oběhového čerpadla probíhá díky přirozeným fyzikálním zákonům.

Pochopení podstaty těchto procesů umožní kvalifikovaně vypracovat projekt otopného systému pro typické i nestandardní případy.

Maximální rozdíl hydrostatického tlaku

Základní fyzikální vlastnost každého nosiče tepla (vody nebo nemrznoucí směsi), která napomáhá jeho pohybu v okruhu při samotížné cirkulaci, je snížení hustoty při zvýšení teploty.

Hustota horké vody je menší než studené, a proto vzniká rozdíl v hydrostatickém tlaku teplého a studeného sloupce kapaliny. Studená voda stéká k výměníku tepla a vytlačuje horkou vzhůru potrubím.

Hnací silou vody v okruhu při samotížné cirkulaci je rozdíl hydrostatického tlaku mezi studeným a horkým sloupcem kapaliny

Otopný okruh domu lze rozdělit na několik úseků. Po “horkých” úsecích je voda směrována nahoru, po “studených” dolů. Hranicemi úseků jsou horní a dolní bod otopné soustavy.

Hlavním úkolem při modelování soustavy se samotížnou cirkulacívody je dosažení co největšího rozdílu mezi tlakem sloupce kapaliny v “horkém” a “studeném” úseku.

Klasickým prvkem vodního okruhu pro samotížnou cirkulaci je sběrač urychlení (hlavní stoupačka) – svislé potrubí směřující vzhůru od výměníku tepla.

Sběrač urychlení musí mít maximální teplotu, proto se izoluje po celé délce. Pokud však výška sběrače není velká (jako u jednopatrových domů), není nutné izolaci provádět, protože voda v něm nestihne vychladnout.

Soustava se obvykle navrhuje tak, aby horní bod sběrače urychlení odpovídal hornímu bodu celého okruhu. Tam se instaluje výstup na expanzní nádobu otevřeného typu nebo ventil pro odvod vzduchu, pokud se používá membránová nádoba.

Potom je délka “horkého” úseku okruhu co nejmenší, což vede ke snížení tepelných ztrát v tomto úseku.

Rovněž je žádoucí, aby se “horký” úsek okruhu nespojoval s dlouhým úsekem, který dopravuje vychladlý nosič tepla. Ideálně se spodní bod vodního okruhu shoduje se spodním bodem výměníku tepla umístěného v topném zařízení.

Čím níže je kotel v otopné soustavě umístěn, tím menší je hydrostatický tlak sloupce kapaliny v horkém úseku okruhu

Pro “studený” segment vodního okruhu platí také vlastní pravidla zvyšující tlak kapaliny:

• čím větší jsou tepelné ztráty na “studeném” úseku topné sítě, tím nižší je teplota vody a větší její hustota, proto je fungování systémů s přirozenou cirkulací možné pouze při významném tepelném výkonu;
• čím větší je vzdálenost od dolního bodu okruhu k připojení radiátorů, tím větší je úsek vodního sloupce s minimální teplotou a maximální hustotou.

Aby bylo zajištěno dodržení posledního pravidla, často se kamna nebo kotel instalují v nejnižším bodě domu, například ve sklepě. Tímto umístěním kotle se zajistí maximální možná vzdálenost mezi spodní úrovní radiátorů a místem vstupu vody do výměníku tepla.

Avšak výška mezi dolním a horním bodem vodního okruhu při přirozené cirkulaci by neměla být příliš velká (v praxi ne více než 10 metrů). Kamna nebo kotel ohřívají pouze výměník tepla a spodní část urychlovacího kolektoru.

Pokud je tento úsek zanedbatelný vzhledem k celkové výšce vodního okruhu, pak bude pokles tlaku v “horkém” úseku okruhu nepatrný a proces cirkulace se nespustí.

Použití systémů s přirozenou cirkulací pro dvoupatrové stavby je zcela oprávněné, ale pro větší počet pater bude nutné oběhové čerpadlo

Minimalizace odporu proti pohybu vody

Při navrhování systému s přirozenou cirkulací je nutné brát v úvahu rychlost pohybu topného média v okruhu.

Zaprve, čím vyšší je rychlost, tím rychleji bude probíhat přenos tepla v systému “kotel – výměník tepla – vodní okruh – topné radiátory – místnost”.

Zadruhé, čím vyšší je rychlost kapaliny přes výměník tepla, tím menší je pravděpodobnost jejího varu, což je zvláště důležité při vytápění kamny.

Var vody v systému může být velmi nákladný – náklady na demontáž, opravu a zpětnou instalaci výměníku tepla vyžadují mnoho času a prostředků

V systémech vytápění s nucenou cirkulací závisí rychlost pohybu vody především na parametrech oběhového čerpadla.

Při vodním topení s přirozenou cirkulací závisí rychlost na následujících faktorech:

• rozdílu tlaku mezi úseky okruhu v jeho nejnižším bodě;
• hydrodynamického odporu topného systému.

Způsoby zajištění maximálního rozdílu tlaku byly popsány výše. Hydrodynamický odpor reálného systému nelze přesně vypočítat kvůli složitému matematickému modelu a velkému množství vstupních dat, jejichž přesnost je obtížné zaručit.

Nicméně existují obecná pravidla, jejichž dodržování umožní snížit odpor topného okruhu.

Hlavními příčinami snížení rychlosti pohybu vody jsou odpor stěn trubek a přítomnost zúžení kvůli tvarovkám nebo uzavíracím armaturám. Při nízké rychlosti proudění je odpor stěn prakticky nulový.

Výjimkou jsou dlouhé a tenké trubky, typické pro vytápění pomocí podlahového topení. Zpravidla jsou pro něj vyčleněny samostatné okruhy s nuceným oběhem.

Při výběru typů trubek pro okruh s přirozeným oběhem je třeba zohlednit přítomnost technických zúžení při montáži systému. Proto je použití kovoplastových trubek při přirozeném oběhu vody nežádoucí kvůli jejich spojování tvarovkami s výrazně menším vnitřním průměrem.

Tvarovky kovoplastových trubek mírně zužují vnitřní průměr a představují vážnou překážku pro průtok vody při slabém tlaku (+)

Pravidla pro výběr a montáž potrubí

Volba mezi ocelovými nebo polypropylenovými trubkami při jakémkoli oběhu probíhá podle kritéria možnosti jejich použití pro horkou vodu, stejně jako z hlediska ceny, snadnosti montáže a životnosti.

Stoupací potrubí přívodu se montuje z kovové trubky, protože jím prochází voda nejvyšší teploty, a v případě vytápění kamny nebo poruchy výměníku je možný průchod páry.

Při přirozeném oběhu je nutné použít o něco větší průměr trubek než v případě použití oběhového čerpadla. Obvykle pro vytápění místností do 200 m² je průměr rozváděcího kolektoru a trubky na vstupu zpátečky do výměníku roven 2 palcům.

Je to způsobeno nižší rychlostí vody ve srovnání s variantou nuceného oběhu, což vede k následujícím problémům:

• snižování objemu přenášeného tepla za jednotku času od zdroje k vytápěné místnosti;
• vznik ucpávek nebo vzduchových kapes, se kterými si malý tlak neporadí.

Zvláštní pozornost při použití přirozeného oběhu s dolním schématem přívodu je třeba věnovat problému odvodu vzduchu ze systému. Ten nemůže být zcela odveden z teplonosné látky přes expanzní nádobu, protože vařící voda nejprve vstupuje do zařízení potrubím umístěným níže, než jsou ony samy.

Při nuceném oběhu tlak vody hání vzduch k odvzdušňovači umístěnému v nejvyšším bodě systému – zařízení s automatickým, ručním nebo poloautomatickým ovládáním. Pomocí odvzdušňovacích ventilů Maevského se provádí především regulace tepelného výkonu.

V gravitačních topných sítích s přívodem umístěným pod zařízeními se ventily Maevského používají přímo k vypouštění vzduchu.

Na všech topných radiátorech moderního typu jsou přítomna zařízení pro vypouštění vzduchu, proto pro zabránění tvorby vzduchových kapes v okruhu lze vytvořit sklon, který hání vzduch k radiátoru.

Vzduch může být také odváděn pomocí odvzdušňovačů instalovaných na každé stoupačce nebo na vzduchové lince vedené paralelně s hlavními trasami systému. Kvůli značnému množství zařízení na odvod vzduchu se gravitační schémata se spodním rozvodem používají velmi zřídka.

Při slabém tlaku může malá vzduchová kapsa zcela zastavit topný systém. Podle SNiP 41-01-2003 není dovoleno pokládat potrubí topných systémů bez sklonu při rychlosti vody menší než 0,25 m/s.

Při přirozeném oběhu jsou takové rychlosti nedosažitelné. Proto kromě zvětšení průměru potrubí je nutné dodržovat stálé sklony pro odvod vzduchu z topného systému. Sklon se navrhuje v poměru 2–3 mm na 1 metr, v bytových sítích sklon dosahuje 5 mm na běžný metr vodorovné linie.

Sklon přívodu se provádí ve směru proudění vody, aby vzduch putoval k expanzní nádobě nebo k systému pro vypouštění vzduchu umístěnému v nejvyšším bodě okruhu. I když lze udělat i protisklon, v tom případě je nutné navíc nainstalovat ventil pro odvod vzduchu.

Sklon hlavního zpětného potrubí se obvykle provádí ve směru proudění ochlazené vody. Pak bude spodní bod okruhu odpovídat vstupu zpětného potrubí do generátoru tepla.

Nejběžnější kombinace směru sklonu přívodního a zpětného potrubí pro odstraňování vzduchových kapes z vodního okruhu s přirozeným oběhem

Při instalaci podlahového vytápění malé plochy v okruhu s přirozeným oběhem je nutné zabránit vniknutí vzduchu do úzkých a vodorovně uložených trubek tohoto topného systému. Je nutné umístit zařízení na odvod vzduchu před podlahové vytápění.

Jednotrubková a dvoutrubková otopná schémata

Při navrhování schématu vytápění domu s přirozenou cirkulací vody je možné navrhnout jeden nebo několik samostatných okruhů. Mohou se od sebe výrazně lišit. Bez ohledu na délku, počet radiátorů a další parametry jsou provedeny podle jednotrubkového nebo dvoutrubkového schématu.

Okruh s použitím jedné hlavní trasy

Topný systém využívající stejné potrubí pro postupné přivádění vody k radiátorům se nazývá jednotrubkový. Nejjednodušším jednotrubkovým variantem je vytápění kovovými trubkami bez použití radiátorů.

Jedná se o nejlevnější a nejméně problematický způsob řešení vytápění domu při volbě přirozené cirkulace teplonosného média. Jedinou významnou nevýhodou je vzhled objemných trubek.

Při nejúspornější variantě jednotrubkového schématu s radiátory vytápění prochází horká voda postupně každým zařízením. Zde je zapotřebí minimální množství trubek a uzavíracích armatur.

Během průchodu teplonosné médium chladne, proto následující radiátory dostávají chladnější vodu, což je třeba zohlednit při výpočtu počtu sekcí.

Jednoduché jednotrubkové schéma (nahoře) vyžaduje minimální množství montážních prací a vložených prostředků. Složitější a nákladnější varianta dole umožňuje odpojit radiátory bez zastavení celého systému.

Za nejúčinnější způsob připojení topných zařízení k jednotrubkové síti je považována diagonální varianta.

Podle tohoto schématu topných okruhů s přirozeným typem cirkulace přichází horká voda do radiátoru shora, po ochlazení je odváděna spodním hrdlem. Při takovém průchodu odevzdává ohřátá voda maximální množství tepla.

Při spodním připojení jak vstupního, tak výstupního hrdla k baterii se tepelný výkon výrazně snižuje, protože ohřáté teplonosné médium musí urazit co nejdelší cestu. Kvůli výraznému ochlazování se v takových schématech nepoužívají baterie s velkým počtem sekcí.

„Leningradka“ se vyznačuje značnými tepelnými ztrátami, které je třeba zohlednit při výpočtu systému. Její výhodou je, že při použití uzavíracích ventilů na vstupním a výstupním hrdle lze zařízení selektivně odpojit pro opravu bez zastavení topného cyklu (+).

Topné okruhy s podobným připojením radiátorů získaly název “Leningradka“. Navzdory zmíněným tepelným ztrátám jsou upřednostňovány při zařizování systémů bytového vytápění, což je dáno estetičtějším vzhledem vedení potrubí.

Zásadní nevýhodou jednotrubkových sítí je nemožnost vypnout jednu z topných sekcí bez přerušení cirkulace vody v celém okruhu.

Proto se obvykle používá modernizace klasického schématu instalací “bypassu” pro obtok radiátoru pomocí odbočky se dvěma kulovými kohouty nebo třícestným ventilem. To umožňuje regulovat přívod vody k radiátoru až do jeho úplného vypnutí.

Pro dvou a vícepodlažní budovy se používají varianty jednotrubkového schématu s vertikálními stoupačkami. V tomto případě je rozvod horké vody rovnoměrnější než u horizontálních stoupaček. Navíc vertikální stoupačky jsou méně rozsáhlé a lépe zapadají do interiéru domu.

Jednotrubkové schéma s vertikálním rozvodem se úspěšně používá při vytápění dvoupodlažních prostor s využitím přirozené cirkulace. Je představen variant s možností vypnutí horních radiátorů.

Varianta s použitím zpětného potrubí

Když se jedna trubka používá pro přívod horké vody k radiátorům a druhá pro odvod chlazené vody ke kotli nebo kamnům, takové schéma vytápění se nazývá dvoutrubkové. Tento systém se při použití topných radiátorů používá častěji než jednotrubkový.

Je dražší, protože vyžaduje montáž další trubky, ale má řadu významných výhod:

• rovnoměrnější rozložení teploty teplonosné látky přiváděné k radiátorům;
• jednodušší výpočet závislosti parametrů radiátorů na ploše vytápěné místnosti a požadovaných teplotách;
• efektivnější regulace dodávky tepla ke každému radiátoru.

V závislosti na směru pohybu chlazené vody vzhledem k horké se dvoutrubkové systémy dělí na souběžné a slepé. U souběžných schémat dochází k pohybu chlazené vody stejným směrem jako horké, proto se délka cyklu pro celý okruh shoduje.

U slepých schémat se chlazená voda pohybuje proti horké, proto se pro různé radiátory délky cyklů oběhu teplonosné látky liší. Vzhledem k tomu, že rychlost v systému je nízká, může se doba ohřevu výrazně lišit. Ty radiátory, které mají kratší délku cyklu oběhu vody, se zahřejí rychleji.

Při volbě slepého a souběžného schématu vytápění se vychází především z pohodlí vedení zpětné trubky

Existují dva typy umístění připojení vzhledem k topným radiátorům: horní a spodní. Při horním připojení je trubka přivádějící horkou vodu umístěna nad topnými radiátory, při spodním připojení pod nimi.

Při spodním připojení je možné odvzdušnit přes radiátory a není třeba vést trubky nahoře, což je dobré z hlediska designu místnosti.

Beze sběrače rozběhu však bude tlakový spád mnohem menší než při použití horního připojení. Proto se spodní připojení při vytápění místností s přirozenou cirkulací prakticky nepoužívá.

Závěry a užitečné video k tématu

Organizace jednotrubkového schématu s elektrokotlem pro malý dům:

Fungování dvoutrubkového systému pro jednopodlažní dřevěný dům s kotlem na tuhá paliva s dlouhým hořením:

Použití přirozené cirkulace při pohybu vody v topném okruhu vyžaduje přesné výpočty a technicky správné provedení montážních prací. Při splnění těchto podmínek bude topný systém kvalitně vytápět místnosti rodinného domu a zbaví majitele hluku čerpadla a závislosti na elektřině.

Pokud máte dotazy k tématu nebo se chcete podělit o osobní zkušenosti s organizací a provozem topného systému gravitačního typu, zanechte prosím komentáře k tomuto článku. Blok pro zpětnou vazbu je umístěn níže.