Обвязка котла отопления - система с естественной циркуляцией

Каким бы простым ни казался дровяной котел, но и он требует обдуманного и квалифицированного подхода к монтажу и эксплуатации. Иначе  срок службы котла может оказаться очень коротким, и даже  не дать владельцу даже тот минимальный комфорт, которого от него ожидали. Работающий котел отопления - устройство потенциально опасное, его изготовитель в сопроводительной документации всегда указывает максимально допустимые значения давления в котле и температуры котловой воды. Кроме того, обычно указывается минимальная температура воды в котле или в обратной линии - условие, как   не требующее постоянного неукоснительного соблюдения, но влияющее на срок жизни котла. Для того чтобы, работая строго в указанных рамках, котел обеспечивал максимально доступный комфорт своему хозяину, и нужен некоторый набор правильно соединенных между собой дополнительных устройств, в просторечии называемый обвязкой.

Рассмотрим варианты обвязки, начиная с простейшего типа системы отопления - системы с естественной циркуляцией или, как ее еще называют, гравитационного типа. Кроме дешевизны, такая система отопления привлекательна еще и тем, что для ее работы не требуется электроэнергии, ведь силой, заставляющей теплоноситель циркулировать в отопительном контуре, выступает гравитация. В самом деле : если мы рассмотрим замкнутый отопительный контур , в нижней точке которого расположен котел , нагревающий воду до температуры 0п, а на высоте h над ним - отопительный прибор, в котором вода охлаждается до температуры 0о, то в итоге «на весах» оказываются два водяных столба одинаковой высоты, но разного веса. Удельный вес воды р при ее нагревании в котле уменьшается, поэтому более холодный столб в обратной линии «перевешивает», и таким образом в контуре создается напор Ар = h-(p(0o) - p(0 p), заставляющий воду циркулировать от котла к отопительным приборам и обратно.

Чем выше скорость движения воды по отопительному контуру, тем большее сопротивление оказывают этому движению стенки труб, котла и всех остальных элементов контура. Состояние динамического равновесия, т.е. постоянная скорость циркуляции достигается тогда, когда гидравлическое сопротивление сравнивается с напором, как показано на рисунке. Здесь видно, что единственное условие возникновения циркуляции воды в системе отопления - это расположение приборов, потребляющих тепло, на некоторой высоте над котлом отопления. Очевидно,   что чем больше высота h - тем лучше. Минимальное же значение высоты h, встречающееся в инструкциях, - это полметра между средними уровнями котла и отопительного прибора.
 
При одной и той же мощности, разность температур между подающей и обратной линиями котла отопления должна быть тем больше, чем меньше объемный поток. Но  эта разность не может быть сколько угодно большой, поскольку температура подающей линии ограничена сверху, а обратной линии - снизу. Таким образом, получается, что мощность котла отопления ограничивается слишком медленной циркуляцией теплоносителя. Чтобы этого избежать, в системе отопления гравитационного типа обычно применяют трубы увеличенного диаметра и избегают использовать регулирующую арматуру с высоким гидравлическим сопротивлением, что, однако, ограничивает возможности создания комфорта.

Система отопления гравитационного типа может содержать все необходимое для безопасной эксплуатации котла.

Если в системе есть хотя бы одна ветвь, циркуляция теплоносителя и потребление тепла в которой при работающем котле не прерывается ни в коем случае, то защита от перегрева обеспечена.

Избежать превышения допустимого давления в котле позволяет расширительный бак, при этом он может быть как открытого типа, как рисунке ниже , так и мембранным. Расширительный бак открытого типа устанавливается в наивысшей точке отопительной системы, высота его расположения относительно котла Н и определяет давление в котле. Расширительный бак открытого типа - это также источник поступления в теплоноситель кислорода из воздуха. Это мало чем грозит чугунному котлу отопления, но кислородная коррозия может существенно сократить срок жизни котлу стальному, а также стальным радиаторам и - в меньшей степени - трубам. Поэтому гравитационная система отопления открытого типа - это традиционно чугунный котел, чугунные радиаторы и двухдюймовые трубы.
 
Применение мембранного расширительного бака в отопительной системе требует установки предохранительного сбросного клапана  и манометра  для визуального контроля давления в котле потому что превращает ее в замкнутый объем  Еще одно следствие замены открытого расширительного бака на мембранный - необходимость установки в системе воздухоотводчиков.

Для производства бытовой горячей воды в одной из ветвей гравитационной системы отопления может быть расположен бак- водонагреватель, требования к расположению которого по отношению к котлу такие же, как и для отопительных приборов. Процесс нагрева в баке - саморегулирующийся: вода нагревается до температуры подачи котла, и по исчезновении разницы температур между подачей и обратной линией циркуляция через контур прекращается. Она возобновляется, когда температура в баке понижается вследствие разбора горячей воды и замещения ее холодной водой из водопровода. Если предположить, что температура подачи котла 90 °С, а температура холодной воды 15 °С, то количество тепла, необходимое для разового прогрева бака емкостью V [л] из холодного состояния, будет равно Q [кВт-ч] = 0,087-V.

Термостатический смеситель на выходе горячей воды из бака-водонагревателя является  необходимым элементом такой схемы приготовления горячей воды , ведь вода в баке может нагреваться до грозящей ожогом температуры 90 °С. Смеситель же доводит температуру горячей воды до безопасного значения, подмешивая в нее холодную воду из водопровода.

Во избежание конденсации влаги из дымовых газов, сокращающей срок службы котла, необходимо следить за тем, чтобы температура котловой воды не опускалась ниже установленного изготовителем минимума -50 + 65 °С. Иногда это условие формулируется как ограничение минимальной температуры воды в обратной линии уровнем 45 - 50 °С . Возможно ли соблюдение этого условия для твердотопливного котла в случае применения системы отопления гравитационного типа?

Рассмотрим два состояния котла: холодный старт и работу в стационарном режиме. В применении к первому состоянию основная проблема обычно состоит в том, чтобы сократить промежуток времени, когда температура котловой воды ниже допустимой. Сам по себе котел отопления  прогревается достаточно быстро, поскольку скорость циркуляции в системе на этой стадии пренебрежимо мала, поскольку она зависит не только от разницы температур, но и от высоты, на которую поднялась в системе горячая вода из котла. С другой стороны, по мере роста скорости циркуляции возрастает поток холодной воды из непрогретой системы в котел. Пока вся холодная вода в системе отопления не окажется замещена теплой водой из котла   это будет продолжаться. Таким образом, в силу инерционности гравитационной системы отопления котел после холодного старта значительное время работает в нежелательном режиме, что может отрицательно сказаться на сроке его службы.

В стационарном режиме температура воды в обратной линии котла определяется ее температурой в линии подачи и тем, насколько охлаждается вода в отопительных приборах. Если температуру в линии подачи можно в определенных пределах изменять при помощи регулятора горения, то степень охлаждения воды в батареях за¬висит от теплоотдачи батарей и от объемного потока через них - и то и другое определяется раз и навсегда при проектировании и монтаже системы отопления. Получается, что температуру обратной линии можно поддерживать на должном уровне, если это позволяет система отопления: она рассчитана и сконструирована так, что обеспечивает достаточный объемный расход - за счет применения труб, арматуры и отопительных приборов с минимально возможным гидравлическим сопротивлением и за счет большой разницы высот расположения котла и теплопотребляющих приборов.

Можно сделать вывод, что в рамках системы отопления гравитационного типа возможно обеспечить рабочие условия котла, по крайней мере в стационарном режиме работы. Вместе с тем следует отметить, что такая система отопления предоставляет мало возможностей для создания комфорта. Ее достоинства - видимая простота и независимость от электроснабжения, к очевидным же минусам можно отнести слабую управляемость и, как следствие, необходимость в частых дозагрузках котла отопления и неэкономный расход топлива