Мощность насоса: формулы для проведения расчетов, КПД насосов – от чего зависит

Для чего необходимы расчеты

Большинство современных децентрализованных систем отопления для поддержания определенной температуры в жилых помещениях оснащены центробежными насосами, которые обеспечивают бесперебойную циркуляцию жидкости в отопительных контурах.

Повышая давление в системе, можно снизить температуру воды на выходе из отопительного котла, тем самым уменьшая суточное потребление газа котлом.

С помощью правильно подобранного циркуляционного насоса можно повысить уровень эффективности в отопительный сезон и обеспечить комфортную температуру в помещениях любого размера.

Какую пользу способен принести насос в системе отопления?

Те жители многоквартирных домов, чьи квартиры расположены на высоких этажах, часто сталкиваются с таким явлением, как холодные радиаторы. Это происходит потому, что давление в системе недостаточно для обеспечения нормальной работы.

Из-за низкой скорости циркуляции вода достигает нижних этажей после остывания. Похожую картину можно наблюдать и в частных домах: если потрогать крайние части отопительной системы, они также окажутся слишком холодными. Однако сегодня это можно легко исправить, установив циркуляционный насос.

Чаще всего, используя систему естественной циркуляции, системы отопления способны вырабатывать достаточно тепла для небольших частных домов. Однако даже их владельцам не помешает перейти на систему отопления с принудительной циркуляцией. Дело в том, что такое решение принесет им пользу, снизив общие расходы на отопление.

В упрощенном описании насосной системы она выглядит как двигатель с крыльчаткой в воде.

При вращении крыльчатки жидкость начинает двигаться по контуру с определенной скоростью, благодаря чему в системе поддерживается необходимый уровень давления. Также можно выбрать желаемый режим работы насоса.

Это позволит, например, все комнаты в доме, которые долгое время отсутствовали, обогреть в кратчайшие сроки. После устранения этой проблемы можно вернуться к первоначальным настройкам, которые обеспечат производство системой максимального количества тепловой энергии при минимальных затратах.

Все модели циркуляционных насосов, представленные в настоящее время на рынке, можно разделить на два типа:

• сухие рабочие колеса;
• модели с «мокрым» рабочим колесом.

Первый тип характеризуется тем, что его рабочее колесо не полностью погружено в охлаждающую жидкость. Что касается второго типа, то их рабочее колесо всегда находится в воде. Разница в том, что насосы с «мокрым» рабочим колесом производят меньше шума.

Особенности расчета характеристик насоса?

При выборе подходящего насоса для вашей системы отопления важно помнить, что он должен выполнять следующие функции:

• для поддержания давления в рабочем контуре, чтобы теплоноситель мог преодолеть гидравлическое сопротивление, создаваемое его отдельными компонентами;
• позволяя циркулировать по системе количеству тепловой энергии, необходимой для обогрева здания.

Учитывая эти параметры, первым шагом при выборе системы циркуляционного насоса является определение количества тепла, необходимого зданию.

Также важно рассчитать общее гидравлическое сопротивление для эффективной системы отопления. Не зная этих характеристик, владелец не сможет выбрать модель насоса, которая будет эффективно выполнять свою задачу.

Как определить производительность насоса?

В формулах, используемых для определения эффективности насосной системы, этот параметр чаще всего обозначается как Q. Это количество тепловой энергии, которое может пройти через систему за единицу времени. Если углубиться в используемую формулу, то она выглядит следующим образом:

Q=0,86R/TF-TR, где:

• Q — объемный расход, кубических метров в час;
• R — тепловая мощность, подаваемая в помещение, кВт;
• TF — температура на входе в систему, градусы Цельсия;
• TR — температура на выходе из системы, градусы Цельсия.

Для того чтобы определить количество тепла(R), в котором нуждается помещение, необходимо принять во внимание условия. Если говорить о европейских методах расчета, то они определяются следующими стандартами:

• Для небольшого отдельно стоящего дома с не более чем двумя квартирами оптимальным значением является 100 ватт на квадратный метр;
• для многоквартирного дома это значение должно составлять 70 ватт на квадратный метр.

Для объектов с низкой теплоизоляцией требуется немного большее значение стандарта. Если значение необходимо определить для производственных помещений и объектов с очень высокой теплоизоляцией, оптимальное значение должно составлять от 30 до 50 киловатт на квадратный метр.

Что нужно знать, чтобы рассчитать мощность

Чтобы понять сам алгоритм расчета циркулятора, необходимо начать с параметра, точность которого не должна вызывать сомнений. Для этого необходимо открыть технический паспорт помещения, в котором вы планируете установить автономную систему отопления, и выяснить его площадь. Для примера возьмем односемейное здание (частный дом) площадью 300 м².

Следующим шагом является определение значений, необходимых для расчета.

Нам необходимо знать три основных параметра:

• Qn — мощность источника тепла (кВт);
• Qpu — производительность циркуляционного насоса, объемная производительность теплоносителя для выбранного типа помещения (м³/ч);
• Hpu — мощность напора, необходимая для преодоления гидравлического сопротивления установки (м).

Расчет мощности источника тепла (АОГВ)

В зависимости от размера или объема помещения, каждый объект недвижимости имеет свой технический стандарт на мощность нагрева источника.

Для расчета этого параметра мы используем следующую формулу:

Qn = Sn × Qud ÷ 1000.

Символ	Параметр	Единица измерения
Qn	эффективность источника тепла	кВт
Sn	нагретая поверхность	м²
Qud	удельная потребность в отоплении помещений	Вт/м²

Мы знаем площадь обогреваемой поверхности (300 м²), а второе значение зависит от типа здания: если это многоквартирный дом, то значение составляет 70 Вт/м², в нашем случае (отдельно стоящее здание) — 100 Вт/м².

Подставим эти значения в формулу и посмотрим, что получится:

300 × 100 ÷ 1000 = 30 кВт.

Таким образом, мощность радиатора для нашей комнаты составляет 30 кВт. Существует и другой метод определения этой величины.

Объем отапливаемого помещения и мощность отопительного прибора приведены в таблице ниже.

Тепловая мощность	Объем помещения нового дома (м³)	Объем помещения старого дома (м³)
5 кВт	70 — 150	60 — 110
10 кВт	150 — 300	130 — 220
20 кВт	320 — 600	240 — 440
30 кВт	650 — 1000	460 — 650
40 кВт	1050 — 1300	650 — 890
50 кВт	1350 — 1600	900 — 1100
60 кВт	1650 — 2000	1150 — 1350

Напомним, что объем помещения равен его площади, умноженной на высоту.

(V = S × h ), где:

• V — объем помещения;
• S — отапливаемая зона;
• h — высота помещения.

В нашем случае, при высоте потолка 2,5 метра, это будет:

300 × 2,5 = 750 м³

Найдите эту цифру во втором столбце таблицы и получите те же 30 кВт.

Расчет производительности насоса

Правильно рассчитав производительность насоса, можно подать в систему отопления нужное количество теплоносителя в каждой точке отопительной системы. После определения технических параметров котла можно рассчитать достаточную мощность циркуляционного насоса для данного помещения.

Мы используем следующую формулу:

Qpu = Qn ÷ kτ × Δt

Определение размеров	Параметр	параметр Единица измерения
Qpu	производительность насоса	м³/ч
Qn	мощность источника тепла (AHU)	кВт
kτ	коэффициент теплоемкости жидкости	—
Δt	разность температур на входе и выходе системы	⁰С

Если в качестве теплоносителя используется вода, ее удельная теплоемкость составляет 1,164. Если используются другие жидкости, значение следует искать в соответствующих таблицах.

Если система отопления исправна, разность температур (Δt ) может быть рассчитана путем элементарного вычитания значений, снятых со счетчиков на входе и выходе системы (Δt = t1 — t2, где t1 — температура на входе контура отопления, а t2 — температура на выходе контура отопления).

В противном случае используйте стандартные значения. Разница температур между входом и выходом системы (Δt ) колеблется между 10 и 20 ⁰C.

Предположите среднее значение 15 ⁰C и примените результаты к формуле:

Qpu = 30 ÷ 1,163 × 15 = 1,72 м³/ч.

Один из пунктов в технических характеристиках циркуляционного насоса уже известен.

КПД и потери мощности насоса

Из-за потерь в машине только часть механической энергии, которую она получает от двигателя, преобразуется в энергию потока. Использование энергии двигателя измеряется общим КПД центробежного насоса.

КПД насоса — коэффициент полезного действия — является одним из основных качественных показателей и характеризует количество теряемой энергии.

Формула для определения эффективности насоса выглядит следующим образом:

η = Np / N

η = ηo * ηr * ηm

ηo — объемный КПД насоса — характеризует объемные потери

ηr- гидравлический КПД (характеризует гидравлические потери)

ηm — механический КПД — характеризует механические потери

Расчет КПД насоса показывает возможные потери:

Потери насоса = 1 — КПД

Анализ причин потерь в насосе позволяет найти способы повышения эффективности работы насоса.

Мы разделяем все виды потерь на три категории: гидравлические, объемные и механические.

Гидравлические потери — часть энергии, полученной потоком от колеса насоса, затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления при движении потока внутри насосного агрегата, приводят к снижению напора.

Объемные потери — паразитные утечки (протечки) внутри насосного агрегата — в уплотнениях рабочего колеса и в системе выравнивания осевого давления — приводят к снижению производительности.

Механические потери — часть энергии, которую насос получает от двигателя, расходуется на преодоление механического трения внутри агрегата. Трение между колесом и другими деталями в рабочем колесе и жидкостью, трение в сальниках и трение в подшипниках. Механические потери приводят к снижению мощности всего устройства.

Таким образом, общий КПД центробежного насоса определяется гидродинамическим совершенством проточной части, качеством системы внутренних уплотнений и величиной механических потерь на трение.

Насос с магнитной муфтой

Насосы с магнитным приводом имеют аналогичный КПД. Для насосов этого типа важно, чтобы герметичное основание насоса, которое расположено между приводным магнитом и магнитом привода, было изготовлено из электропроводящих материалов. В противном случае возникнут вихревые токи, что приведет к потере эффективности и снижению общего КПД насоса.

Винтовой насос

Винтовые насосы имеют высокие механические потери. В основном это потери на трение, возникающие в подшипниках и между ротором и статором, но благодаря высокой производительности (расход, напор) этот тип насоса может иметь КПД от 40% до 80%.

Импеллерный насос

Крыльчатые насосы мягко перекачивают жидкость с равномерным ламинарным потоком и высоким давлением нагнетания, но высокие механические потери из-за трения гибких лопастей рабочего колеса о внутреннюю поверхность корпуса насоса не позволяют этому типу насосов быть лидером по эффективности.

Мембранно-пневматический насос

Пневматические мембранные насосы не имеют двигателя и работают на сжатом воздухе. Поскольку требуется дополнительное преобразование электрической энергии в энергию сжатого воздуха, эффективность пневматического мембранного насоса в значительной степени зависит от эффективности воздушного компрессора. Эффективность поршневых компрессоров обычно составляет от 80 до 92 %, а ротационных компрессоров — от 90 до 96 %. Кроме того, всевозможные потери в большей или меньшей степени происходят в самом насосе. Гидравлические потери возникают, когда жидкость поступает в рабочую камеру насоса через небольшое всасывающее отверстие и выходит через нагнетательное отверстие под определенным углом. Здесь поток жидкости сталкивается с внезапным расширением поперечного сечения с последующим резким изгибом. Механические потери возникают из-за того, что главная втулка насоса представляет собой пару с трением скольжения. Кроме того, происходит трение жидкости о детали насоса: клапан, коллектор, мембрану, боковые стенки крышки. Объемные потери определяются отношением жидкости, поступающей в насос, к жидкости, выходящей из насоса за два хода (всасывание — нагнетание).

Расчет необходимой мощности (высоты) напора

Мощность отопительного котла и производительность насоса известны, следующим шагом будет определение напора теплоносителя, достаточного для преодоления внутреннего гидравлического сопротивления труб и компонентов системы отопления.

Это делается путем определения теплопотерь на самом длинном участке контура — от источника тепла до самого дальнего радиатора. Для того чтобы иметь возможность доставить тепло в любую точку контура, высота потока подачи должна быть больше, чем сумма сопротивлений всех радиаторов.

Напор теплового насоса рассчитывается по следующей формуле:

Hpu = R × L × ZF ÷ 10000

Назначение	Параметр	Единица измерения
Единица измерения Hpu	Мощность (высота) головы	м
R	Потери в подающем и обратном трубопроводах	Па/м
L	Длина отопительного контура	м
ZF	Коэффициент водостойкости арматуры и запорной арматуры системы	—

В зависимости от диаметра труб значение параметра R варьируется от 50 до 150 Па/м (минимальное значение относится к водопроводным сооружениям с диаметром труб 2 дюйма и более, для современных пластиковых и металлических труб потери составляют 150 Па/м). В случае с нашей недвижимостью следует использовать максимальное значение.

Если трудно определить точную длину окружности (L), ее рассчитывают исходя из размеров обогреваемого помещения. Длина, ширина и высота дома складываются, а затем удваиваются. При общей площади пола 300 м² длина дома принимается равной 30 м, ширина — 10 м, а высота — 2,5 м. В этом случае L = (30 + 10 + 2,5) × 2, или 85 метров.

Проще всего определить значение ZF следующим образом: если в системе нет термостатического клапана, то оно равно 1,3, а если есть, то равно 2,2.

Берем для расчета максимальное значение этого коэффициента и подставляем все полученные значения в формулу:

150 × 85 × 2,2 ÷ 10000 = 2,8 м.

Предложенная методика расчета не является единственной. Для более точного определения производительности насоса существуют формулы, в которых учитывается не коэффициент потерь, а фактические значения производительности насоса.

Гидравлическое сопротивление

Этот термин выражает общую потерю давления в системе. Отопительный контур состоит из отдельных компонентов, каждый из которых имеет свое собственное значение для этой характеристики.

К ним относятся:

• клапаны;
• клапаны;
• фильтры;
• измерительное и контрольное оборудование;
• радиаторы;
• конвекторы и т.д.

Для точного определения потерь в системе обычно используются значения, приведенные в технической документации на отдельные компоненты отопительного контура.

Если это невозможно, их можно найти в таблице ниже:

Компонент системы	Потеря давления	Единица измерения
Котел	1000 — 5000	Pa
Компактный котел	5000 — 15000	Pa
Теплообменник	10000 — 20000	Pa
Теплообменник	15000 — 20000	Pa
Водонагреватель	2000 — 10000	Pa
Тепловой насос	10000 — 20000	Pa
Радиатор	500	Pa
Конвектор	2000 — 20000	Pa
Клапан радиатора	10000	Pa
Регулирующий клапан	10000 — 20000	Pa
Обратный клапан	5000 — 10000	Pa
Сетчатый фильтр (чистый)	15000 — 20000	Фильтр (чистый)
Термостатический клапан	5000 — 10000	Pa
Смеситель	2000 — 4000	Pa

В этом случае удобно использовать немного другую формулу для расчета высоты головы.

H = 1,3 × (R1L1 + R2L2 + Z1 + Z2 + …. + Zn) ÷ 10000, где:

• R1, R2 — потери в подающем и обратном трубопроводах (Па/м);
• L1, L2 — длина подающей и обратной труб (м);
• Z1, Z2 … Zn — потери давления на отдельных компонентах системы (Па).

Число в знаменателе формулы (10000) — это перевод из паскалей в метры.

Выбираем насос

После определения всех необходимых параметров для покупки циркуляционного насоса можно переходить к выбору конкретной модели. Технические данные для этого типа устройств можно найти на графиках соотношения производительности и напора в техническом паспорте. Эти данные можно легко найти в Интернете.

В зависимости от количества скоростей отображается один, два или три графика, указывающих на оптимальное соотношение. По оси X откладывается производительность насоса, а по оси Y — его напор. Точка пересечения этих параметров должна быть как можно ближе к точке, показанной на графике — идеальным вариантом было бы полное совпадение.

Наиболее распространенные модели имеют три скорости работы. Если выбран один из них, то выбор характеристик должен основываться на графике, соответствующем второй скорости, средней скорости. В противном случае комбинация параметров выполняется по любому из них.

Как рассчитать насос, если известна мощность котла

Часто бывает, что котел приобретается заранее или насос добавляется к существующей системе отопления. В этом случае известна мощность отопительного прибора, и все остальные компоненты в цепи выбираются в соответствии с этим значением.

Для расчета производительности циркуляционного насоса при заданной мощности источника отопления используется следующая формула.

Q = N ÷ (t2 — t1), где:

• Q — производительность насоса (м³/ч);
• N — мощность нагревательного прибора (ватт);
• t2 — температура жидкости на входе в систему (⁰C);
• t1 — температура жидкости на выходе из системы (⁰C).

Если невозможно точно определить указанные значения подачи и обратки, следует использовать среднюю разницу температур в 15 ⁰C.

Исчисление и определение полезной мощности насоса

Механизм гидравлических силовых установок основан на применении гидравлических принципов.

Полезная мощность насоса — это работа, выполняемая насосом за определенный период времени.

Количество скоростей у насосов

Циркуляционный насос выполнен в виде электродвигателя, механически соединенного с валом рабочего колеса, лопасти которого выталкивают нагретую жидкость из рабочей камеры в линию контура отопления.

В зависимости от степени контакта с теплоносителем насосы делятся на агрегаты с сухим рабочим колесом и с мокрым рабочим колесом. У первых только нижняя часть крыльчатки погружена в воду, а вторые пропускают весь поток.

Модели с сухим рабочим колесом имеют более высокий коэффициент полезного действия (коэффициент производительности), но доставляют ряд неудобств, связанных с шумом во время работы. Их аналоги с мокрым рабочим колесом более удобны в эксплуатации, но имеют более низкую эффективность.

Современные циркуляционные насосы могут работать в двух или трех скоростных режимах для поддержания разного давления в системе отопления. Использование этой опции позволяет быстро нагреть помещение на максимальной скорости, затем выбрать оптимальный режим работы и снизить энергопотребление устройства до 50%.

Скорость переключается с помощью рычага на корпусе насоса. Некоторые модели оснащены автоматической системой управления, которая изменяет скорость вращения двигателя в зависимости от температуры обогреваемого помещения.

Как правильно рассчитать производительность насоса

Для расчета мощности необходимо учитывать следующие факторы:

• Среднее потребление воды на человека в час;
• Расход воды на орошение (если требуется).

КПД для промышленных насосов

Центробежный насосный агрегат. Эффективность насоса зависит от порядка эксплуатации и конкретной конструкции. Чем выше мощность привода, тем выше КПД.

Насосы с магнитной муфтой имеют примерно такой же КПД, как и вышеупомянутые агрегаты. Важен материал герметичной задней крышки, установленной между двумя магнитами — ведущим и ведомым. Если материал является проводящим, эффективность значительно снижается.

Устройство винтового типа несет большие механические потери из-за трения между ротором и стартером. Эффективность этих устройств составляет около 60 %.

Крыльчатый насос способен перекачивать воду очень мягко. Он характеризуется высокими механическими потерями.

Мембранный пневматический насос не имеет двигателя. Насос работает на сжатом воздухе. Его производительность полностью зависит от мощности воздушного компрессора.

Как вычислить КПД насоса

КПД насоса описывает эффективность работы устройства. Это отношение полезной энергии к затраченной энергии.

Эта формула используется для определения коэффициента полезного действия:

ЭФФЕКТИВНОСТЬ = P2 / P1 * 100%

P1 — силовая гидравлика;

P2 — используемая мощность.

Что необходимо для расчета эффективности:

• Специальные устройства, в которых есть токовые клещи. Они определяют электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети.
• Если между двигателем и насосом имеется механическое соединение, то рассчитывается мощность, потребляемая насосом, и мощность на валу насоса.
• Мы измеряем расход и рассчитываем гидравлическую мощность.

Если эффективность ниже, насос следует отремонтировать или заменить.

Подбор циркуляционного насоса для системы отопления — критерии

Делая выбор циркуляционного насоса для системы отопления частного дома, практически всегда отдают предпочтение моделям с мокрым рабочим колесом, специально разработанным для работы в любых бытовых магистралях с различной длиной и объемом подачи.

По сравнению с другими типами эти устройства имеют следующие преимущества:

• низкий уровень шума,
• малые габаритные размеры,
• ручная и автоматическая регулировка скорости вращения вала в минуту,
• настройки давления и объема,
• Они подходят для всех систем отопления жилых помещений.

Подбор циркуляционного насоса для системы отопления по количеству скоростей

Если вы хотите повысить эффективность и сэкономить энергоресурсы, лучше выбирать модели с постепенным (от 2 до 4 передач) или автоматическим регулированием скорости вращения электродвигателя.

При использовании автоматического регулирования скорости достигается экономия энергии до 50% по сравнению со стандартными моделями — это составляет примерно 8% от энергопотребления всего дома.

Принцип действия циркуляционного насоса

Работа циркуляционных насосов повышает энергоэффективность системы отопления на 40-50%. Принцип действия устройств, независимо от их типа и конструкции, заключается в следующем:

• Жидкость стекает в полость, выполненную в виде оболочки.
• Внутри корпуса находится крыльчатка, маховик, который создает давление.
• Скорость теплоносителя увеличивается, и под действием центробежной силы жидкость направляется в спиральный канал, который соединен с водяным контуром.
• Теплоноситель поступает в контур водяного отопления с заданной скоростью. За счет завихрения потока воды снижается гидравлическое сопротивление контура жидкости.

Принцип работы системы отопления с циркуляционным насосом отличается от системы с естественной циркуляцией тем, что движение жидкости происходит принудительно. На эффективность отопления не влияет совместимость уклона, количество установленных радиаторов или диаметр труб.

Работа циркуляционных насосов может несколько отличаться в зависимости от типа конструкции, но принцип остается неизменным. Производители предлагают более сотни моделей, различающихся по производительности и параметрам управления. В зависимости от характеристик насосов, станции можно разделить на несколько групп:

• По типу рабочего колеса — для улучшения циркуляции охлаждающей жидкости могут использоваться модели с сухим и мокрым рабочим колесом. Конструкции отличаются расположением рабочего колеса и подвижных механизмов в корпусе.
  Сухие модели, например, имеют только маховик, который создает давление, в контакте с теплоносителем. «Сухие» модели обладают высокой эффективностью, но имеют ряд недостатков: они создают высокий уровень шума от насоса и требуют регулярного обслуживания.
  Для бытового применения предпочтительны модули с мокрым рабочим колесом. Все движущиеся детали, включая подшипники, полностью погружены в теплоноситель, который служит смазкой для деталей, подвергающихся наибольшим нагрузкам. Срок службы насоса для мокрой проточной воды в системе отопления составляет минимум 7 лет. Техническое обслуживание не требуется.
• По типу управления — традиционная модель насосного оборудования, чаще всего устанавливаемая в небольших бытовых помещениях, имеет механический регулятор с тремя фиксированными скоростями. Регулировать температуру в доме с помощью циркуляционного насоса механического типа довольно неудобно. Эти модули имеют высокое потребление электроэнергии.
  Оптимальный насос имеет электронную систему управления. В корпус встроен комнатный термостат. Контроллер автоматически анализирует температуру в помещении и автоматически изменяет выбранный режим работы. Потребление энергии снижается в 2-3 раза.

Есть и другие параметры, которые отличают циркуляторы. Однако для того, чтобы выбрать правильную модель, достаточно знания вышеперечисленных нюансов.

На что еще обратить внимание

При покупке популярных моделей Grundfos и Wilo велика вероятность подделок, поэтому полезно знать некоторые различия между оригиналами и китайскими аналогами. Например, немецкий Wilo можно отличить от китайских аналогов по следующим признакам:

• Оригинал немного больше по габаритам и имеет тисненый серийный номер на верхней крышке.
• В оригинале на впускном патрубке имеется рельефная стрелка направления жидкости.
• Клапан в подделке имеет желтый цвет, как латунь (такой же, как у аналога Grundfos).
• Китайский аналог имеет яркую глянцевую наклейку на задней панели, информирующую о классах энергосбережения.

При покупке электронасосов Grundfos к оригиналу обязательно прилагаются две гайки с уплотнениями, сам паспорт в черно-белой цветовой гамме — у китайской подделки паспорт в цвете, а крепежные принадлежности отсутствуют.

Расчет характеристик насоса

Эффективное отопление работает, когда все радиаторы или контуры напольного отопления получают достаточное количество тепла. Это означает, что насосный агрегат должен обеспечить нужную скорость потока на каждом участке системы, преодолевая гидравлическое сопротивление труб, фитингов и арматуры.

Перед выбором насоса необходимо рассчитать его производительность по формуле:

• G — массовый расход теплоносителя, кг/ч;
• Q — общая нагрузка на отопление, Вт;
• Δt — разница между температурой подаваемой и обратной воды, обычно в расчетах принимается 20°C.

Ref. Поскольку плотность воды при нагревании до 100 градусов меняется незначительно, в упрощенных расчетах массовый расход принимается равным объемному. Пример: G = 300 кг/ч = 300 литров в час.

Тепловая нагрузка может быть тщательно рассчитана по методологии СНиП. Здесь мы не будем усложнять задачу и просто возьмем количество тепла по площади.

Например, для двухэтажного дома площадью 200 м² в среднегорном районе потребуется 22 кВт тепла. Исходя из этого, можно легко рассчитать количество теплоносителя и необходимую производительность насоса: G = 0,86 x 22000 / 20 = 946 кг/ч = 0,95 т/ч = 0,95 м³/ч.

Сразу же следует узнать сечение и диаметр магистрали, выходящей из котла, где будет установлен насос:

• F — площадь поперечного сечения трубы, м²;
• ʋ — скорость воды, принимаемая равной 0,5…1 м/с.

Чем меньше скорость воды, тем меньше сопротивление трения о стенки труб, фитингов и арматуры.

Теперь примем 0,6 м/с и рассчитаем поперечное сечение трубопровода: F = 0,95 / 3600 x 0,6 = 0,00044 м². Используя формулу площади круга, вычисляем диаметр отверстия — 0,024 м или 24 мм. Соответственно, внутренний размер трубы и патрубка насоса составляет 25 мм.

Уточнив требуемую производительность насоса, теперь рассчитаем располагаемое давление. Рассчитывайте отдельно для радиаторной сети, напольного отопления и котлового контура.

Отопительная схема с батареями

Задача насоса — заставить нужный объем воды пройти по трубам от первого радиатора до последнего. Этому препятствует сила трения жидкости о стенки, сопротивление из-за ограничений потока в регулирующих клапанах и перегибов в фитингах.

Чтобы найти значение сопротивления, которое должна преодолеть циркуляция, предлагаем воспользоваться упрощенной формулой:

• H — требуемый перепад давления в метрах водяного столба;
• R — удельное сопротивление трению, рассчитанное в метрах водяного столба на метр трубопровода;
• L — длина самой длинной ветки отопления, измеренная от источника тепла до последнего радиатора;
• Z — коэффициент местного сопротивления.

Внимание. Формула значительно упрощена, гидротехнические расчеты гораздо сложнее. Однако он позволяет правильно выбрать тепловой насос для бытовых условий. Мы проверили альтернативу — онлайн-калькуляторы, размещенные на различных интернет-ресурсах. Получив разницу между результатами в 30%, делаем вывод: лучше рассчитывать голову вручную.

Длина ветки измеряется от выхода котла до последнего смесителя, установленного на 2-м этаже. Для двухтрубной системы этот результат удваивается.

Как производится расчет:

1. Поскольку насос создает одинаковое давление на входе каждой ветки отопления, необходимо выбрать самую длинную трубу и определить ее длину в метрах. Это значение L в формуле. В двухтрубной системе учитывается как подача, так и возврат.
2. Удельное сопротивление R принимается равным 150 Па/м или 0,015 м водяного столба на метр трубы (для пластиковых труб).
3. Если поток через радиаторы регулируется термостатическими клапанами, то Z = 2,2. Второй вариант: радиаторы оснащены шаровыми кранами и балансировочными клапанами, то Z = 1,5.

   
   Трехходовые клапаны и клапаны с термостатической головкой имеют самое высокое сопротивление потоку воды.

4. Рассчитайте необходимое давление и выберите подходящую модель воздуходувки.

Подсказка. Тупиковые и кольцевые контуры рассматриваются одинаково, а также обратный и подающий потоки. Для одной трубы «Ленинградки» возьмите общую длину кольца. Если на момент расчета кольца нет, длина определяется по внутренним размерам дома: размер первого этажа + высота потолка + ширина второго этажа.

Давайте рассчитаем давление в соответствии с нашим примером. Длина L в соответствии с размерами здания составляет (10 + 3 + 10) x 2 = 52 м, Z = 2,2. Необходимое противодавление составляет 0,015 x 52 x 2,2 = 1,716 ≈ 1,7 м. Добавьте 1 м запаса на неучтенное сопротивление котла и дополнительного оборудования, и вы получите 2,7 м водяного столба.

На схеме, прилагаемой к паспорту насоса, отметьте линию производительности и напора, затем выберите соответствующую модель, в данном случае марку Wilo Star-RS 25/4.

Как видите, результаты расчетов не противоречат советам экспертов: насоса с давлением 0,4 бар достаточно для циркуляции воды в отопительной сети двухэтажного дома площадью 200 квадратных метров. Для лучшего понимания мы показываем расчеты на видео:

Важный момент. Современные воздуходувки часто имеют 3-7 режимов работы, и в руководстве нарисовано столько же графиков. Выберите для расчета характеристику, соответствующую средней скорости (вторая-третья).

Петли теплых полов

Теплоноситель обычно подается в контуры пола отдельным насосом, который работает в паре со смесительным клапаном. В этом случае максимальная длина шлейфа составляет 100 метров, а фитинги отсутствуют. Местными сопротивлениями являются термостатический отводной клапан и смесительный трехходовой (или двухходовой) клапан.

Предыдущий алгоритм вполне поддается расчету:

1. Определите количество контуров, максимальную длину трубы и общий расход теплоносителя через гребенку. Мы подробно описали все расчеты для напольного отопления в отдельной публикации.
2. Возьмите самый длинный контур и используйте приведенную выше формулу для расчета требуемого давления насосного агрегата. Используйте одинаковые значения для R, L и Z.
3. Выберите насос для контура напольного отопления в соответствии со схемой в каталоге продукции.

Пример. Возьмем тот же двухэтажный дом с тепловой нагрузкой 22 кВт и расходом воды 0,95 м³/ч, максимальная длина контура 80 м. Принимая R за 0,015, Z за 2,2, тогда напор H = 0,015 x 80 x 2,2 = 2,64 м. Сопротивление линии не учитывается, так как котел оснащен собственным насосом. Это означает, что конечное давление распределительного устройства составляет не менее 2,64 м.

Примечание: увеличивая длину контура до 100 м, мы повышаем напорную планку насоса, что приводит к увеличению потребления электроэнергии. Проверьте: H = 0,015 x 100 x 2,2 = 3,3 м. Проведите соответствующую горизонтальную линию на графике и выберите любую модель, график которой показан выше. Ближайшее устройство — Wilo Star-RS 25/6.

Котловой контур

Как известно, схемы трубопроводов для твердотопливных котлов предусматривают установку отдельного насоса, который перекачивает воду через малое кольцо через трехходовой клапан или буферную емкость. Тот же принцип применим к системам с первичным/положительным кольцом, где к основному контуру подключены трубопроводы радиаторного отопления, напольного отопления и бойлера ГВС.

Насос, прокачивающий воду через первичное кольцо, практически не испытывает сопротивления — магистраль короткая, с минимальным количеством фитингов и арматуры. Поэтому напор основного агрегата часто меньше давления вторичных воздуходувок, которые направляют теплоноситель к отопительному оборудованию.

Важная деталь. Самое главное, чтобы расход воды в первичном контуре соответствовал мощности теплогенератора. Для выбора насоса действуйте аналогичным образом — найдите требуемый объем теплоносителя из мощности котла и рассчитайте доступный напор. Подробные инструкции вы найдете в видеоролике:

Как рассчитать циркуляционный насос отопления от мощности котла

Часто бывает так, что котел приобретается заранее, а остальные компоненты системы подбирают позже, ориентируясь на заявленные производителем показатели работы радиатора. Обычно циркуляционный насос приобретается для модернизации систем отопления с естественной циркуляцией, чтобы теплоноситель двигался быстрее.

Если мощность котла известна, то используется следующая формула: Q=N/(t2-t1)

Q — подача насоса в м³/ч

N — мощность котла в ваттах;

t2 — температура воды в градусах Цельсия на выходе из котла (вход в систему);

t1 — при возвращении.

Как выбрать циркуляционный насос по полученным данным

После проведения расчетов и определения основных параметров (расход и напор) необходимо перейти к выбору подходящего циркуляционного насоса. Для этого используйте их технические характеристики (B), которые можно найти в паспорте или руководстве пользователя. Такой график должен иметь две оси, на которых указаны значения напора (обычно в м) и расхода (производительности) в м3/ч, л/ч или л/с. На этом графике постройте рассчитанные данные в соответствующем измерении и найдите точку (A) на пересечении двух осей. Если он выше кривой насоса (A3), модель не подходит. Если точка находится на графике (A2) или под графиком (A1), то она подходит. Однако следует учесть, что если точка находится намного ниже графика (A1), это означает, что насос будет иметь слишком большую мощность, что также неразумно, так как он будет потреблять больше электроэнергии, и его стоимость также будет выше, чем у модели с характеристической кривой, максимально приближенной к нашей точке.

Существуют модели насосов не с одной, а с 2-3 скоростями. Их кривые имеют не одну, а 2 или 3 линии соответственно. В этом случае выбор насоса должен производиться по кривой скорости, которая будет использоваться, или по всем линиям, если необходимо использовать все скорости.

Как выяснить показатель расхода насоса

Формула выглядит следующим образом: Q=0.86R/TF-TR

Q — подача насоса в м³/ч;

R — тепловая мощность в кВт;

TF — температура теплоносителя в градусах Цельсия на входе в систему.

Три варианта расчета тепловой мощности

Тепловую мощность (R) бывает трудно оценить, поэтому рекомендуется обратиться к общепринятым нормам.

Вариант 1: В европейских странах рассматриваются следующие значения

• 100 Вт/м². — Для небольших частных домов;
• 70 Вт/м². — Для многоэтажных зданий;
• 30-50 Вт/м². — для промышленных помещений и хорошо изолированных жилых домов.

Вариант 2. Европейские стандарты хорошо работают в регионах с мягким климатом. Однако в северных районах с сильными морозами лучше обратиться к нормам СНиП 2.04.07-86 «Тепловые сети», которые учитывают температуру наружного воздуха до -30 градусов Цельсия:

• 173-177 Вт/м2. — Для небольших зданий с количеством этажей менее двух;
• 97-101 Вт/м². — Для домов высотой от 3 до 4 этажей.

Вариант 3. Приведенная ниже таблица позволяет самостоятельно определить необходимую тепловую мощность с учетом назначения, износа и теплоизоляции здания.

Формула и таблицы расчета гидравлического сопротивления

Трубы, клапаны и все другие части системы отопления создают вязкое трение, которое вызывает удельные потери энергии. Это свойство систем называется гидравлическим сопротивлением. Различают трение по всей длине (в трубах) и местные гидравлические потери, вызванные клапанами, поворотами, участками, где изменяется диаметр трубы, и т.д. Индекс гидравлического сопротивления обозначается латинской буквой «H» и измеряется в Па (паскалях).

Формула расчета: H=1,3*(R1L1+R2L2+Z1+Z2+….+ZN)/10000

R1, R2 — перепад давления (1 — подача, 2 — возврат) в Па/м;

L1, L2 — длина трубопровода (1 — подача, 2 — возврат) в м;

Z1, Z2, ZN — гидравлическое сопротивление узлов системы в Па.

Для облегчения расчета потери давления (R) можно использовать специальную таблицу, которая учитывает возможные диаметры труб и предоставляет дополнительную информацию.

Усредненные данные по элементам системы

Гидравлическое сопротивление каждого компонента системы отопления можно найти в техническом паспорте. В идеале следует использовать спецификации, предоставленные производителями. При отсутствии паспортов изделий можно использовать приблизительные значения:

• котлов — 1-5 кПа;
• радиаторов — 0,5 кПа;
• клапанов — 5-10 кПа;
• смесители — 2-4 кПа;
• Теплосчетчики — 15-20 кПа;
• обратные клапаны — 5-10 кПа;
• Регулирующие клапаны — 10-20 кПа.

Полезные рекомендации

При выборе насоса для системы отопления отдавайте предпочтение конструкциям с «мокрым» рабочим колесом — они очень тихие и выдерживают большие нагрузки, чем гидравлические устройства с другими модификациями.

Также обратите внимание на материал корпуса — выбирайте нержавеющую сталь, бронзу или латунь. Предпочтение следует отдавать моделям с подшипниками и валом из керамики. Срок службы таких устройств превышает 20 лет.

При установке устройства в систему необходимо следить за тем, чтобы вал ротора был выровнен горизонтально, т.е. параллельно трубе. Если при работе устройства возникает подозрительный шум, это не указывает на неисправность или производственный дефект. Постарайтесь удалить воздух, оставшийся в системе после ввода в эксплуатацию.