Системы отопления с насосной циркуляцией

Как уже неоднократно упоминалось, главным недостатком системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя является низкий циркуляционный напор (особенно в квартирной системе) и вследствие этого увеличенный диаметр труб. Достаточно слегка ошибиться с выбором диаметров труб и теплоноситель уже «зажат» и не может преодолеть гидравлического сопротивления. «Разжать» систему можно без каких-либо значительных переделок: включить в нее циркуляционный насос (рис. 12) и перенести расширительный бачок с подачи на обратку. Следует заметить, что перенос расширителя на обратку не всегда обязателен. При простой переделке несложной отопительной системы, например, квартирной, бачок можно оставить там, где он стоял. При правильной реконструкции или устройстве новой системы бачок переносится на обратку и заменяется с открытого на закрытый.

рис. 12. Циркуляционный насос

Какой мощности должен быть циркуляционный насос, как и куда его устанавливать?

Циркуляционные насосы для бытовых систем отопления имеют низкое потребление электроэнергии — около 60–100 ватт, то есть как обычная лампочка, они не поднимают воду, а лишь помогают ей преодолеть местные сопротивления в трубах. Эти насосы можно сравнить с движителем (винтом) корабля: винт толкает воду и обеспечивает продвижение судна, но при этом воды в океане не убавляется и не прибавляется, то есть общий баланс воды остается прежним. Циркуляционный насос, закрепленный к трубопроводу, толкает воду, но сколько бы он ее не вытолкнул, с другой стороны к нему поступает такое же количество воды, то есть опасения, что насос вытолкнет теплоноситель через открытый расширитель напрасны: система отопления, это замкнутый контур и количество воды в нем постоянное. Помимо циркуляционных в централизованные системы могут быть включены повысительные насосы, которые повышают давление и способны поднимать воду, их собственно и нужно называть насосами, а циркуляционные, в переводе на общепонятный язык, и насосами-то назвать трудно — так… вентиляторы. Сколько бы не гонял обычный бытовой вентилятор воздух по квартире, все на что он способен, это создать ветерок (циркуляцию воздуха), но не способен изменить атмосферное давление даже в наглухо закрытом помещении.

В результате применения циркуляционного насоса значительно увеличивается радиус действия отопительной системы, сокращаются диаметры трубопроводов и создается возможность присоединения систем к котлам с повышенными параметрами теплоносителя. Чтобы обеспечить бесшумную работу водяной системы отопления с насосной циркуляцией, скорость движения теплоносителя не должна превышать: в трубопроводах, прокладываемых в основных помещениях жилых зданий, при условных проходах труб 10, 15 и 20 мм и более соответственно 1,5; 1,2 и 1 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных помещениях жилых зданий — 1,5 м /с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных зданиях — 2 м /с.

Для обеспечения бесшумности системы и доставки ею требуемого объема теплоносителя необходимо произвести небольшой расчет. Мы уже знаем, как ориентировочно определить требуемую мощность котла (в киловаттах), исходя из площади отапливаемых помещений. Оптимальный расход воды, проходящий через котел, рекомендованный многими фирмами-изготовителями котельного оборудования, рассчитывается по простой эмпирической формуле: Q=P, где Q — расход теплоносителя через котел, л/мин; Р — мощность котла, кВт. Например, для котла мощностью 30 кВт расход воды составляет примерно 30 л/мин. Для определения расхода теплоносителя на любом участке циркуляционного кольца используем эту же формулу, зная мощность устанавливаемых на этом участке радиаторов, например, производим расчет расхода воды для радиаторов, установленных в одной комнате. Предположим, что мощность радиаторов составляет 6 кВт, значит и расход теплоносителя примерно составит 6 л/мин.

По расходу воды определяем диаметры трубопроводов (табл. 1). Эти величины отвечают принятым на практике соответствиям диаметров труб с расходом протекающего по ним теплоносителя со скоростью не более 1,5 метров в секунду.

Соответствие диаметров трубопроводов с расходом теплоносителя

Расход, л/мин	5,7	15	30	53	83	170	320
Диаметр, дюймы	1/2	3/4	1	1¼	1½	2	2½

Далее определяем мощность циркуляционного насоса. На каждые 10 метров длины циркуляционного кольца требуется 0,6 метра напора насоса. Например, если общая длина трубопроводного кольца 90 метров, напор насоса должен быть 5,4 метра. Идем в магазин (или подбираем по каталогу) и приобретаем насос с устраивающим нас напором. Если применяются трубы меньших диаметров, чем рекомендованные в предыдущем абзаце, мощность насоса должна быть увеличена, так как чем тоньше трубы, тем больше в них гидравлическое сопротивление. И соответственно, при применении труб больших диаметров мощность насоса может быть уменьшена.

Для того чтобы обеспечить в системах отопления постоянную циркуляцию воды, желательно устанавливать не менее двух циркуляционных насосов, один из которых — рабочий, другой (на байпасе) — резервный. Либо на систему устанавливается один насос, а другой лежит в укромном месте, на случай быстрой замены при поломке первого.

Необходимо отметить, что приведенный здесь расчет системы отопления крайне примитивен и не учитывает многих факторов и особенностей индивидуальной системы отопления. Если вы строите коттедж со сложной архитектурой системы отопления, то необходимо производить точные расчеты. Это могут сделать только инженеры-теплотехники. Строить многомиллионное сооружение без исполнительной документации — проекта, учитывающего все особенности постройки, крайне не разумно.

Циркуляционный насос в отопительной системе заполнен водой и испытывает равное (если вода не нагревается) гидростатическое давление с двух сторон — со стороны входного (всасывающего) и выходного (нагнетательного) патрубков, соединенных с теплопроводами. Современные циркуляционные насосы, сделанные с водяной смазкой подшипников, можно размещать как на подающем, так и на обратном трубопроводе, но чаще всего их ставят на обратке. Изначально это было обусловлено чисто технической причиной: при размещении в более холодной воде увеличивался срок службы подшипников, ротора и сальниковой набивки, через которую проходит вал насоса. А сейчас их ставят на обратку скорее по привычке, так как с точки зрения создания искусственной циркуляции воды в замкнутом контуре местоположение циркуляционного насоса безразлично. Хотя размещение их на подающем трубопроводе, где обычно меньше гидростатическое давление, более рационально. Например, расширительный бачок установлен в вашей системе на высоте 10 м от котла, значит, он создает статическое давление 10 м водяного столба, но это утверждение верно только для нижнего трубопровода, в верхнем давление будет меньше, так как столб воды здесь будет меньшей величины. Где бы мы не расположили насос, он будет с двух сторон подвергаться одинаковому давлению, даже если его поставить на вертикальном главном подающем или обратном стояке, разница давлений между двумя патрубками насоса будет невелика, так как насосы имеют небольшие размеры.

Однако все не так просто. Насос, действующий в замкнутом контуре системы отопления, усиливает циркуляцию, нагнетая воду в теплопровод с одной стороны и засасывая с другой. Уровень воды в расширительном баке при пуске циркуляционного насоса не изменится, так как равномерно работающий насос лишь обеспечивает циркуляцию при неизменном количестве воды. Поскольку при этих условиях (равномерности действия насоса и постоянства объема воды в системе) уровень воды в расширительном баке сохраняется неизменным, безразлично, работает ли насос или нет, гидростатическое давление в точке присоединения расширителя к трубам системы будет постоянным. Эту точку называют нейтральной, так как циркуляционное давление, развиваемое насосом, никак не влияет на статическое давление, создаваемое расширительным бачком. Другими словами, давление циркуляционного насоса в этой точке равно нулю.

В любой закрытой гидравлической системе циркуляционный насос использует расширительный бак как точку отсчета, в которой давление, развиваемое насосом, меняет свой знак: до этой точки насос, создавая компрессию, воду нагнетает, после нее он, вызывая разрежение, воду всасывает. Все теплопроводы системы от насоса до точки постоянного давления (считая по направлению движения воды) будут относиться к зоне нагнетания насоса. Все теплопроводы после этой точки — к зоне всасывания. Другими словами, если циркуляционный насос врезать в трубопровод сразу после точки подсоединения расширительного бачка, то он будет отсасывать воду из бачка и нагнетать ее в систему, если насос установить перед точкой подсоединения бачка, то насос будет откачивать воду из системы и нагнетать ее в бачок.

Ну и что, какая нам разница откачивает насос воду из бачка или нагнетает в него, лишь бы он крутил ее по системе. А разница есть и существенная: в работу системы вмешивается статическое давление, создаваемое расширительным бачком. В трубопроводах, расположенных в зоне нагнетания насоса, следует считаться с повышением гидростатического давления по сравнению с давлением воды в состоянии покоя. Напротив, в трубопроводах расположенных в зоне всасывания насоса, необходимо учитывать понижение давления, при этом возможен случай, когда гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может возникнуть разрежение. То есть, в результате разности давлений в системе появляется опасность всасывания или высвобождения воздуха либо вскипания теплоносителя.

Во избежание нарушения циркуляции воды из-за ее вскипания или подсасывания воздуха при конструировании и гидравлическом расчете систем водяного отопления должно соблюдаться правило: в зоне всасывания в любой точке трубопроводов системы отопления гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным. Возможны четыре способа выполнения этого правила (рис. 13).

рис. 13. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и открытым расширительным бачком

1. Подъем расширительного бака на достаточную высоту (обычно не менее 80 см). Это достаточно простой способ при реконструкции систем с естественной циркуляцией в циркуляцию насосную, но требует значительного по высоте чердачного помещения и тщательного утепления расширительного бачка.
2. Перемещение расширительного бака к наиболее опасной верхней точке с целью включения верхней магистрали в зону нагнетания. Здесь необходимо сделать пояснение. В новых отопительных системах подающие трубопроводы с насосной циркуляцией делаются с уклонами не от котла, а к котлу, для того чтобы воздушные пузырьки двигались попутно с водой, так как побудительная сила циркуляционного насоса не даст им выплыть «против течения», как это было в системах с естественной циркуляцией. Поэтому верхняя точка системы получается не на главном стояке, а на наиболее удаленном. Для реконструкции старой системы с естественной циркуляцией в насосную этот способ достаточно трудоемок, так как требует переделки трубопроводов, а для создания новой системы — не оправдан, так как возможны другие, более удачные варианты.
3. Присоединение трубы расширительного бака вблизи всасывающего патрубка циркуляционного насоса. Другими словами, если реконструируем старую систему с естественной циркуляцией, то просто отрезаем бачок от подающей магистрали и перестыковываем его на обратку позади циркуляционного насоса и тем самым создаем для насоса наиболее благоприятные условия.
4. Отходим от привычной схемы размещения насоса на обратке и включаем его в подающую магистраль сразу после точки подсоединения расширительного бачка. При реконструкции системы с естественной циркуляцией это самый простой способ: просто врезаем насос в трубу подачи, ничего больше не переделывая. Однако к выбору насоса нужно отнестись очень внимательно, все-таки мы размещаем его в неблагоприятные условия высоких температур. Насос должен будет долго и надежно служить, а это могут гарантировать только солидные фирмы-изготовители.

Современный рынок сантехнической и отопительной арматуры позволяет заменить расширительные бачки открытого типа на закрытые. В закрытом бачке не происходит соприкосновения жидкости системы с воздухом: теплоноситель не испаряется и не обогащается кислородом. Это снижает потери тепла и воды, уменьшает внутреннюю коррозию отопительных приборов. Из закрытого бачка жидкость никогда не выльется наружу.

Расширительный бачок закрытого типа («экспанзомат») — капсула шарообразной или овальной формы, разделенная внутри герметичной мембраной на две части: воздушную и жидкостную. В воздушную часть корпуса под определенным давлением закачивается азотосодержащая смесь. До заполнения отопительной системы водой давление газовой смеси внутри бака плотно прижимает диафрагму к водяной части бака. Нагревание воды приводит к созданию рабочего давления и увеличению объема теплоносителя — мембрана выгибается в сторону газовой части бака. При максимальном рабочем давлении и максимальном увеличении объема воды происходит заполнение водяной части бака и максимальное сжатие газовой смеси. Если давление продолжает повышаться и продолжает расти объем теплоносителя, то срабатывает предохранительный клапан сбрасывающий воду (рис. 14).

рис. 14. Расширительный бачок мембранного типа

Объем бака подбирают таким, чтобы его полезный объем был не менее объема температурного расширения теплоносителя, а предварительное давление воздуха в газовой части бачка делают равным статическому давлению столба теплоносителя в системе. Такой подбор давления газовой смеси позволяет держать мембрану в равновесном (не в натянутом) положении при заполненной, но не включенной системе отопления.

Бачок закрытого типа можно поставить в любой точке системы, но, как правило, его устанавливают рядом с котлом, так как температура жидкости в месте установки расширительного бака должна быть по возможности минимальной. А мы уже знаем, что циркуляционный насос лучше всего устанавливать сразу за расширителем, где для него (да и для системы отопления в целом) создаются наиболее благоприятные условия (рис. 15).

рис. 15. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией и расширительным бачком закрытого типа

Однако при такой схеме системы отопления мы сталкиваемся с двумя проблемами: удалением воздуха и повышенным давлением на котле.

Если в системах с открытыми расширительными бачками воздух удалялся через расширитель противотоком (в системах с естественной циркуляцией) или попутно (в системах с насосной циркуляцией), то с закрытыми бачками такого не происходит. Система полностью замкнута и воздуху попросту негде вырваться наружу. Для удаления воздушных пробок в верхней точке трубопровода устанавливаются автоматические спускники воздуха — приборы, снабженные поплавками и запорными клапанами. По мере увеличения давления клапан срабатывает и стравливает воздух в атмосферу. Либо на каждый радиатор отопления устанавливаются краны Маевского. Эта деталь, установленная на отопительные приборы, позволяет спускать воздушную пробку непосредственно из радиаторов. Кран Маевского входит в комплект некоторых моделей радиаторов, но чаще предлагается отдельно.

рис. 16. Автоматический воздухоотводчик

Принцип действия воздухоотводчиков (рис. 16) заключается в том, что при отсутствии воздуха поплавок внутри прибора держит выпускной клапан закрытым. Когда воздух собирается в поплавковой камере, уровень воды внутри воздухоотводчика понижается. Поплавок опускается и открывается выпускной клапан, через который воздух выводится в атмосферу. После выхода воздуха уровень воды в воздухоотводчике повышается и поплавок всплывает, что приводит к закрытию выпускного клапана. Процесс продолжается до тех пор, пока воздух вновь не соберется в поплавковой камере и не понизит уровень воды, опуская поплавок. Автоматические воздухоотводчики изготавливаются разных конструкций, форм и размеров и могут устанавливаться как на магистральном трубопроводе, так и непосредственно (Г-образной формы) на радиаторах.

Кран Маевского, в отличие от автоматического воздухоотводчика, это в общем-то обычная пробка с воздухоотводным каналом и ввернутым в него конусным винтом: выворачиванием винта освобождается канал и воздух выходит наружу. Заворачивание винта закрывает канал. Также бывают воздухоотводчики, в которых вместо конусного винта используется металлический шарик, перекрывающий канал сброса воздуха.

Вместо автоматических воздухоотводчиков и кранов Маевского в систему отопления можно включить сепаратор воздуха. Этот прибор основан на применении закона Генри. Воздух, присутствующий в системах отопления, находится частично в растворенном виде, а частично в виде микропузырьков. При прохождении воды (вместе с воздухом) через систему она попадает в области различных температур и давлений. В соответствии с законом Генри в одних областях воздух будет выделяться из воды, а в других растворяться в ней. В котле теплоноситель нагревается до высокой температуры, поэтому именно в нем из содержащей воздух воды будет высвобождаться наибольшее количество воздуха в виде мельчайших пузырьков. Если их незамедлительно не отвести, то они растворятся в других местах системы, где температура меньше. Если удалить микропузырьки сразу за котлом, то на выходе сепаратора получим обезвоздушенную воду, которая будет поглощать воздух в разных местах системы. Этот эффект используется для поглощения воздуха в системе и выведения его в атмосферу посредством комбинации котла и сепаратора воздуха. Процесс продолжается постоянно до полного выведения воздуха из системы.

рис. 17. Сепаратор воздуха

Работа сепаратора воздуха (рис. 17) основана на принципе слияния микропузырьков. Практически это означает, что маленькие пузырьки воздуха прилипают к поверхности специальных колец и собираются вместе, образуя большие пузырьки, которые могут отделиться и всплыть в воздушную камеру сепаратора. Когда поток жидкости проходит через кольца, он расходится во множестве различных направлений, а конструкция колец такова, что вся жидкость, проходящая через них, вступает в контакт с их поверхностью, делая возможным прилипание микропузырьков и их слияние.

рис. 18. Принципиальные схемы систем отопления с насосной циркуляцией, расширительным бачком закрытого типа и сепаратором воздуха

Теперь немного отвлечемся от воздуха и вернемся обратно к циркуляционному насосу. В системах отопления с протяженными трубопроводами и, как следствие, с большими гидравлическими потерями, нередко требуются довольно мощные циркуляционные насосы, создающие давление на нагнетающем патрубке больше того, на которое рассчитан отопительный котел. Другими словами при размещении насоса на обратке непосредственно перед котлом могут потечь соединения в теплообменнике котла. Для того чтобы этого не произошло, мощные циркуляционные насосы устанавливают не перед котлом, а за ним — на подающем трубопроводе. И тут же встает вопрос: где размещать сепаратор воздуха, за насосом или перед ним? Ведущие изготовители отопительных систем решили этот вопрос и предлагают устанавливать сепаратор перед насосом (рис. 18), для предохранения его от повреждений пузырьками воздуха.

А теперь рассмотрим системы отопления с насосной циркуляцией более подробно.