Отопление в частном доме с применением циркуляционных насосов

Сегодня редко встретишь систему обогрева дома, построенную по классической гравитационной схеме. Практически везде применяется циркуляционный насос для отопления. Это устройство полезно и функционально, однако снижает общие требования к точности проектирования трубопроводной сети. Одновременно без принудительного источника циркуляции невозможна работа таких технологичных систем отопления в частном доме или квартире, как теплый пол.

Устройство и принцип работы циркуляционного насоса

Устройство циркуляционного насоса — реализация стандартной схемы центробежной машины. В основные конструкционные узлы входят:

• корпус насоса;
• ротор, передающий вращение от вала двигателя блоку турбины;
• крыльчатка турбины с наклонными лопатками, которую еще называют рабочим колесом;
• средства уплотнения, изоляции от воды или теплоносителя;
• основная электрическая схема, переключающая режимы работы и осуществляющая контроль параметров двигателя.

Насосы для циркуляции могут иметь различную форму корпуса и расположение отводных и входных патрубков. Это сделано, чтобы устройство просто монтировалось, обслуживалось в условиях эксплуатации, для которого оно разработано. В частности, подбор насоса можно сделать по типу подключения: с фланцем, резьбовым соединением, гайкой.

Циркулирующий насос имеет небольшие габариты. Его часто встраивают непосредственно во внутреннюю полость корпуса бытовых газовых котлов отопления. В сборе с насосом могут устанавливаться устройства безопасности. Малые размеры нагнетателя легко понять, если учесть назначение циркуляционных насосов. От них не требуется рекордная мощность подачи жидкости. Фактически, они двигают воду буквально в горизонтальном направлении.

Задача циркуляционных насосов — преодолевать гидравлическое сопротивление трубопроводов. Если рассматривается коллекторная группа теплого пола, нагнетатель занят созданием потока очень малого объема как такового, так как никаких значимых гравитационных сил в отопительной схеме этого типа не существует.

Принцип работы циркуляционного насоса можно проиллюстрировать несколькими пунктами.

1. Теплоноситель поступает во входной патрубок.
2. При включении двигателя момент вращения передается через ротор на колесо турбины.
3. Вращаясь, колесо наклонными лопатками перемещает воду, которая движется к краю диска под действием механики (распределение сил по наклонной плоскости), а также благодаря центробежной силе.
4. По мере приближения к краю диска, скорость потока воды растет, как и ее давление.
5. Жидкость выбрасывается в выходной патрубок.

По мере движения воды или теплоносителя к краю турбинного колеса во входном патрубке возникает разрежение, он захватывает новую порцию рабочего тела для транспортировки.

Важно! Циркуляционный насос газового или твердотопливного котла способен эффективно обслуживать определенную длину трубопроводов, прокачивая заявленный в характеристиках объем теплоносителя. Если требуется большая производительность и напор — не обязательно покупать отдельный, внешний нагнетатель. В систему можно установить дополнительный насос, который создаст необходимый поток или поможет поднять воду на второй этаж. Так же поступают, когда строиться распределенная, зонированная система теплого пола.

Как обычная домашняя, так и система отопления с двумя насосами может использовать различные типы нагнетателей. Главное отличие предлагаемых на рынке моделей в инженерном решении зоны ротор-турбина.

Насосы с мокрым ротором

Насосы для циркуляции с мокрым ротором — самый распространенный тип нагнетателей для системы отопления частного дома или квартиры. Устройства так названы из-за того, что работа узлов происходит непосредственно в теплоносителе.

1. Ротор помещается в специальный стакан с уплотнительной или вихревой защитой от протечек.
2. Во время работы детали ротора, включая подшипники скольжения, находятся в воде или теплоносителе.
3. Происходит непрерывная смазка и охлаждение частей конструкции.

Благодаря таким особенностям работы мокрые системы отличаются стабильностью, отсутствием необходимости в обслуживании, низким шумом.

Чтобы в область ротора не попал воздух, насос оснащается выпускными отводами. Верхний предназначен для работы автоматизированной системы, а через находящийся в передней части корпуса спускают газ во время пусконаладочных операций или регулировки.

Важно! Работа насоса с мокрым ротором при условии попадания воздуха в трубопроводы вызывает резко растущий износ движущихся частей, перегрев, заклинивание или непоправимую поломку оборудования. Не рекомендуется присутствие в теплоносителе абразивных частиц. Поэтому водяной насос с мокрым ротором следует устанавливать только в закрытой системе отопления.

Насосы с сухим ротором

Насос с сухим ротором исполняется с тщательным изолированием блока турбины от протечек. Система имеет ряд достоинств и недостатков.

1. Преимущество сухих систем в лучшем охлаждении — большинство узлов не соприкасается в системе отопления с горячим теплоносителем.
2. Сухие насосы более шумные.
3. Общий уровень надежности насосов с сухим ротором ниже из-за большего количества уплотнителей, отсутствия постоянной смазки.

Однако главное достоинство нагнетателей сухого типа заключается в том, что они не боятся завоздушивания. Им также меньше мешает абразивная взвесь в воде — от нее страдает только турбина, у которой ресурс выработки на отказ гораздо выше, чем у блока ротора с его подшипниками скольжения. Поэтому такие нагнетатели стоит выбрать, если строится открытая система отопления с циркуляционным насосом.

Насосы с регулировкой скорости

Скорость насоса в системе отопления играет большую роль. При помощи ее изменения можно добиться:

• оптимального режима работы нагревательного оборудования;
• стабилизации температуры всех радиаторов, вне зависимости от дальности их расположения от котла;
• уменьшения температуры теплоносителя при неизменной эффективности отопления, так как при большей скорости циркуляции вода каждый проход теряет меньше энергии.

Сегодня на рынке представлены различные технические решения насосов. Домашнее отопление может использовать односкоростную модель, производительность которой нужно выбрать в соответствии с характеристиками котла и общего объема теплоносителя. Предлагаются двух, трех, четырехскоростные модели. Их работа основана на изменении схемы коммутации полюсных пар двигателя.

Более технологичное, но и ощутимо дорогое решение — частотное управление. Насос такого типа обеспечивает не ступенчатое переключение, а плавное регулирование скорости. Это позволяет очень тонко настроить работу отопительного контура.

Применение циркуляционных насосов в отоплении дома

Поскольку выше уже были упомянуты некоторые особенности эксплуатации циркуляционных насосов для воды в различных схемах отопления, следует подробнее коснуться главных черт их организации. Стоит отметить, что в любом случае нагнетатель ставится на трубе обратной подачи, если домашнее отопление подразумевает подъем жидкости на второй этаж — там устанавливается еще один экземпляр нагнетателя.

Закрытая система

Самая главная черта закрытой системы отопления — герметизация. Здесь:

• теплоноситель никак не соприкасается с воздухом в помещении;
• внутри герметичной системы трубопроводов давление выше атмосферного;
• расширительный бак построен по схеме гидрокомпенсатора, с мембраной и областью воздуха, создающего обратное давление и компенсирующая расширение теплоносителя при нагревании.

На заметку! Для закрытой схемы можно сделать расширительной бак своими руками. Его емкость рассчитывается по простым формулам, зависит от общего объема воды в системе.

Достоинств у закрытой системы отопления множество. Это и возможность провести обессоливание теплоносителя для нулевого осадка и накипи на теплообменнике котла, и заливка антифриза для предотвращения замерзания, и возможность использовать для передачи тепла широкий ряд составов и веществ, начиная от водно-спиртового раствора, заканчивая машинным маслом.

Схема закрытой системы отопления с насосом однотрубного и двухтрубного типа выглядит следующим образом:

При установке гаек Маевского на радиаторах отопления улучшается настройка контура, не нужна отдельная система выпуска воздуха и предохранители перед циркуляционным насосом.

Важно! Закрытая система отопления, построенная без наклона труб, соблюдения уровня основных линий движения теплоносителя, не работает без циркуляционного насоса. Она также не функционирует при отключении электропитания.

Открытая система отопления

Внешние характеристики открытой системы похожи на закрытую: те же трубопроводы, радиаторы отопления, расширительный бак. Но есть кардинальные отличия в механике работы.

1. Основная движущая сила теплоносителя — гравитационная. Нагретая вода поднимается вверх по разгонной трубе, для увеличения циркуляции ее рекомендуют делать как можно длиннее.
2. Трубы подачи и обратки располагают под наклоном.
3. Расширительный бак — открытого типа. В нем теплоноситель соприкасается с воздухом.
4. Давление внутри открытой системы отопления равно атмосферному.
5. Циркуляционный насос, установленный на обратке подачи, выполняет роль усилителя циркуляции. Его задача состоит также в компенсации недостатков системы трубопроводов: излишнего гидравлического сопротивления из-за избыточных стыков и поворотом, нарушение углов наклона и прочего.

Открытая система отопления требует обслуживания, в частности, постоянном доливе теплоносителя для компенсации испарения из открытого бака. Также в сети трубопроводов и радиаторов постоянно идут процессы коррозии, из-за чего вода насыщается абразивными частицами, и рекомендуется устанавливать циркуляционный насос с сухим ротором.

Схема открытой системы отопления выглядит следующим образом:

Открытую систему отопления при правильных углах наклона и достаточной высоте разгонной трубы можно эксплуатировать и при отключении электропитания (прекращении работы циркуляционного насоса). Для этого в структуре трубопроводов делают байпас. Схема отопления выглядит так:

При прекращении подачи электричества достаточно открыть кран на обводной петле байпаса, чтобы система продолжила работу на гравитационной схеме циркуляции. Данный блок также делает более простым начальный запуск отопления.

Система теплый пол

В системе теплого пола правильный расчет циркуляционного насоса и выбор надежной модели — гарантия стабильной работы системы. Без принудительного нагнетания воды такая структура просто не может работать. Принцип установки насоса следующий:

• на входной патрубок подается горячая вода из котла, которая через блок смесителя перемешивается с обраткой теплого пола;
• подающий коллектор для теплого пола присоединяется к выходному патрубку насоса.

Распределительно-регулирующий узел теплого пола выглядит следующим образом:

Система работает по следующему принципу.

1. На входе насоса устанавливается основной терморегулятор, управляющий смесительным узлом. Он может получать данные из внешнего источника, например, выносных датчиков в комнате.
2. В подающий коллектор приходит горячая вода установленной температуры и расходится по сети теплого пола.
3. Пришедшая обратка имеет более низкую температуру, чем подача из котла.
4. Терморегулятор с помощью узла смесителя меняет пропорции горячего потока котла и остывшей обратки.
5. Через насос подается вода установленной температуры на входной распределительный коллектор теплого пола.

Важно! В такой структуре нет гравитационной составляющей циркуляции. Поэтому при отключении питания и насоса теплый пол просто не работает.

Расчет циркуляционного насоса

Циркуляционный насос в отопительной системе дома должен решать главную задачу: обеспечивать достаточную для отдачи нормированного количества прокачку рабочего тела. То есть, прокачивать по трубам проходить такой объем теплоносителя, который при остывании в одном цикле передаст воздуху комнат энергию, указанную в СНиП (как минимум).

При расчете используются нормы для самого холодного времени года. А именно, при требованиях отдачи тепла на уровне 173-177 Вт/кв.м в условиях температуры воздуха на улице от -25 до -35 градусов. Данная норма действительна для одно- и двухэтажных строений. В домах большей высоты принимается отдача в 100 Вт/кв.м.

По данным показателям вычисляется, в первую очередь, мощность главного нагревателя, электрического, газового, жидко или твердотопливного котла. Основной параметр циркуляционного насоса, расход или производительность, быстро и удобно вычисляется на основании характеристик отопителя. Для этого достаточно поделить мощность котла в Ваттах на дельту температур, показатель остывания воды за один рабочий цикл. Это разница между подачей и обраткой. На практике ее принимают равной 20-25, так как на выходе котла теплоноситель имеет 80-95%, а после прохода через батареи от 60 до 70 градусов Цельсия.

Однако вычислить производительность насоса — только половина дела. Его характеристик должно быть достаточно для преодоления гидравлического сопротивления всей сети труб внутри дома. Оно приводится к параметру напора насоса в таком соотношении: 100 Па/м соответствует 0,01 м.

Для расчета гидравлического сопротивления трубной сети внутри дома игнорируют его этажность. Причина проста: длина труб подъема воды от котла практически всегда равна протяженности обратки. Для расчета гидравлического сопротивления обычно используют специальные формулы, учитывающие все особенности распределительной сети.

Пример расчета циркуляционного насоса

Есть и упрощенный вариант расчета. В расчете используются следующие допущения:

• один метр прямой трубы создает сопротивление от 100 до 150 Па на каждый метр, в зависимости от материала;
• использование фитингов увеличивает сопротивление сети на 30%;
• при использовании трехходовых смесителей нужно добавить еще 20% от прямого сопротивления к конечному результату.

Порядок расчета выглядит так: сначала измеряют общую протяженность труб. Умножая ее на нормированное сопротивление, получают базовый результат. Затем к нему добавляют потери. То есть, прибавляют проценты для фитингов, смесителей, поворотов. Если сеть построена по однотрубной схеме и в радиаторах используются терморегулирующие вентили, к итоговому результату добавляют 70% от базового значения сопротивления.

Существует мнение, что полученные в итоге расчетов целевые параметры циркуляционного насоса описывают технический максимум. А на практике можно взять устройство с заниженными показателями. Однако упрощенный расчет означает достаточно серьезный люфт в итоговых результатах. Множество факторов остаются неучтенными.

Совет при этом можно дать довольно простой: покупать циркуляционный насос с регулятором скорости. Он позволит эмпирически подобрать параметрику, если устройство работает в постоянном режиме.

Другие параметры для выбора насоса

Кроме ключевых параметров, при выборе конкретной модели нужно обращать внимание еще на ряд ее важных характеристик.

Рабочая температура

В документации к насосу указывается, с какой температурой теплоносителя он может работать. У большинства производителей, особенно моделей бюджетного сегмента, данный показатель завышен. Так, если заявлено 90% на недорогом устройстве, на практике оно сможет безаварийно работать с теплоносителем в 70-80 градусов Цельсия.

Здесь ключевое требование — соответствовать параметрам нагревателя и сети отопления в целом. В системе теплых полов температура воды достаточно низка. Равно как и в нескольких других схемах. А вот при использовании нагревательного котла потребуется или покупать достаточно дорогой насос, либо регулировать температуру воды на входе трубной сети.

Качественные и надежные циркуляционники имеют допустимые параметры рабочего тела в 110-130 градусов. Цена таких решений высока. Однако претензий к их надежности у пользователей — минимум.

Рабочее давление

В одно и двухэтажных домах давление в отопительной сети обычно не превышает 2 атм. Очень редко этот параметр составляет от 3 до 4 атм. Правильно рассчитанный по характеристике напора насос справится с возложенной на него задачей. Однако если нужно выбрать недорогой циркуляционник, на его показатель рабочего давления стоит обратить пристальное внимание.

Системы защиты

Автоматика защиты — крайне полезная опция циркуляционного насоса. Она значительно продляет срок службы устройства или блокирует возникновения аварийных ситуаций. Сегодня распространены два типа защиты.

1. От перегрева. Термопара, контролирующая температуру электродвигателя, автоматически выключит насос при его перегреве.
2. От сухого хода. Особенно важна в моделях с мокрым ротором. Она не даст перегреться двигателю.

Кроме заботы о двигателе, защита от сухого хода играет еще одну роль. Она останавливает насос, тем самым не позволяя крыльчатке и уплотнителям выйти из строя. Исключаются заклинивания и повреждения.

Количество скоростей

При правильном расчете не имеет значения, сколько скоростей у циркуляционника. Но если хочется оптимизировать работу системы, добиться меньшего уровня шума и экономить энергию, стоит обратить внимание на трехрежимные модели. Это доступный по цене домашний вариант.

Насос циркуляционный Grundfos ALPHA2 32-40, 3 скорости

Более сложные насосы могут иметь большее число скоростей или регулироваться электроникой по внешнему сигналу, обеспечивая плавную отдачу мощности и полностью контролируемый расход.

Конструкционное исполнение

Говоря о конструкционном исполнении, имеются в виду размеры штуцеров, габариты и материал корпуса. Относительно последнего все просто. Чугунные корпуса прочны, долговечны, способствуют лучшему отводу тепла от двигателя. Недорогие пластиковые практичны и приемлемы для насосов, устанавливаемых в местах, где им не грозят перепады температуры или механические повреждения.

Штуцеры в идеале должны соответствовать параметрам сети. То есть для пластиковой трубы 25 мм выбирается насос с такой же характеристикой. Больший диаметр штуцера допускается. Насос можно подключить при помощи переходников разного рода. А вот меньший диаметр — не допускается.

Размеры насоса стандартизированы

Габариты стандартного насоса нормированы. Это 180 мм между точками подключения на штуцерах. Все байпасы и сгоны, которые предлагаются в магазинах, рассчитаны именно на такой размер. Есть более компактные решения, для размещения внутри оборудования или в условиях ограниченного пространства. Длина такого насоса 130 мм.

Маркировка насоса

Все нужные пользователю данные содержит маркировка на передней панели. Цифры на циркуляционном насосе означают:

• тип устройства (чаще всего это UP — циркуляционный);
• тип регулировки скорости (не указан — односкоростной, S — ступенчатое переключение, E — плавное частотное регулирование);
• диаметр патрубков (указывается в миллиметрах, означает внутренний габарит трубы);
• напор в дециметрах или метрах (может отличаться у разных производителей);
• монтажный габарит.

Маркировка насоса содержит сведения и о типах соединений подводящих и выходных труб. Полная схема кодирования и порядка следования слов выглядит так:

Ответственные производители всегда следуют стандартным правилам маркировки. Однако отдельные компании могут не указывать часть данных, например, монтажный габарит. Его нужно узнавать непосредственно из документации к устройству.

Стоит выбирать насос только от проверенных брендов. Надежные устройства представлены и в средней ценовой категории. А если нужно высочайшее качество и есть возможность заплатить в полтора-два раза больше — следует обратить внимание на изделия марок GRUNDOFS, WILO.

Заключение

Сегодня на рынке можно купить любой циркуляционный насос. Для пользователя главное — правильно рассчитать требуемые показатели нагнетателя. И тогда, если не покупать откровенно бросовые изделия китайской гаражной промышленности, система отопления с качественным насосом будет функционировать долго, безотказно и стабильно.