Система опалення з природною циркуляцією теплоносія (гравітаційна система опалення) не має в своїй конструкції циркуляційних насосів, а циркуляція теплоносія здійснюється шляхом використання природних фізичних законів. Її великим плюсом є те, що вона є досить довговічною і не вимагає для свого функціонування наявності додаткових джерел енергії і дорогого устаткування. При правильному проектуванні і якісно виконаному монтажі гравітаційна система опалення може працювати без капітального ремонту не менше 35-40 років. Вона характеризується невеликою протяжністю трубопроводів (обмежений радіус дії по горизонталі до 30 м), низькі гідравлічні напори і втрати тиску.
Система опалення з природною циркуляцією теплоносія (гравітаційна система опалення) була винайдена і запатентована в 1832 р російським інженером-металургом, членом-кореспондентом Російської академії наук П. Г. Соболевськ.
Принципова схема гравітаційної системи опалення складається з теплогенератора (опалювального котла), виходу та повернення магістральних трубопроводів, розширювального бака, і опалювальних приладів (радіаторів).
Нагріте в теплогенераторі теплоносій надходить по подає і горизонтальним трубопроводах в нагрівальні прилади (радіатори), де відбувається віддача їм частини свого тепла, в свою чергу елементи радіатора передають тепло в приміщення. Потім по обратке (зворотному трубопроводу) теплоносій повертається в теплогенератор, де знову підігрівається до необхідної температури, і далі цикл повторюється.
Природна циркуляція теплоносія (води) по замкнутій системі трубопроводів обумовлена зміною ваги і щільності рідини, при підвищенні і зниженні температури. При нагріванні теплоносія в теплогенераторі знижується його маса і щільність в трубопроводі, що подає. У той же час в зворотному трубопроводі знаходиться вже віддав своє тепло більш холодний теплоносій, який має велику масу і щільність. В системі виникає тиск під дією сил гравітації - гарячий теплоносій піднімається вгору по прямому трубопроводі і розтікається по горизонтальних трубопроводах самопливом, заміщаючи холодний теплоносій, який також самопливом надходить назад в теплогенератор (котел). Розширювальний бак приймає в себе теплоносій, обсяг якого збільшується з підвищенням температури, створює і підтримує постійний тиск.
Гравітаційне тиск викликає рух теплоносія, однак воно також витрачається на подолання опорів в трубах. Опору викликаються в основному тертям теплоносія об стінки труб, а всілякі розгалуження, кутові повороти, присутні в системі є додатковими джерелами опорів. при проектуванні опалення одним з головних завдань є звести до мінімуму опору в трубопроводі. Для зниження опору застосовуються труби з великим перетином, також чимале значення має матеріал з якого виготовлені труби.
Важливою умовою, що забезпечує природну циркуляцію теплоносія, є наявність ухилу в горизонтальних магістралях трубопроводів в сторону руху води - ухил від подає стояка до радіаторів, і ухил зворотної магістралі від радіаторів до опалювального котла. Якщо ухил буде виконаний в іншу сторону, від система працювати не буде.
Ухил трубопроводу повинен становити як мінімум 0,005 м на 1 метр погонний труби.
Крім забезпечення циркуляції теплоносія ухил в трубах дозволяє ефективно боротися з «завоздушіванію» системи. Бульбашки повітря, які утворюються в процесі нагрівання теплоносія в системі, спрямовується вгору по трубах і надходять в розширювальний бак, а потім, відповідно, видаляються в атмосферу.
Проектуючи систему опалення, необхідне гравітаційне тиск (циркуляційний напір) слід обов'язково прораховувати за спеціальною формулою. Воно залежить від різниці висот розташування котла і самого нижнього радіатора - чим більше ця різниця (h), тим більше тиск. Збільшенню циркуляційного напору сприяє також збільшення кута нахилу прямому трубопроводі трубопроводу, спрямованої в бік радіаторів, і ухил зворотної магістралі, спрямованої до генератора тепла (котла).
Ухил трубопроводу повинен становити, як мінімум 0,005 м на 1 метр погонний труби.
Така схема дозволяє теплоносія легше подолати місцеві опори в трубах. Виникає циркуляційний напір також безпосередньо залежить від висоти установки радіаторів. Виконуючи проектування і подальший монтаж системи опалення з природною циркуляцією, котел розміщують в найнижчій точці так, щоб всі теплообмінники (радіатори) знаходилися вище нього.
Трубопроводи систем опалення по виду монтажу поділяються на одно- і двотрубні. (Не слід плутати поняття «двухпоточная», «однотрубна», «двухтрубная»: перше характеризує напрямок потоків теплоносія, «циклічність» їх в системі, а два останніх - тільки способи з'єднання трубопроводів з опалювальними приладами при дотриманні циклічності).
