Це одні з найпростіших і, мабуть, найпоширеніші системи опалення для невеликих заміських будинків і квартир з індивідуальним опаленням. Системи вельми довговічні (при правильній експлуатації 40 і більше років без капітального ремонту) і використовують тільки природні фізичні закони, не вимагаючи додаткових джерел енергії або дорогого устаткування.
Недоліком таких опалювальних систем є: скорочений радіус дії (до 30 м по горизонталі), обумовлений невеликим циркуляційним тиском; уповільнене включення в дію через великий теплоємності води і низького циркуляційного тиску, і підвищена небезпека замерзання води в розширювальному бачку, змонтованому в неопалюваному приміщенні.
Принципова схема системи опалення з природною циркуляцією складається з котла (водопідігрівача), виходу та повернення води, нагрівальних приладів і розширювального бачка. Нагріта в котлі вода надходить по подаючому трубопроводі і стояках в нагрівальні прилади, віддає їм частину свого тепла, потім по зворотному трубопроводу повертається в котел, де знову підігрівається до необхідної температури, і далі цикл повторюється. Всі горизонтальні трубопроводи системи робляться з нахилом в сторону руху води: нагріта вода, піднявшись по стояку внаслідок температурного розширення і видавлювання більш холодною водою обратки, розтікається по горизонтальних відводів самопливом, охолоджена вода також самопливом надходить назад в котел. Ухили трубопроводів сприяють і відведення бульбашок повітря до розширювального баку: газ легший за воду, тому він прагне вгору, а похилі ділянки трубопроводів допомагають йому ніде не затримуватися і надходити в розширювач, а потім в атмосферу. Розширювальний бачок створює постійний тиск в системі, приймає збільшується при нагріванні об'єм води, а при охолодженні віддає воду назад в трубопровід.
Вода в системі опалення піднімається за рахунок розширення при нагріванні і під дією гравітаційного тиску, рух (циркуляція) виникає внаслідок різниці щільності нагрітої (піднімається по подає стояка) і охолодженої води (спускається по зворотному). Гравітаційне тиск витрачається на рух теплоносія і подолання опорів в мережі трубопроводів. Ці опору викликаються тертям води об стінки труб, а також наявністю в системі місцевих опорів. До місцевих опорів відносяться: відгалуження і повороти трубопроводів, арматура і самі нагрівальні прилади. Чим більше опорів виникає в трубопроводі, тим більше повинно бути гравітаційне тиск. Для зниження тертя застосовуються труби збільшених діаметрів.
Циркуляційний напір Pц = h (ρо - ρг) залежить (рис. 1):
- Від різниці відміток центру котла і центру нижнього опалювального приладу (h), чим більше різниця висот між центрами котла і приладу, тим краще буде циркулювати теплоносій;
- Від щільності гарячої (ρг) і охолодженої води (ρо).
Як з'являється циркуляційний напір? Уявімо, що в котлі і радіаторах опалення температура теплоносія змінюється стрибкоподібно центральними осях цих приладів, що, до речі, недалеко від істини. Тобто в верхніх частинах котла і радіаторів знаходиться гаряча вода, а в нижніх - охолоджена. Гаряча вода має меншу щільність, а отже, меншу вагу, ніж охолоджена вода. Подумки зріжемо верхню частину опалювального контуру (рис. 2) і залишимо тільки нижню частину. І що ж ми бачимо? А то, що ми маємо справу з двома сполученими посудинами, добре знайомим нам з шкільної фізики. Верх однієї судини знаходиться вище верху іншого; вода під дією сил гравітації прагне переміститися з верхньої судини в нижній. Опалювальний контур - замкнута система, вода в ньому не вихлюпується, як у сполучених посудинах, а прагне «заспокоїтися» (зайняти один рівень). Таким чином, високий стовп охолодженої важкої води після радіаторів постійно виштовхує низький стовп води перед котлом і підштовхує гарячу воду - виникає природна циркуляція. Іншими словами, чим вище знаходиться центр радіаторів щодо центру кола, тим більше циркуляційний напір. Висота установки - це, перший показник напору. Ухили подають трубопроводів в сторону радіаторів і обратки від радіаторів до котла тільки сприяють цьому процесу, допомагаючи воді долати місцеві опори в трубах.
Мал. 2. Графічна схема виникнення циркуляційного напору
У приватних будинках найкраще розміщувати котел нижче опалювальних приладів, наприклад, в підвалі. При квартирному опаленні, коли котел встановлюється безпосередньо в квартирі майже на одному рівні з радіаторами, для збільшення циркуляційного напору котел краще встановлювати «в яму» прямо на плити перекриття, випив навколо нього підлогу. Зрозуміло, «в ямі» повинні бути зроблені протипожежні заходи: плити вирівняні тонкої стяжкою, укладені листи азбесту і заліза.
Другий показник, від якого залежить циркуляційний напір, це різниця між густиною охолодженої і гарячої води. Тут необхідно зауважити, що системи з природною циркуляцією теплоносія відносяться до саморегульованим системам. При проведенні якісного регулювання, тобто при зміні температури нагріву води, мимовільно виникають кількісні зміни - змінюється витрата води. Через зміни щільності гарячої води буде збільшуватися (зменшуватися) природне циркуляційний тиск, а отже, і кількість циркулюючої води. Іншими словами, коли на вулиці холодно, стає холодно і в будинку, включаючи котел на повну потужність, ми збільшуємо нагрівання води, значно зменшуючи її щільність. Прийшовши в опалювальні прилади, вода віддає теплоту охолодженого повітря в приміщенні, її щільність при цьому сильно підвищується. А якщо поглянути на ту частину формули (рис. 1), яка стоїть в дужках, ми бачимо, що чим більше різниця між густиною охолодженої і гарячої води, тим більше циркуляційний напір. Отже, чим сильніше нагріта вода в казані і чим сильніше вона остигає в радіаторі, тим швидше вона починає «бігати» (циркулювати) по системі опалення і це відбувається до тих пір, поки повітря в приміщенні не прогріється. Після чого вода починає остигати в радіаторах повільніше, щільність її вже не сильно відрізняється від щільності води, що вийшла з котла, і циркуляційний напір починає поступово знижуватися. Водичка вже не «бігає» по трубах, як «очманіла» прагнучи нагріти приміщення, а статечно перекочується в них. Але як тільки температура в приміщенні почне знижуватися, наприклад, через різке похолодання або просто через відкриту через забудькуватість вхідних дверей, циркуляційний напір почне підвищуватися і водичка «побіжить» по трубах веселіше, прагнучи вирівняти температуру. Таким чином і відбувається саморегуляція системи: одночасна зміна температури і кількості води забезпечує необхідну тепловіддачу опалювальних приладів для підтримки рівною температури приміщень.
Системи водяного опалення з природною циркуляцією бувають двотрубні з верхньої та нижньої розведеннями, а також однотрубні з верхнім розведенням.