Verwarmingssysteem met natuurlijke circulatie: veelvoorkomende schema's van watercircuits

De aanleg van een autonoom verwarmingsnet van het zwaartekrachttype wordt gekozen wanneer het niet zinvol is, en soms zelfs onmogelijk, om een circulatiepomp te installeren of op een centrale elektriciteitsvoorziening aan te sluiten.

Een dergelijk systeem is goedkoper in de aanleg en volledig onafhankelijk van elektriciteit. De werking ervan hangt echter sterk af van de nauwkeurigheid van het ontwerp.

Om ervoor te zorgen dat het verwarmingssysteem met natuurlijke circulatie ononderbroken functioneert, moeten de parameters worden berekend, de componenten correct worden geïnstalleerd en het schema van het watercircuit verantwoord worden gekozen. Wij helpen u bij het oplossen van deze vragen.

We hebben de belangrijkste werkingsprincipes van het zwaartekrachtsysteem beschreven, advies gegeven over de keuze van de leiding, de regels voor de montage van het circuit en de plaatsing van werkpunten aangegeven. Bijzondere aandacht hebben we besteed aan de kenmerken van het ontwerp en de werking van een- en tweepijpsverwarmingsschema's.

Principes van het natuurlijke circulatieproces

Het proces van waterbeweging in het verwarmingscircuit zonder gebruik van een circulatiepomp vindt plaats op basis van natuurlijke fysieke wetten.

Inzicht in de aard van deze processen stelt u in staat om op verantwoorde wijze een ontwerp van het verwarmingssysteem te ontwikkelen voor standaard- en niet-standaard gevallen.

Maximaal verschil in hydrostatische druk

De fundamentele fysische eigenschap van elke warmtedrager (water of antivries) die zijn beweging door het circuit bij natuurlijke circulatie bevordert, is de afname van dichtheid bij temperatuurverhoging.

De dichtheid van warm water is kleiner dan die van koud water, waardoor er een verschil in hydrostatische druk ontstaat tussen de warme en koude vloeistofkolommen. Koud water dat naar de warmtewisselaar stroomt, duwt het warme water omhoog in de buis.

De drijvende kracht van water in het circuit bij natuurlijke circulatie is het verschil in hydrostatische druk tussen de koude en warme vloeistofkolommen.

Het verwarmingscircuit van een huis kan grofweg in verschillende segmenten worden verdeeld. Langs de “hete” segmenten wordt water naar boven geleid, en langs de “koude” segmenten naar beneden. De grenzen van de segmenten zijn het hoogste en laagste punt van het verwarmingssysteem.

De belangrijkste taak bij het modelleren van een systeem met natuurlijke circulatie van water is het bereiken van een zo groot mogelijk verschil in vloeistofkolomdruk tussen de “hete” en “koude” segmenten.

Het klassieke element van het watercircuit voor natuurlijke circulatie is de versnellingscollector (hoofdstijgbuis) – een verticale buis die vanaf de warmtewisselaar omhoog is gericht.

De versnellingscollector moet de maximale temperatuur hebben, daarom wordt deze over de gehele lengte geïsoleerd. Als de hoogte van de collector echter klein is (zoals bij eengezinswoningen), kan isolatie achterwege blijven, omdat het water erin geen tijd heeft om af te koelen.

Meestal wordt het systeem zo ontworpen dat het hoogste punt van de versnellingscollector samenvalt met het hoogste punt van het gehele circuit. Daar wordt een aansluiting geïnstalleerd naar een open expansievat of een ontluchtingsventiel, indien een membraanvat wordt gebruikt.

Dan is de lengte van het “hete” segment van het circuit minimaal mogelijk, wat leidt tot vermindering van warmteverlies in dit deel.

Het is ook wenselijk dat het “hete” segment van het circuit niet samengaat met een lang traject dat afgekoelde warmtedrager transporteert. Idealiter valt het laagste punt van het watercircuit samen met het laagste punt van de warmtewisselaar die zich in het verwarmingstoestel bevindt.

Hoe lager de ketel in het verwarmingssysteem is geplaatst, hoe lager de hydrostatische druk van de vloeistofkolom in het hete segment van het circuit.

Voor het “koude” segment van het watercircuit zijn er ook eigen regels die de vloeistofdruk verhogen:

• hoe groter het warmteverlies in het “koude” deel van het verwarmingsnetwerk, hoe lager de watertemperatuur en hoe groter de dichtheid, daarom is de werking van systemen met natuurlijke circulatie alleen mogelijk bij een aanzienlijke warmteafgifte;
• hoe groter de afstand van het laagste punt van het circuit tot de aansluiting van de radiatoren, hoe groter het deel van de waterkolom met minimale temperatuur en maximale dichtheid.

Om aan de laatste regel te voldoen, wordt de kachel of ketel vaak op het laagste punt van het huis geïnstalleerd, bijvoorbeeld in de kelder. Door deze plaatsing van de ketel wordt de maximaal mogelijke afstand tussen het onderste niveau van de radiatoren en het punt waar het water de warmtewisselaar binnenkomt gegarandeerd.

De hoogte tussen het laagste en het hoogste punt van het watercircuit bij natuurlijke circulatie mag echter niet te groot zijn (in de praktijk niet meer dan 10 meter). De kachel of ketel verwarmt alleen de warmtewisselaar en het onderste deel van de versnellingscollector.

Als dit fragment onbeduidend is ten opzichte van de totale hoogte van het watercircuit, dan zal de drukval in het “hete” fragment van het circuit onbeduidend zijn en zal het circulatieproces niet worden gestart.

Het gebruik van systemen met natuurlijke circulatie voor twee verdiepingen tellende gebouwen is volkomen gerechtvaardigd, maar voor een groter aantal verdiepingen is een circulatiepomp noodzakelijk.

Minimalisatie van weerstand tegen waterbeweging

Bij het ontwerpen van een systeem met natuurlijke circulatie dient u rekening te houden met de snelheid van het verwarmingsmedium in het circuit.

Ten eerste, hoe sneller de snelheid, hoe sneller de warmteoverdracht door het systeem “ketel - warmtewisselaar - watercircuit - verwarmingsradiatoren - ruimte” zal plaatsvinden.

Ten tweede, hoe sneller de snelheid van de vloeistof door de warmtewisselaar, hoe kleiner de kans op koken, wat vooral belangrijk is bij kachelverwarming.

Het koken van water in het systeem kan erg duur zijn – de kosten van demontage, reparatie en terugplaatsing van de warmtewisselaar vereisen veel tijd en geld.

In systemen voor verwarming met geforceerde circulatie hangt de snelheid van de waterbeweging voornamelijk af van de parameters van de circulatiepomp.

Bij waterverwarming met natuurlijke circulatie hangt de snelheid af van de volgende factoren:

• het drukverschil tussen de fragmenten van het circuit op het laagste punt;
• de hydrodynamische weerstand van het verwarmingssysteem.

Methoden om een maximaal drukverschil te garanderen zijn hierboven besproken. De hydrodynamische weerstand van een reëel systeem kan niet nauwkeurig worden berekend vanwege het complexe wiskundige model en het grote aantal invoergegevens waarvan de nauwkeurigheid moeilijk te garanderen is.

Er bestaan echter algemene regels waarvan de naleving de weerstand van het verwarmingscircuit kan verminderen.

De belangrijkste oorzaken van een lagere watersnelheid zijn de weerstand van de buiswanden en de aanwezigheid van vernauwingen door fittingen of afsluiters. Bij een lage stroomsnelheid is de wandweerstand vrijwel afwezig.

Uitzondering vormen lange en dunne buizen, typisch voor verwarming met vloerverwarming. In de regel worden hiervoor aparte circuits met geforceerde circulatie gebruikt.

Bij het kiezen van buistypen voor een circuit met natuurlijke circulatie moet rekening worden gehouden met technische vernauwingen bij de installatie van het systeem. Daarom is het gebruik van metaal-kunststof buizen bij natuurlijke watercirculatie onwenselijk vanwege de verbinding met fittingen met een aanzienlijk kleinere binnendiameter.

Fittingen van metaal-kunststof buizen vernauwen de binnendiameter en vormen een serieuze belemmering voor de waterstroom bij lage druk (+)

Regels voor het kiezen en installeren van leidingen

De keuze tussen stalen of polypropyleen buizen bij elke circulatie wordt bepaald door de mogelijkheid om ze te gebruiken voor warm water, evenals vanuit het oogpunt van prijs, installatiegemak en levensduur.

De aanvoerstijgbuis wordt gemonteerd uit een metalen buis, omdat er water van de hoogste temperatuur doorheen stroomt, en in het geval van kachelverwarming of een defecte warmtewisselaar is er mogelijk sprake van stoomdoorgang.

Bij natuurlijke circulatie moet een iets grotere buisdiameter worden gebruikt dan bij gebruik van een circulatiepomp. Voor het verwarmen van ruimtes tot 200 m² is de diameter van het verdeelstuk en de retourleiding naar de warmtewisselaar doorgaans 2 inch.

Dit wordt veroorzaakt door de lagere watersnelheid in vergelijking met geforceerde circulatie, wat tot de volgende problemen leidt:

• vermindering van de hoeveelheid overgedragen warmte per tijdseenheid van bron naar verwarmde ruimte;
• optreden van verstoppingen of luchtbellen waar de lage druk niet mee kan omgaan.

Bij het gebruik van natuurlijke circulatie met een aanvoerschema van onderaf moet speciale aandacht worden besteed aan het probleem van het verwijderen van lucht uit het systeem. Het kan niet volledig uit het verwarmingsmedium worden afgevoerd via het expansievat, omdat het kokende water eerst naar de apparaten stroomt via een leiding die lager ligt dan de apparaten zelf.

Bij geforceerde circulatie drijft de waterdruk de lucht naar de op het hoogste punt van het systeem geïnstalleerde luchtverzamelaar – een apparaat met automatische, handmatige of semi-automatische bediening. Met behulp van Maevski-kranen wordt hoofdzakelijk de warmteafgifte geregeld.

In zwaartekrachtverwarmingsnetwerken met aanvoer die zich onder de toestellen bevindt, worden Maevski-kranen direct gebruikt om lucht af te laten.

Op alle moderne verwarmingsradiatoren zijn apparaten aanwezig om lucht af te laten, daarom kan men, om de vorming van luchtbellen in het circuit te voorkomen, een afschot maken, waarbij de lucht naar de radiator wordt gedreven.

Lucht kan ook worden afgevoerd met behulp van ontluchters die op elke stijgleiding of op een luchtleiding parallel aan de hoofdleidingen van het systeem zijn geïnstalleerd. Vanwege het aanzienlijke aantal apparaten voor luchtfvoering worden zwaartekrachtschema's met onderste verdeling zeer zelden toegepast.

Bij een lage druk kan een kleine luchtbel het verwarmingssysteem volledig stoppen. Volgens SNiP 41-01-2003 is het niet toegestaan om leidingen van verwarmingssystemen zonder afschot te leggen bij een watersnelheid van minder dan 0,25 m/s.

Bij natuurlijke circulatie zijn dergelijke snelheden onbereikbaar. Daarom moet men, naast het vergroten van de buisdiameter, constante afschotten aanhouden om lucht uit het verwarmingssysteem af te voeren. Het afschot wordt ontworpen met een berekening van 2-3 mm per 1 meter, in woningnetwerken bereikt de helling 5 mm per strekkende meter horizontale lijn.

Het afschot van de aanvoer wordt gemaakt in de richting van de waterstroom, zodat de lucht naar het expansievat of naar het systeem dat lucht af laat, dat zich op het hoogste punt van het circuit bevindt, beweegt. Hoewel men ook een tegenafschot kan maken, maar in dat geval moet men extra een luchtafvoerklep installeren.

Het afschot van de retourleiding wordt in de regel gemaakt in de richting van de stroming van het gekoelde water. Dan zal het laagste punt van het circuit samenvallen met de ingang van de retourleiding in de warmtegenerator.

De meest voorkomende combinatie van de richting van het afschot van de aanvoer- en retourleidingen voor het verwijderen van luchtbellen uit het watercircuit met natuurlijke circulatie

Bij installatie van vloerverwarming van een klein oppervlak in een circuit met natuurlijke circulatie moet voorkomen worden dat lucht in de smalle en horizontaal geplaatste buizen van dit verwarmingssysteem terechtkomt. Er moet een ontluchtingsapparaat voor de vloerverwarming worden geplaatst.

Eenpijps- en tweepijpsverwarmingsschema's

Bij het ontwikkelen van een verwarmingsschema voor een huis met natuurlijke watercirculatie is het mogelijk om zowel één als meerdere afzonderlijke circuits te ontwerpen. Ze kunnen aanzienlijk van elkaar verschillen. Ongeacht de lengte, het aantal radiatoren en andere parameters, worden ze uitgevoerd volgens een eenpijps- of tweepijpsschema.

Circuit met gebruik van één hoofdleiding

Een verwarmingssysteem dat dezelfde buis gebruikt voor de opeenvolgende toevoer van water naar radiatoren, wordt een eenpijpssysteem genoemd. De eenvoudigste eenpijpsvariant is verwarming met metalen buizen zonder radiatoren.

Dit is de meest goedkope en minst problematische manier om de woningverwarming op te lossen bij de keuze voor natuurlijke circulatie van het warmtemedium. Het enige significante nadeel is het uiterlijk van de omvangrijke buizen.

Bij de meest zuinige variant van een eenpijpsschema met verwarmingsradiatoren stroomt het hete water achtereenvolgens door elk apparaat. Hier is een minimaal aantal buizen en afsluiters nodig.

Naarmate het warmtemedium passeert, koelt het af, waardoor de volgende radiatoren kouder water ontvangen, waarmee rekening moet worden gehouden bij het berekenen van het aantal secties.

Een eenvoudig eenpijpsschema (boven) vereist een minimale hoeveelheid installatiewerk en geïnvesteerde middelen. Een complexere en duurdere variant onderaan maakt het mogelijk radiatoren uit te schakelen zonder het hele systeem te stoppen.

De meest efficiënte manier om verwarmingsapparaten op een eenpijpsnetwerk aan te sluiten, wordt beschouwd als de diagonale variant.

Volgens dit schema van verwarmingscircuits met natuurlijke circulatie komt het hete water van bovenaf in de radiator en wordt na afkoeling afgevoerd via de onderste aansluiting. Bij een dergelijke doorgang geeft het verwarmde water een maximale hoeveelheid warmte af.

Bij een onderaansluiting van zowel de inlaat- als uitlaatpijp op de radiator, neemt de warmteafgifte aanzienlijk af, omdat het verwarmde warmtemedium een zo lang mogelijke weg moet afleggen. Vanwege aanzienlijke afkoeling worden in dergelijke schema's geen radiatoren met een groot aantal secties gebruikt.

De 'Leningradka' wordt gekenmerkt door aanzienlijke warmteverliezen, waarmee rekening moet worden gehouden bij het berekenen van het systeem. Het voordeel is dat door het gebruik van afsluiters op de inlaat- en uitlaatpijp, de apparaten selectief kunnen worden uitgeschakeld voor reparatie zonder de verwarmingscyclus te stoppen (+).

Verwarmingscircuits met een dergelijke aansluiting van radiatoren hebben de naam “Leningradka“ gekregen. Ondanks de vermelde warmteverliezen, krijgen ze de voorkeur bij het inrichten van verwarmingssystemen in appartementen, vanwege de esthetischere aanblik van de leidingaanleg.

Een groot nadeel van eenpijpsnetwerken is dat het niet mogelijk is om een van de verwarmingssecties uit te schakelen zonder de watercirculatie door het hele circuit te stoppen.

Daarom wordt meestal een modernisering van het klassieke schema toegepast met installatie van een “bypass” om de radiator te omzeilen met behulp van een aftakking met twee kogelkranen of een driewegkraan. Dit maakt het mogelijk om de watertoevoer naar de radiator te regelen, tot volledige uitschakeling aan toe.

Voor gebouwen met twee of meer verdiepingen worden varianten van het eenpijpsschema met verticale stijgbuizen toegepast. In dit geval is de verdeling van het warme water gelijkmatiger dan bij horizontale stijgbuizen. Bovendien zijn verticale stijgbuizen minder lang en passen ze beter in het interieur van het huis.

Het eenpijpsschema met verticale leidingen wordt met succes toegepast bij de verwarming van twee verdiepingen tellende ruimtes met natuurlijke circulatie. Er wordt een variant gepresenteerd met de mogelijkheid om de bovenste radiatoren uit te schakelen.

Variant met toepassing van retourleiding

Wanneer een buis wordt gebruikt voor de toevoer van warm water naar de radiatoren en een tweede voor de afvoer van het gekoelde water naar de ketel of kachel, wordt zo'n verwarmingsschema een tweepijpssysteem genoemd. Een dergelijk systeem wordt bij aanwezigheid van verwarmingsradiatoren vaker gebruikt dan een eenpijpssysteem.

Het is duurder omdat het de installatie van een extra buis vereist, maar het heeft een aantal belangrijke voordelen:

• gelijkmatigere temperatuurverdeling van de aan de radiatoren toegevoerde warmtedrager;
• eenvoudiger berekening van de afhankelijkheid van de parameters van de radiatoren van het te verwarmen oppervlak en de vereiste temperatuurwaarden;
• efficiëntere regeling van de warmtetoevoer naar elke radiator.

Afhankelijk van de bewegingsrichting van het gekoelde water ten opzichte van het warme water, worden tweepijpssystemen onderverdeeld in meegestroomde en doodlopende systemen. In meegestroomde schema's beweegt het gekoelde water in dezelfde richting als het warme water, waardoor de cycluslengte voor het hele circuit gelijk is.

In doodlopende schema's beweegt het gekoelde water in tegengestelde richting van het warme water, waardoor de lengte van de circulatiecycli van de warmtedrager voor verschillende radiatoren verschilt. Omdat de snelheid in het systeem laag is, kan de opwarmtijd aanzienlijk verschillen. De radiatoren met een kortere watercirculatiecyclus worden sneller opgewarmd.

Bij de keuze tussen doodlopende en meegestroomde verwarmingsschema's wordt in de eerste plaats uitgegaan van het gemak van het aanleggen van de retourleiding.

Er zijn twee soorten aansluitingen ten opzichte van de verwarmingsradiatoren: boven- en onderaansluiting. Bij een bovenaansluiting bevindt de buis die het warme water aanvoert zich boven de verwarmingsradiatoren, en bij een onderaansluiting eronder.

Bij een onderaansluiting kan lucht via de radiatoren worden verwijderd en is het niet nodig om leidingen bovenlangs te leggen, wat goed is voor het interieurontwerp.

Echter, zonder een verdeelcollector zal het drukverschil veel kleiner zijn dan bij een bovenaansluiting. Daarom wordt een onderaansluiting bij verwarming van ruimtes op basis van natuurlijke circulatie vrijwel niet toegepast.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Organisatie van een eenpijpssysteem op basis van een elektrische ketel voor een klein huis:

Werking van een tweepijpssysteem voor een houten huis van één verdieping op basis van een ketel voor langdurige verbranding van vaste brandstof:

Het gebruik van natuurlijke circulatie bij de waterbeweging in het verwarmingscircuit vereist nauwkeurige berekeningen en technisch correcte installatiewerkzaamheden. Als aan deze voorwaarden wordt voldaan, zal het verwarmingssysteem de ruimtes van een particulier huis kwalitatief goed verwarmen en de bewoners bevrijden van het geluid van de pomp en de afhankelijkheid van elektriciteit.

Als u vragen heeft over het onderwerp of uw persoonlijke ervaring wilt delen over de organisatie en exploitatie van een zwaartekrachtverwarmingssysteem, laat dan alstublieft een reactie achter op dit artikel. Het feedbackblok staat hieronder.