Выбор циркуляционного насоса для системы отопления

Какой циркуляционный насос выбрать для системы отопления? Это один из важных вопросов, который возникает не только у монтажников этих систем, но и у владельцев частных домов. Этот вопрос обычно включает  в себя еще три:

1. Какому производителю отдать предпочтение?
2. Какую модель циркуляционного насоса выбрать?
3. По каким характеристикам и как подбирается насос?

Какому производителю отдать предпочтение?

На своих объектах мы используем преимущественно циркуляционные насосы Grundfos (производство Дании) и Wilo (производство Германии). Эти два производителя лучше других зарекомендовали себя в выпуске надежных, качественных насосов, соответствующих заявленным для них характеристикам. Поэтому в качестве "сердца" для ваших систем отопления, дорогие читатели, мы рекомендуем продукцию этих известных мировых брендов.

Какую модель циркуляционного насоса выбрать?

Упомянутые выше Grundfos и Wilo выпускают циркуляционные насосы бытового назначения разных моделей с одними и теми же основными характеристиками (напор и расход).

Примером тому может служить насос UPS 25-40 и Alpha2 L 25-40.

"Для чего?"- спросите вы. Причины для этого разные.

Одна из важнейших, заключается в том, что стоимость основных энергоносителей постоянно растет. Поэтому законодательство многих стран требует от производителей выпускать такие устройства, которые бы бережно относились к потреблению электроэнергии.

Введены классы энергоэффективности, по которым пользователь может быстро и точно определить насколько экономичным является покупаемое устройство.

Привлекая свою научно-техническую и производственную базы, а также практические наработки, собранные за многие годы, ведущие в этой области фирмы разрабатывают и предлагают на рынок новые высокоэкономичные товары. Например, упомянутый выше Alpha2 L 25-40 является высоко экономичным насосом с классом энергоэффективности A.

Но при всем этом они также не отказываются от моделей, отлично зарекомендовавших себя в работе и пользующихся большим спросом на рынке.

Другая причина напрямую затрагивает финансовые возможности покупателей. Не секрет, что новые разработки требуют немалых вложений. Не всегда в результате проведения разработок удается создать не только новый высокоэффективный насос, но при этом такой же по цене или даже дешевле. Скорее наоборот. Неужели из-за этой причины фирмы будут терять своих потенциальных клиентов, чьи возможности не позволяют пользоваться новинками? (Да и куда деваться человеку, который не может позволить себе дорогие устройства?) Конечно же нет! Поэтому разному уровню клиентов предлагаются товары разной ценовой категории.

Еще одна причина связана с конкуренцией. Сегодня рынок наводнен отопительным оборудованием, в том числе и циркуляционными насосами. Очень мощную конкуренцию создают производители из Китая, предоставляя на Российский рынок недорогие, даже дешевые устройства. Если не учитывать этот фактор, можно быстро потерять интерес рынка и спрос на свою продукцию.

Это лишь некоторые причины, объясняющие наличие на рынке разных моделей одного и того же бренда с равными основными характеристиками.

А теперь мы подошли к самому главному вопросу.

По каким характеристикам и как подбирается циркуляционный насос для системы отопления?

Циркуляционный насос выбирается по двум основным характеристикам:

1. G* - расходу, выраженному в м³/час;

2. H - напору, выраженному в м.

*Для записи расхода теплоносителя производители насосного оборудования пользуются буквой Q. Производители запорной арматуры, например, Данфосс для расчета расхода пользуется буквой G. В отечественной практике также используется эта буква. Поэтому в рамках объяснений этой статьи мы также будем пользоваться буквой G, Но в других статьях, подойдя непосредственно к разбору графика работы насоса, для расхода мы все же будем использовать букву Q.

Определение расхода (G, м³/час) теплоносителя при выборе насоса

Отправной точкой для подбора насоса служит количество тепла, которое теряет дом. Как это узнать? Для этого нужно сделать расчет теплопотерь.

Это сложный инженерный расчет, предполагающий знание многих составляющих. Поэтому в рамках этой статьи мы опустим это объяснение, а за основу количества теплопотерь возьмем одну из распространенных (но далеко не точных) методик, которой пользуются многие монтажные фирмы.

Ее суть заключается в некоем среднем показателе потерь на 1 м². Эта величина условна и составляет 100 Вт/м² (если дом или комната имеют неутепленные кирпичные стены, да еще недостаточной толщины, количество тепла, теряемого помещением, будет значительно больше. И наоборот, если ограждающие конструкции дома сделаны с применением современных материалов и имеют хорошую теплоизоляцию, потери тепла будут снижены и могут составлять 90 или 80 Вт/м²).

Итак, предположим, что вы имеете дом площадью 120 или 200 м². Тогда условленное нами количество теплопотерь для всего дома будет составлять:

120 * 100 = 12000 Вт или 12 кВт.

Какое это имеет отношение к насосу? Самое прямое. Процесс теплопотерь в доме происходит постоянно, а значит и процесс нагревания помещений (компенсация теплопотерь) должен идти постоянно.Представьте, что у вас нет насоса, нет трубопроводов. Как бы вы решили эту задачу? Чтобы компенсировать теплопотери вам пришлось бы сжигать какой-то вид топлива в отапливаемом помещении, например, дрова, что в принципе тысячелетиями люди и делали.

Но вы решили отказаться от дров и использовать для обогревания дома воду. Что вам пришлось бы делать? Вам пришлось бы брать ведро( -а), наливать туда воду и греть ее на костре или газовой плите до температуры кипения. После этого брать ведра и нести их в комнату, где вода отдавала бы свое тепло помещению. Затем брать другие ведра с водой и снова ставить их на костер или газовую плиту для нагревания воды, а затем нести их в комнату взамен первых. И так до бесконечности.

Сегодня за вас эту работу выполняет насос. Он заставляет воду двигаться к устройству, где она нагревается (котел), а затем для передачи сохраненного в воде тепла по трубопроводам направляет ее к отопительным приборам для компенсации теплопотерь в помещении.

Возникает вопрос: сколько нужно воды в еденицу времени, нагретой до заданной температуры, чтобы компенсировать теплопотери дома?

Как это посчитать?

Для этого нужно знать несколько величин:

• количество тепла, которое необходимо для компенсации тепловых потерь (в этой статье за основу мы взяли дом  площадью 120 м² с теплопотерями 12000 Вт)
• удельная теплоемкость воды равная 4200 Дж/кг * ^оС;
• разница между начальной температурой t1 (температура обратки) и конечной температурой t2 (температурой подачи), до которой нагревается теплоноситель (эта разница обозначается как ΔT и в теплотехнике для расчета систем радиаторного отопления определяется в 15 - 20 ^оС).

Эти значения нужно подставить в формулу:

G = Q / (c * (t1))

G - требуемый расход воды в системе отопления, кг/сек. (Этот параметр должен обеспечивать насос. Если купить насос с меньшим расходом, то он не сможет дать количество воды необходимое для компенсации тепловых потерь; если взять насос с завышенным расходом, это приведет к снижению его КПД, перерасходу электроэнергии и большим начальным затратам);

Q - количество тепла Вт, необходимое для компенсации теплопотерь;

t2 - температура конечная, до которой нужно нагреть воду (обычно 75, 80 или 90 ^оС);

t1 - температура начальная (температура теплоносителя, остывшего на 15 - 20 ^оС);

c - удельная теплоемкость воды, равная 4200 Дж/кг * ^оС.

Подставляем известные значения в формулу и получаем:

G = 12000 / 4200 * (80 - 60) = 0,143 кг/с

Такой расход теплоносителя в течение секунды необходим для компенсации тепловых потерь вашего дома площадью 120 м².

На практике пользуются расходом воды, перемещенным в течение 1 часа. В этом случае формула, пройдя некоторые преобразования принимает следующий вид:

G = 0,86 * Q / t2 - t1;

или

G = 0,86 * Q / ΔT

где ΔT - разность температур между подачей и обраткой (как мы уже увидели выше, ΔT - величина известная, закладываемая изначально в расчет).

Итак, какими бы сложными, на первый взгляд, не показались объяснения по подбору насоса, учитывая такую важную величину, как расход, сам расчет и, следовательно, подбор по этому параметру довольно прост.Все сводится к подстановке известных значений в простую формулу. Эту формулу можно "вбить" в программе Excel и пользоваться этим файлом, как быстрым калькулятором.

Потренируемся!

Задача: нужно подсчитать расход теплоносителя для дома площадью 490 м².

Решение:

Q (количество теплопотерь) = 490 * 100 = 49000 Вт = 49 кВт.

Проектный температурный режим между подачей и обраткой закладываем следующий: температура подачи - 80 ^оС, температура обратки - 60 ^оС (по-другому запись делается как 80/60 ^оС).

Следовательно, ΔT = 80 - 60 = 20 ^оС.

Теперь все значения подставляем в формулу:

G = 0,86 * Q / ΔT = 0,86 * 49 / 20 = 2,11 м³/час.

Как всем этим пользоваться непосредственно при выборе насоса, вы узнаете в заключительной части этой серии статей. А сейчас поговорим о второй важной характеристике - напоре.

Определение напора насоса.

Следующим важным параметром, по которому подбирается циркуляционный насос, является напор.

Как мы уже отмечали в предыдущей статье, насос "заставляет" теплоноситель "бегать" по замкнутому контуру, разнося тепло по комнатам дома.

На своем пути вода встречает повороты, ответвления, сужения и расширения участков трубопровода. Кроме того, ей приходится проходить целый ряд важных элементов системы отопления: фильтр грубой очистки, запорную и регулировочную арматуры, теплообменник котла и т.д.

Все перечисленные участки пути, по которым бежит вода, оказывают сопротивление ее движению. Чтобы преодолеть это сопротивление и вовремя доставить тепло нуждающимся в этом помещениям, воде нужно передать определенную побуждающую силу.

Вот этой силой и является такая важная характеристика, как напор, который измеряется в метрах водяного столба. Этот параметр, по сути, показывает: на какую высоту данный насос может поднять воду. Если он может поднять воду на эту высоту, то, соответственно, передаст воде такую же силу для преодоления гидравлического сопротивления трубопровода и элементов системы отопления на всем пути ее следования.

Спешим, однако, сказать, что в системе отопления сама геодезическая составляющая (количество этажей в здании, этаж, на котором стоит циркуляционный насос, а также этаж, на котором находится самый последний по высоте отопительный прибор и т.д.) не имеет никакого значения. В отличие от системы водоснабжения, где насосу приходится поднимать воду от одной точки до другой и создавать избыточное давление, система отопления является замкнутой. Теплоноситель в контуре течет за счет перепада давления, которое создает насос.

Как же все это посчитать и понять, какой напор нужен насосу?

Отталкиваться нужно от потерь давления в самой системе отопления.

Представьте, что вам нужно перевезти мебель из одного места в другое. С чего вы начнете решение этой задачи? Вы станете заказывать машину или сначала посмотрите объем мебели? Конечно же, прежде чем заказывать машину, вам нужно увидеть объем перевозимого груза. Это поможет определиться с маркой машины, ее грузоподъемностью и вместимостью. Также обстоит дело и при выборе напора насоса.

Чтобы понять, какой нужен напор, необходимо посчитать каким гидравлическим сопротивлением обладает сама система отопления, и какое препятствие она будет создавать движению воды.

Для этого расчета используют формулу:

ΔP = 1,3 * Σ [R * L] + ΣZ

ΔP - потеря давления в системе, Па (измеряется в Паскалях);

Как мы уже говорили, напор насоса измеряется в метрах, а систему считаем в Паскалях. Как соизмерить эти единицы, поговорим чуть дальше.

R - потери давления в трубах, Па/м;

L - длина труб в метрах всего контура отопления (подача и обратка), по которому циркулирует теплоноситель. Расчет ведется по самому длинному и нагруженному контуру (если контуров несколько). Также следует учитывать изменение диаметра трубопровода на разных участках. Поэтому длина конкретного участка считается отдельно.

Z - потери в других элементах системы, Па;

Σ - сумма (символ не несет конкретной цифры, а обозначает сумму тех чисел или параметров, который следуют за ним).

Применение формулы на практике.

По нанесенной на план схеме отопления, где уже проставлена тепловая нагрузка на каждый участок системы (нагрузку считаем, используя методику, приведенную в предыдущей статье), находим самое длинное циркуляционное кольцо. Если диаметр трубопровода на протяжении всего кольца не меняется, то просто записываем его длину. Если кольцо имеет трубы разного диаметра, то считаем общую длину труб каждого диаметра, включая подачу и обратку.

Дальше можно воспользоваться одним из двух способов определения сопротивления системы:

1. сопротивление, заложенное в проекте (от 100 до 150 Па/м);
2. сопротивление, создаваемое величиной расхода в зависимости от выбранной скорости движения теплоносителя - оптимальной считается скорость равная 0,3 - 0,7 м/c (по принципу: чем больше расход теплоносителя протекает через одно и то же сечение трубы, тем больше сопротивление движению теплоносителя оказывают внутренние стенки трубы и других элементов системы).

Первый способ - самый легкий для расчета. Сопротивление участков трубы закладывается на стадии проекта по показателям, выверенным на практике и прошедших апробацию в течение продолжительного времени.

Что это за показатели?

Это закладываемое сопротивление участка трубы вне зависимости от ее внутреннего диаметра, равное 100 - 150 Па/м.

Как это делается?

Практикой установлено, что гидравлическое сопротивление трубопровода, равное 100 - 150 Па/м, является наиболее приемлемым с точки зрения оптимизации по: стоимости материала, трудозатратам, выполнению требований СНиП, а также будущим энергозатратам, связанным с работой циркуляционного насоса и других устройств.

Поэтому, заложив, к примеру, сопротивление, равное 100 Па/м, проектировщик приступает к расчету расхода теплоносителя на магистралях, ветках, стояках и т.д., по которым тепло движется в отапливаемые помещения.

Рассчитав тепловые нагрузки и пользуясь заложенными в проект сопротивлением (100 Па/м), проектировщик увеличивает или уменьшает внутренний диаметр трубопровода.

А чем пользуется проектировщик, чтобы понять: когда сопротивление трубопровода при расчетной величине лежит в пределах заложенного сопротивления, а когда выходит за этот предел?

Хотя для этого есть специальные формулы, в большинстве случаев пользуются готовым таблицами, взятыми у производителя трубопровода или из приложений справочников. Пример такой таблицы вы можете посмотреть ниже (для увеличения картинки кликните левой кнопкой мышки по изображению).

Итак, чем же прост этот способ расчета сопротивления отопительной системы дома?

Тем, что измерив длину труб самого протяженного циркуляционного кольца (включая подачу и обратку), вы умножаете ее на 100 Па/м и получаете гидравлическое сопротивление основного циркуляционного кольца.

Затем полученную цифру увеличиваете на 30% (в большинстве случаев этого достаточно, чтобы учесть потери давления на угольниках, тройниках, не считая их количество и их КМС - коэффициент местного сопротивления). 

Далее к полученной цифре вы прибавляете потери давления на фильтре грубой очистки в чистом состоянии (данные берутся в каталоге конкретного производителя), потери давления в котле и потери давления на запорной и регулировочной арматуре.  Все перечисленные данные берутся из паспортов или каталогов конкретного производителя. 

  Выполнив все действия, вы рассчитали потери давления в основном циркуляционном кольце системы отопления.

"Очень долго и сложно", - скажете вы. Нет! На самом деле, на практике все происходит гораздо быстрее. И пример, рассмотренный ниже, доказательство этому.

Давайте посчитаем потери давления в системе отопления жилого дома, для которого мы рассчитывали расход теплоносителя.

Напомним, площадь дома равна 490 м².

Предположим, что дом четырехуровневый с цокольным этажом, где находится котел и насос. В результате замера, учитывая выбранную схему системы отопления, длина всех труб самого длинного циркуляционного кольца (включая подачу и обратку) у вас получилась 90 м.

В проекте вы решили заложить потери давления в трубопроводе, равные 150 Па/м. В системе у вас заложен фильтр грубой очистки с потерями давления 5000 Па (из каталога производителя). Также установлен котел, потери давления в котором составляют 1770 Па. И не забудем добавить 30% потерь давления от потерь трубопровода на повороты, сужения и ответвления.

Подставляем полученные значения в формулу и получаем:

1,3 * (90 * 150) + 1770 + 5000 = 24320 Па.

Таковы потери давления в нашей системе.

Чтобы подобрать насос, переведем Паскали в метры.

1 м = 9807 Па (или приблизительно в 1 м - 10000 Па).

В нашем случае мы получили потерю давления в системе отопления, равную

24320 / 9807 = 2,48 м.

А теперь будем подбирать насос, но сначала поговорим о таких понятиях как:

• кривая работы насоса;
• рабочая точка насоса;
• КПД.

Зависимости напора и расхода при работе насоса, рабочая точка насоса и системы отопления.

Давайте возьмем условный циркуляционный насос с напором 4 м и максимальным расходом 4 л/мин. и проделаем следующий эксперимент.

Для начала входную часть насоса (сторону, где он создает область пониженного давления) присоединим к емкости с водой, а другую часть - к тройнику, куда вкручена вертикальная труба (высотой чуть больше 4 м) и вентиль (см. рисунок). Вентиль закроем.

Теперь включим его и увидим, как столб жидкости поднимется на высоту 4 м. В этом состоянии расход насоса нулевой, а напор максимальный.

Теперь полностью откроем вентиль. Мы увидим, что вода, вместо того, чтобы подняться по трубе, льется полным потоком через горизонтальную часть тройника (см. следующий рисунок).

В этом эксперименте мы с вами наблюдали два важных состояния работы циркуляционного насоса: работу насоса, когда расход нулевой (работа на закрытую задвижку) и работу насоса на максимальный расход, когда расход настолько велик, что насос не может больше "дать" воде дополнительного усилия, достаточного не только на свободный излив, но еще и на подъем по трубе.

Построим график и отметим на нем оба состояния работы циркуляционного насоса точками.

Теперь прикроем наш вентиль настолько, чтобы вода по трубе поднялась до отметки 1 м, а расход составил бы 3 л/мин. Отметим и эту точку на нашем графике.

>Проделаем то же самое еще 2 раза. Каждый раз будем прикрывать вентиль так, чтобы вода смогла подняться сначала на 2 м, а потом на 3 м. В каждом случае мы будем наблюдать, как расход будет уменьшаться. Сначала он упадет с 3 л/мин до 2 л/мин, а затем он снизится до 1 л/мин.

Отметим эти изменения на графике.

Теперь соединим эти точки. Мы получили линию работы насоса, из которой ясно видны зависимости:

• при увеличении расхода напор падает;

• при уменьшении расхода напор увеличивается;

• при нулевом расходе (закрытом вентиле) напор достигает своей максимальной величины;

• при нулевом напоре расход достигает своего наибольшего значения.

Точки, которые мы с вами получили называются рабочими точками. Это точки, в которых пересекаются характеристики насоса и системы отопления. Два состояния работы насоса на закрытую задвижку, когда напор максимальный или когда максимальный расход, а напор нулевой являются недопустимыми.

В этом положении насос не создает никакой полезной работы. Более  того, он находится в аварийном режиме, что быстро приведет его к выходу из строя. Давайте создадим еще один график, отражающий параметры проектируемой системы отопления (водьмем пример из 2 и 3 статей).

Напомню, за основу мы брали четырехуровневый дом площадью 490 м² с цокольным этажом, где расположен котел и циркуляционный насос. В результате расчетов мы получили расход G = 2,11 м³/час и напор H = 2,48 м. (У производителей насосного оборудования принято расход обозначать буквой Q).

Какой насос нужен для таких значений этих параметров?

Берем каталог фирмы Grundfos и, просматривая графики циркуляционных насосов для бытового назначения, находим, что это UPS 32 - 60. Первые две цифры обозначают диаметры подключаемых штуцеров насоса, а вторые две цифры - напор, выраженный в дециметрах (1 м = 10 дм).

Подобрав циркуляционный насос, давайте задумаемся. А что весь отопительный сезон насос так и работает в этой точке?Конечно же, нет!

Весь расчет системы отопления делается согласно нормативам, которые гласят: "Расчетная тепловая мощность системы определяется на основе составления теплового баланса в обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха, называемой расчетной (средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92). А где можно посмотреть эту расчетную температуру наиболее холодной пятидневки? В таблицах СНиП 23-01-99 "Строительная климатология".

Там в алфавитном порядке представлены наименования областных  и краевых центров по всей территории РФ. Для Воронежа температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 составляет - 26 ^оС. Именно на эту температуру считаются теплопотери и мощность отопительной системы.

Всегда ли в течение отопительного периода стоит такая температура? Нет.Когда тепло или не очень холодно, владельцы частных домов прикрывают отдельные отопительные приборы, чтобы не было жарко (в современных системах отопления это делается автоматически за счет термостатических клапанов или датчиков, которые подключены к узлам автоматики).

Иными словами изменяется гидравлическое сопротивление, как отдельных узлов системы отопления, так и всей системы. Изменяется также и расход теплоносителя. Соответственно рабочая точка насоса не стоит на месте, она перемещается. И большую свою часть циркуляционник работает не в этой крайней правой зоне, а левее.

Осознание этого помогает понять, почему нужно стараться, чтобы подбираемая на самый холодный период отопительного сезона рабочая точка лежала в правой части графика. В этом случае (при смещении этой точки левее) большую часть времени насос будет работать в самой продуктивной области - области наибольшего КПД.

Подбор характеристик циркуляционного насоса по рабочей точке, находящейся в зоне максимального КПД.

Мы с вами подошли к последнему важному параметру (если опустить явление кавитации), который обязательно нужно учитывать, подбирая насос для системы отопления. К счастью, нам с вами не нужно делать никаких расчетов, потому что уважающие себя производители насосного оборудования размещают в паспортах своих изделий не только график зависимости напора H от расхода Q, но и график КПД. Этот график накладывается или располагается чуть ниже графика Q/H. Ниже вы можете посмотреть пример такого графика.

Для долговечной работы циркуляционного насоса необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из рабочей точки насоса на график, расположенный ниже, попадал в зону наибольшего КПД или чуть правее (в некоторых случаях кривая КПД уже начинает идти на спад). Как было отмечено выше, рабочая точка рассчитывается на самую холодную пятидневку, т.е. насос в этой точке будет работать очень короткое время.

В остальное же время его рабочая точка будет перемещаться левее по графику. Точно также, левее, будет передвигаться и опущенный на кривую перпендикуляр КПД. Для более точного позиционирования, давайте опустим направления "левее", "правее" и введем более точные определения.

Разобьм горизонтальную часть графика, на которую нанесена характеристика расхода, на три зоны - 3/3. (См. рисунок).

Теперь поднимем от размеченных границ этих зон три перпендикуляра так, чтобы они пересеклись с кривой характеристики насоса. Рабочая зона насоса у нас с вами разделилась на три части.

Подбирая насос, старайтесь убедиться, что большую часть отопительного сезона он проработает во второй трети характеристики насоса. Это гарантирует работу насоса при оптимальном КПД.Чем большее времени насос отработает в зоне повышенного КПД, тем больше полезной работы он совершит, радуя своей долговечной работой владельцев частных домов.