Sistema di riscaldamento a circolazione naturale: schemi comuni dei circuiti ad acqua

La realizzazione di una rete di riscaldamento autonoma di tipo gravitazionale viene scelta quando non è conveniente, e talvolta impossibile, installare una pompa di circolazione o collegarsi alla rete elettrica centralizzata.

Un tale sistema è più economico da realizzare ed è completamente indipendente dall'elettricità. Tuttavia, la sua funzionalità dipende in gran parte dalla precisione della progettazione.

Affinché un sistema di riscaldamento a circolazione naturale funzioni senza intoppi, è necessario calcolarne i parametri, installare correttamente i componenti e scegliere con cognizione di causa lo schema del circuito idrico. Noi La aiuteremo a risolvere questi problemi.

Abbiamo descritto i principi principali del funzionamento del sistema gravitazionale, fornito consigli sulla scelta della tubazione, indicato le regole di montaggio del circuito e di posizionamento dei nodi di lavoro. Abbiamo prestato particolare attenzione alle caratteristiche di progettazione e funzionamento degli schemi di riscaldamento monotubo e bitubo.

Principi del processo di circolazione naturale

Il processo di movimento dell'acqua nel circuito di riscaldamento senza l'uso di una pompa di circolazione avviene per cause di leggi fisiche naturali.

Comprendere la natura di questi processi permetterà di sviluppare correttamente un progetto di sistema di riscaldamento per casi tipici e atipici.

Differenza massima di pressione idrostatica

La proprietà fisica fondamentale di qualsiasi fluido termovettore (acqua o antigelo) che ne favorisce il movimento nel circuito in circolazione naturale è la diminuzione della densità all'aumentare della temperatura.

La densità dell'acqua calda è inferiore a quella dell'acqua fredda, quindi si crea una differenza di pressione idrostatica tra la colonna di liquido calda e quella fredda. L'acqua fredda, scendendo verso lo scambiatore di calore, spinge l'acqua calda verso l'alto nel tubo.

La forza motrice dell'acqua nel circuito in circolazione naturale è la differenza di pressione idrostatica tra la colonna fredda e quella calda del liquido.

Il circuito di riscaldamento della casa può essere suddiviso idealmente in più segmenti. Nei segmenti “caldi” l'acqua viene diretta verso l'alto, mentre in quelli “freddi” verso il basso. I confini dei segmenti sono il punto più alto e quello più basso dell'impianto di riscaldamento.

L'obiettivo principale nel modellare un sistema a circolazione naturale dell'acqua è raggiungere la massima differenza possibile tra la pressione della colonna di liquido nei segmenti “caldo” e “freddo”.

L'elemento classico del circuito idraulico per la circolazione naturale è il collettore di accelerazione (colonna montante principale) – un tubo verticale diretto verso l'alto dallo scambiatore di calore.

Il collettore di accelerazione deve avere la temperatura massima, per cui viene coibentato per tutta la sua lunghezza. Tuttavia, se l'altezza del collettore non è elevata (come per le case a un piano), si può evitare l'isolamento, poiché l'acqua al suo interno non avrà il tempo di raffreddarsi.

Di solito il sistema è progettato in modo che il punto superiore del collettore di accelerazione coincida con il punto superiore dell'intero circuito. Lì si installa uno sbocco per un vaso di espansione di tipo aperto o una valvola per lo sfiato dell'aria, se si utilizza un vaso a membrana.

In questo modo la lunghezza del segmento “caldo” del circuito è la minima possibile, con conseguente riduzione delle perdite di calore in questa sezione.

Inoltre è auspicabile che il segmento “caldo” del circuito non coincida con un tratto lungo che trasporta il fluido termovettore raffreddato. Idealmente, il punto più basso del circuito idraulico coincide con il punto più basso dello scambiatore di calore posto nell'apparecchio di riscaldamento.

Più in basso è posizionata la caldaia nell'impianto di riscaldamento, minore è la pressione idrostatica della colonna di liquido nel tratto caldo del circuito.

Anche per il segmento “freddo” del circuito idraulico esistono regole proprie che aumentano la pressione del liquido:

• maggiori sono le perdite di calore nel tratto “freddo” della rete di riscaldamento, minore è la temperatura dell'acqua e maggiore la sua densità; pertanto il funzionamento degli impianti a circolazione naturale è possibile solo con una significativa cessione di calore;
• maggiore è la distanza dal punto più basso del circuito al collegamento dei radiatori, maggiore è la porzione di colonna d'acqua con temperatura minima e densità massima.

Per garantire il rispetto dell'ultima regola, spesso la stufa o la caldaia vengono installate nel punto più basso della casa, ad esempio nel seminterrato. Con questa disposizione della caldaia si assicura la massima distanza possibile tra il livello inferiore dei radiatori e il punto di ingresso dell'acqua nello scambiatore di calore.

Tuttavia, l'altezza tra il punto inferiore e quello superiore del circuito idraulico in circolazione naturale non deve essere eccessiva (in pratica non più di 10 metri). La stufa o la caldaia riscaldano solo lo scambiatore di calore e la parte inferiore del collettore di accelerazione.

Se questo tratto è insignificante rispetto all'intera altezza del circuito idraulico, la caduta di pressione nel tratto “caldo” del circuito sarà trascurabile e il processo di circolazione non verrà avviato.

L'utilizzo di impianti a circolazione naturale per edifici a due piani è pienamente giustificato, mentre per un numero maggiore di piani sarà necessaria una pompa di circolazione.

Minimizzazione della resistenza al movimento dell'acqua

Nella progettazione di un impianto a circolazione naturale è necessario considerare la velocità di movimento del fluido termovettore lungo il circuito.

In primo luogo, maggiore è la velocità, più rapida sarà la trasmissione del calore attraverso il sistema “caldaia – scambiatore di calore – circuito idraulico – radiatori di riscaldamento – ambiente”.

In secondo luogo, maggiore è la velocità del liquido attraverso lo scambiatore di calore, minore è la probabilità di ebollizione, cosa particolarmente importante nel riscaldamento a stufa.

L'ebollizione dell'acqua nell'impianto può risultare molto costosa – il costo di smontaggio, riparazione e reinstallazione dello scambiatore di calore richiede molto tempo e denaro.

Nei sistemi di riscaldamento a circolazione forzata, la velocità dell'acqua dipende principalmente dai parametri della pompa di circolazione.

Nel riscaldamento idraulico a circolazione naturale la velocità dipende dai seguenti fattori:

• differenza di pressione tra i tratti del circuito nel suo punto più basso;
• della resistenza idrodinamica dell'impianto di riscaldamento.

Le modalità per garantire la massima differenza di pressione sono state esaminate sopra. La resistenza idrodinamica di un sistema reale non può essere calcolata con precisione a causa del modello matematico complesso e del gran numero di dati in ingresso, la cui accuratezza è difficile da garantire.

Tuttavia, esistono regole generali la cui osservanza consente di ridurre la resistenza del circuito di riscaldamento.

Le cause principali della riduzione della velocità dell'acqua sono la resistenza delle pareti dei tubi e la presenza di restringimenti dovuti a raccordi o valvole di intercettazione. A bassa velocità del flusso, la resistenza delle pareti è praticamente assente.

Fanno eccezione i tubi lunghi e sottili, tipici del riscaldamento tramite pavimento riscaldante. Di norma, per questo vengono previsti circuiti separati con circolazione forzata.

Nella scelta dei tipi di tubi per un circuito a circolazione naturale, sarà necessario considerare la presenza di restringimenti tecnici durante l'installazione dell'impianto. Pertanto, i tubi multistrato non sono consigliati per la circolazione naturale dell'acqua a causa dei loro raccordi, che hanno un diametro interno significativamente minore.

I raccordi dei tubi multistrato restringono leggermente il diametro interno e costituiscono un serio ostacolo al flusso dell'acqua in caso di bassa pressione (+)

Regole per la scelta e l'installazione dei tubi

La scelta tra tubi in acciaio o tubi in polipropilene per qualsiasi tipo di circolazione si basa sul criterio della loro idoneità per acqua calda, nonché dal punto di vista del costo, della facilità di installazione e della durata.

Il montante di mandata viene installato con un tubo metallico, poiché attraverso di esso passa l'acqua alla temperatura più alta; in caso di riscaldamento a stufa o di malfunzionamento dello scambiatore di calore, è possibile il passaggio di vapore.

In caso di circolazione naturale, è necessario utilizzare un diametro dei tubi leggermente maggiore rispetto al caso con pompa di circolazione. Di solito, per il riscaldamento di ambienti fino a 200 m², il diametro del collettore di accelerazione e del tubo di ritorno in ingresso allo scambiatore di calore è di 2 pollici.

Ciò è dovuto alla minore velocità dell'acqua rispetto al caso della circolazione forzata, il che porta ai seguenti problemi:

• riduzione del volume di calore trasportato nell'unità di tempo dalla sorgente all'ambiente riscaldato;
• comparsa di intasamenti o sacche d'aria, che una bassa pressione non può gestire.

Particolare attenzione, quando si utilizza la circolazione naturale con schema di alimentazione inferiore, va dedicata al problema della rimozione dell'aria dal sistema. Essa non può essere completamente eliminata dal fluido termovettore attraverso il vaso di espansione, poiché l'acqua che bolle entra prima negli apparecchi attraverso una tubazione situata al di sotto di essi.

Con la circolazione forzata, la pressione dell'acqua spinge l'aria verso il collettore d'aria installato nel punto più alto dell'impianto – un dispositivo con controllo automatico, manuale o semiautomatico. Mediante i rubinetti di Maevskij viene principalmente regolata la cessione di calore.

Nelle reti di riscaldamento a gravità con mandata situata al di sotto dei radiatori, i rubinetti Maevskij vengono utilizzati direttamente per lo sfiato dell'aria.

Su tutti i radiatori di riscaldamento di tipo moderno sono presenti dispositivi per lo sfiato dell'aria, quindi per prevenire la formazione di blocchi d'aria nel circuito si può realizzare una pendenza, spingendo l'aria verso il radiatore.

L'aria può anche essere rimossa tramite sfiati installati su ogni colonna montante o su una linea di sfiato posata parallelamente alle condutture principali dell'impianto. A causa del notevole numero di dispositivi per lo sfiato dell'aria, gli schemi a gravità con distribuzione inferiore vengono utilizzati molto raramente.

Con una pressione debole, una piccola bolla d'aria può fermare completamente il sistema di riscaldamento. Così, secondo SNiP 41-01-2003, non è consentito installare tubazioni degli impianti di riscaldamento senza pendenza quando la velocità dell'acqua è inferiore a 0,25 m/s.

Con la circolazione naturale, tali velocità non sono raggiungibili. Pertanto, oltre ad aumentare il diametro dei tubi, è necessario mantenere pendenze costanti per rimuovere l'aria dall'impianto di riscaldamento. La pendenza viene progettata con un rapporto di 2-3 mm per 1 metro; nelle reti di appartamenti, l'inclinazione arriva fino a 5 mm per metro lineare di linea orizzontale.

La pendenza della mandata è realizzata nel senso del flusso dell'acqua, in modo che l'aria si diriga verso il vaso di espansione o verso il sistema di sfiato, situato nel punto più alto del circuito. Sebbene sia possibile realizzare una contropendenza, in questo caso è necessario installare ulteriormente una valvola di sfiato dell'aria.

La pendenza della linea di ritorno viene generalmente realizzata nel verso del flusso dell'acqua raffreddata. Allora il punto più basso del circuito coinciderà con l'ingresso del tubo di ritorno nel generatore di calore.

La combinazione più comune di direzione della pendenza dei tubi di mandata e di ritorno per rimuovere le bolle d'aria dal circuito idrico a circolazione naturale

Nell'installazione di un pavimento riscaldante di piccola superficie in un circuito a circolazione naturale, è necessario evitare che l'aria penetri nei tubi stretti e disposti orizzontalmente di questo sistema di riscaldamento. È necessario installare un dispositivo di sfiato dell'aria prima del pavimento riscaldante.

Schemi di riscaldamento monotubo e bitubo

Nella progettazione di un sistema di riscaldamento domestico con circolazione naturale dell'acqua, è possibile progettare uno o più circuiti separati. Possono differire notevolmente l'uno dall'altro. Indipendentemente dalla lunghezza, dal numero di radiatori e da altri parametri, vengono realizzati secondo uno schema monotubo o bitubo.

Circuito con una sola linea principale

Il sistema di riscaldamento che utilizza lo stesso tubo per alimentare in sequenza l'acqua ai radiatori è chiamato monotubo. La variante monotubo più semplice è il riscaldamento con tubi metallici senza l'uso di radiatori.

Questo è il metodo più economico e meno problematico per riscaldare la casa quando si sceglie la circolazione naturale del fluido termovettore. L'unico svantaggio significativo è l'aspetto ingombrante dei tubi.

Nella variante più economica dello schema monotubo con radiatori di riscaldamento, l'acqua calda scorre in sequenza attraverso ogni dispositivo. Qui è necessario un numero minimo di tubi e valvole di intercettazione.

Man mano che il fluido termovettore passa, si raffredda, quindi i radiatori successivi ricevono acqua più fredda, cosa da considerare nel calcolo del numero di sezioni.

Il semplice schema monotubo (in alto) richiede una quantità minima di lavori di installazione e investimenti. La variante più complessa e costosa in basso consente di scollegare i radiatori senza fermare l'intero sistema.

Il metodo più efficace per collegare i dispositivi di riscaldamento a una rete monotubo è considerato la variante diagonale.

Secondo questo schema di circuiti di riscaldamento a circolazione naturale, l'acqua calda entra nel radiatore dall'alto e, dopo il raffreddamento, viene rimossa attraverso il tubo situato in basso. Passando in questo modo, l'acqua riscaldata cede la massima quantità di calore.

Con il collegamento inferiore alla batteria sia del tubo di ingresso che di uscita, la cessione di calore diminuisce notevolmente, perché il fluido termovettore riscaldato deve percorrere il percorso più lungo possibile. A causa del notevole raffreddamento, in tali schemi non vengono utilizzate batterie con un grande numero di elementi.

La 'Leningradca' è caratterizzata da notevoli perdite di calore, che devono essere considerate nel calcolo del sistema. Il suo vantaggio è che, utilizzando valvole di intercettazione sul tubo di ingresso e di uscita, i dispositivi possono essere scollegati selettivamente per la riparazione senza fermare il ciclo di riscaldamento (+)

I circuiti di riscaldamento con questo tipo di collegamento dei radiatori sono stati chiamati “Leningradka“. Nonostante le perdite di calore segnalate, vengono preferiti nella realizzazione di sistemi di riscaldamento per appartamenti, a causa dell'aspetto più estetico della posa delle tubazioni.

Uno svantaggio significativo delle reti monotubo è l'impossibilità di disattivare una delle sezioni di riscaldamento senza interrompere la circolazione dell'acqua in tutto il circuito.

Pertanto, di solito si applica una modernizzazione dello schema classico con l'installazione di un “bypass” per bypassare il radiatore tramite una diramazione con due valvole a sfera o una valvola a tre vie. Ciò consente di regolare l'alimentazione dell'acqua al radiatore, fino alla sua completa chiusura.

Per edifici a due o più piani, si utilizzano varianti dello schema monotubo con colonne montanti verticali. In questo caso, la distribuzione dell'acqua calda è più uniforme rispetto alle colonne montanti orizzontali. Inoltre, le colonne montanti verticali sono meno estese e si integrano meglio nell'arredamento della casa.

Lo schema monotubo con distribuzione verticale viene applicato con successo per il riscaldamento di ambienti a due piani utilizzando la circolazione naturale. Viene presentata una variante con possibilità di disattivazione dei radiatori superiori.

Variante con l'uso del tubo di ritorno

Quando si utilizza un tubo per l'alimentazione dell'acqua calda ai radiatori e un secondo per il ritorno dell'acqua raffreddata alla caldaia o alla stufa, tale schema di riscaldamento è chiamato bitubo. Questo sistema, in presenza di radiatori di riscaldamento, viene utilizzato più spesso di quello monotubo.

È più costosa, poiché richiede l'installazione di un tubo aggiuntivo, ma presenta una serie di importanti vantaggi:

• distribuzione più uniforme della temperatura del fluido termovettore inviato ai radiatori;
• calcolo più semplice della dipendenza dei parametri dei radiatori dall'area dell'ambiente riscaldato e dai valori di temperatura necessari;
• regolazione più efficace dell'erogazione di calore a ciascun radiatore.

A seconda della direzione del movimento dell'acqua raffreddata rispetto all'acqua calda, i sistemi a due tubi si suddividono in sistemi a flusso parallelo e a flusso opposto. Negli schemi a flusso parallelo, il movimento dell'acqua raffreddata avviene nella stessa direzione di quella calda, quindi la lunghezza del ciclo per l'intero circuito coincide.

Negli schemi a flusso contrapposto, l'acqua raffreddata si muove in direzione opposta a quella calda, quindi per diversi radiatori le lunghezze dei cicli di ricircolo del fluido termovettore differiscono. Poiché la velocità nel sistema è bassa, anche il tempo di riscaldamento può differire notevolmente. I radiatori con una lunghezza del ciclo di circolazione dell'acqua inferiore si riscalderanno più rapidamente.

Nella scelta tra schemi di riscaldamento a flusso contrapposto e parallelo, si considera principalmente la praticità di installazione del tubo di ritorno.

Esistono due tipi di disposizione delle tubazioni rispetto ai radiatori di riscaldamento: superiore e inferiore. Con la disposizione superiore, il tubo di alimentazione dell'acqua calda si trova al di sopra dei radiatori di riscaldamento, mentre con quella inferiore si trova al di sotto.

Con l'alimentazione dal basso è possibile eliminare l'aria attraverso i radiatori e non è necessario far passare i tubi in alto, il che è positivo dal punto di vista del design della stanza.

Tuttavia, senza un collettore di accelerazione, la caduta di pressione sarà molto inferiore rispetto all'uso dell'alimentazione dall'alto. Pertanto, l'alimentazione dal basso nel riscaldamento degli ambienti mediante circolazione naturale non viene quasi mai utilizzata.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Organizzazione di un sistema monotubo basato su una caldaia elettrica per una piccola casa:

Funzionamento di un sistema a due tubi per una casa in legno a un piano basata su una caldaia a combustibile solido a lunga combustione:

L'uso della circolazione naturale nel movimento dell'acqua nel circuito di riscaldamento richiede calcoli precisi e un'esecuzione tecnicamente corretta dei lavori di installazione. Se queste condizioni sono soddisfatte, l'impianto di riscaldamento riscalderà adeguatamente gli ambienti di una casa privata e libererà i proprietari dal rumore della pompa e dalla dipendenza dall'elettricità.

Se avete domande sull'argomento o desiderate condividere la vostra esperienza personale nell'organizzazione e nel funzionamento di un sistema di riscaldamento a gravità, lasciate un commento a questo articolo. Il modulo di feedback si trova in basso.