Насосно-смесительные узлы для водяного теплого пола

Требуемый расход теплоносителя в любой системе водяного отопления подсчитывается по следующей формуле:

где Q — тепловая мощность системы, Вт; с — удельная теплоёмкость теплоносителя, Дж/кг °С; ∆Т — разность температур между прямым и обратным теплоносителем, °С.

В системах радиаторного отопления перепад температур ∆Т обычно составляет порядка 20 °С, а в системах напольного отопления ∆Т = 5–10 °С.

Это значит, что для переноса одного и того же количества теплоты тёплые полы требуют расхода теплоносителя в 2–4 раза больше.

Максимальная температура теплоносителя в системах тёплого пола, как правило, не превышает 55 °С, рабочее значение этого параметра обычно лежит в пределах 35–45 °С.

В радиаторном же отоплении теплоноситель обычно подаётся с температурой 80–90 °С.

В связи с этими двумя факторами неизменным атрибутом системы напольного отопления является узел смешения.

Насосно-смесительный узел системы тёплого пола должен выполнять следующие основные функции:
• поддерживать во вторичном контуре температуру теплоносителя ниже температуры первичного контура;
• обеспечивать расчётный расход теплоносителя через вторичный контур;
• обеспечивать гидравлическую увязку между первичным и вторичным контурами.

К вспомогательным функциям насосно-смесительного узла можно отнести следующие:
• индикация температуры (на входе и выходе);
• отсекание циркуляционного насоса шаровыми кранами для его замены или обслуживания;
• защита насоса от работы на «закрытую задвижку» с помощью перепускного клапана;
• аварийное отключение насоса при превышении максимально допустимой температуры теплоносителя;
• отведение воздуха из теплоносителя;
• дренирование узла.

Принцип работы простейшего насосно-смесительного узла можно объяснить по тепломеханической схеме на рис. 1.

Рис. 1. Тепломеханическая схема простейшего насосно-смесительного узла

Нагретый теплоноситель поступает на вход насосно-смесительного узла от котла или стояка радиаторной системы отопления с температурой T₁. На входе в узел установлен настраиваемый термостатический клапан 2, на приводе которого выставляется требуемая температура теплоносителя, поступающего в тёплый пол Т₁₁. Термочувствительный элемент 3 привода клапана располагается после насоса 1. При повышении температуры Т₁₁ выше настроечного значения, клапан 2 закрывается, а при понижении – открывается, пропуская горячий теплоноситель на вход насоса. Пройдя по петлям тёплого пола, теплоноситель остывает до температуры Т₂₁. Часть остывшего теплоносителя возвращается к котлу, а часть – через балансировочный клапан 4 поступает на вход насоса, смешиваясь с горячим теплоносителем.

Таким образом, в первичном (котловом) контуре температура теплоносителя снижается с Т₁ до Т₂₁ (∆Т_кк = Т₁ – Т₂₁). Температуру Т₂₁ задаёт пользователь. Перепад температур в петлях тёплого пола ∆Т_тп = Т₁₁ – Т₂₁ также задаётся на стадии расчётов. Зная эти данные, и требуемую тепловую мощность тёплого пола, можно определить соотношение расходов в узле:

Исходные данные:
• температура на входе в насосно-смесительный узел Т₁ = 90 °С;
• температура после насоса Т₁₁ = 35 °С;
• перепад температур в петлях тёплого пола ∆Т_тп = 5 °С;
• тепловая мощность тёплого пола Q = 12 кВт.

Решение:
1. Температура на выходе из петель тёплого пола: Т₂₁ = Т₁₁ – ∆Т_тп = 35 – 5 = 30 °С.
2. Перепад температур в первичном (котловом) контуре: ∆Т_кк = Т₁ – Т₂₁ = 90 – 30 = 60 °С.
3. Расход во вторичном контуре G₁₁ = Q/c⋅ ∆T_тп = 12000/4187⋅5 = 0,573 кг/с.
4. Расход в первичном (котловом) контуре G₁ = Q/c⋅ ∆T_тп = 12000/4187⋅60 = 0,048 кг/с.
5. Расход через байпас G₃ = G₁₁ – G₁ = 0,573 – 0,048 = 0,535 кг/с.

Таким образом, расход в контуре тёплого пола в данном примере должен быть в 12 раз выше, чем в котловом контуре.

Как правило, циркуляционный насос при проектировании выбирается с некоторым запасом, поэтому он может перекачивать через байпас большее количество теплоносителя, чем требуется по проекту. К тому же, и температура теплоносителя в первичном контуре может по факту оказаться меньше расчётной. Именно для корректировки этих расхождений с расчётными данными служит балансировочный клапан 4, которым можно ограничить расход через байпас.

Насосно-смесительные узлы VT.COMBI и VT.COMBI.S

В насосно-смесительных узлах VT.COMBI и VT.COMBI.S (рис. 2, 3) приготовление теплоносителя с пониженной температурой происходит при помощи двухходового термостатического клапана, управляемого либо термоголовкой с капиллярным термочувствительным элементом, установленном в линии подающего коллектора (модель VT.COMBI), либо аналоговым сервоприводом, который работает под управлением контроллера VT.К200.М (модель VT.COMBI.S). Контроллер с датчиками температуры теплоносителя и наружного воздуха не входит в комплект поставки насосно-смесительного узла и приобретается отдельно.

В линии подмеса узла установлен балансировочный клапан, который задаёт соотношение между количествами теплоносителя, поступающего из обратной линии вторичного контура и прямой линии первичного контура, а также уравнивает давление теплоносителя на выходе из контура тёплых полов с давлением после термостатического регулировочного клапана.

От настроечного значения Kvb этого клапана и установленного скоростного режима насоса зависит тепловая мощность смесительного узла.

Узел адаптирован для присоединения к нему коллекторных блоков с межосевым расстоянием 200 мм и горизонтальным смещением между осями коллекторов 32 мм. При этом коллекторные блоки могут присоединяться как на входе, так и на выходе насосно-смесительного узла. Это позволяет использовать этот узел в комбинированных системах отопления (рис. 4), где отопление тёплым полом совмещается с радиаторным отоплением.

Рис. 4. Узел VT.COMBI.S в комбинированной системе отопления

Насосно-смесительный узел VT.DUAL

Насосно-смесительный узел VT.DUAL (рис. 5 и 6) состоит из двух модулей (насосного и термостатического), между которыми монтируется коллекторный блок контура тёплого пола. Для смешения используется трехходовой термостатический клапан, управляемый термоголовкой с капиллярным термочувствительным элементом, установленным на обратный коллектор вторичного контура.

Рис. 5. Насосно-смесительный узел VT.DUAL

Предохранительный термостат подающего коллектора останавливает насос в случае превышения настроечного значения температуры, прекращая циркуляцию в петлях тёплого пола.

Рис. 6. Узел VT.DUAL с коллекторным блоком (подключение справа)

Конструкция узла предусматривает перепускной контур с балансировочным клапаном, сохраняющим неизменным расход теплоносителя в первичном контуре при перекрытии петель тёплого пола.

Элементы узла устанавливаются не вертикально, а под углом 9°, что вызвано горизонтальным смещением осей коллекторного блока. Это позволяет подключать узел к подводящим трубопроводам как справа, так и слева.

Насосно-смесительный узел VT.VALMIX

Насосно-смесительный узел VT.VALMIX (рис. 7) отличается от узла VT.COMBI меньшей монтажной длиной и отсутствием перепускного клапана. Узел рассчитан на установку циркуляционного насоса монтажной длиной 130 мм. Ручной воздухоотводчик узла расположен на регулировочной втулке балансировочного клапана вторичного контура.

Узел поставляется с термоголовкой VT.3011, имеющей диапазон настройки температур от 20 до 62 °С. Вместо термоголовки может быть установлен аналоговый термоэлектрический сервопривод VT.TE3061, работающий под управлением контроллера VT.K200.М. Узел поставляется без циркуляционного насоса.

Рис. 7. Насосно-смесительный узел VT.VALMIX

Насосно-смесительный узел VT.TECHNOMIX

Так же как узел VT.VALMIX, узел VT.TECHNOMIX (рис. 8) рассчитан на установку циркуляционного насоса длиной 130 мм, но имеет несколько большую монтажную длину.

Кроме того, входные и выходные патрубки узла находятся в одной плоскости, поэтому узел монтируется к коллекторному блоку под углом 9°, и может устанавливаться как справа от обслуживаемого коллекторного блока, так и слева от него.

Узел поставляется с термоголовкой VT.5011, имеющей диапазон настройки температур от 20 до 60 °С.

Вместо термоголовки может быть установлен аналоговый термоэлектрический сервопривод VT.TE3061, работающий под управлением контроллера VT.K200.М. Узел поставляется без циркуляционного насоса.

Сравнение насосно-смесительных узлов VALTEC

Таблица 1. Сравнительная таблица насосно-смесительных узлов VALTEC

Устройство и работа насосно-смесительного узла теплого пола

Системы водяного подогрева полов (вторичного контура отопления, теплые полы — ТП), используемые совместно высокотемпературным радиаторным отоплением (первичным контуром), нуждаются в приведении параметров теплоносителя к определенным характеристикам. В первую очередь, это касается гидравлической и температурной увязки контуров обоих типов. Ведь важно обеспечить как полноценное снабжение теплоносителем в требуемых объемах коммуникаций ТП, так и не допустить перегрева вторичной низкотемпературной системы. Эти задачи возлагаются на насосно-смесительный узел теплого пола (НСУ). Они решаются посредством сбалансированной автоматической работы запорно-регулирующей арматуры и насосного агрегата, обеспечивающей дозированный подмес теплоносителя из обратной линии.

Рисунок 1

Требования к температуре теплононосителя

НСУ теплого пола является достаточно сложным комплектом оборудования, от грамотной сборки и настройки которого во многом зависит правильность функционирования всей тепловой установки. Например, если котел спроектирован на подачу теплоносителя 70-90 0 С в радиаторы, то, в параллельно работающих в этих же помещениях контурах напольного обогрева, температура циркулирующей жидкости допускается не выше 45-50 0 С (max 55 0 С). Точные температурные параметры выводятся путем инженерных расчетов системы теплого пола. Они призваны обеспечить подготовку воды в НСУ таким образом, чтобы прогрев напольных поверхностей, с учетом структуры и материала их покрытий, не превышал:

• в помещения с долговременным пребыванием людей (офисах, жилых) – 29 0 С;
• во вспомогательных помещениях (кладовых, коридорах, гардеробных) – 30 0 С;
• в санузлах, ванных комнатах, бассейнах – 32 0 С.

Кроме того, настройка смесительного узла будет выполнена наиболее оптимально, если удастся добиться перепада температур между подачей и обраткой ТП 5-15 0 С. Уменьшение теплового градиента (Δt) требует наращивания расхода теплоносителя, как следствие роста скорости его циркуляции, которая приводит к гидравлическим потерям. Высокий же градиент температур уже ощущается тактильно, как разница в нагреве поверхности напольного покрытия, что вызывает определенный дискомфорт.

Рисунок 2

Типовые схемы насосно-смесительных узлов

В зависимости от способ включения циркуляционного насоса различают следующие схемы НСУ:

• последовательную – рис. 2а;
• параллельную – рис. 2б;
• комбинированную.

При этом основными считаются первые две, а последняя схема, соответственно, представляет их гибридный вариант.

Включенный последовательно насос эксплуатируется только для подготовки теплоносителя и его циркуляции в контурах теплого пола. Подобная схема, хотя и требует использования двух раздельных перекачивающих агрегатов (для первичного и вторичного контуров), однако, отличается лучшими, чем параллельная, технологическими показателями. В профессионально изготовленных системах ТП, зачастую, сборку НСУ осуществляют с последовательным включением насоса. При этом следует учитывать, что эффективность работы такой сборки существенно зависит от правильности её расчетов и настройки.

Преимущество параллельного подключения насоса заключается в возможности использования всего одного агрегата для обеспечения циркуляции теплоносителя в первичном и вторичном контурах. С одной стороны, это упрощает сборку, а с другой – требует установки более мощного перекачивающего оборудования. Если изготовление смешивающего узла для небольшой бытовой системы выполняется своими руками, то выбрав параллельную компоновку, легче избежать критических ошибок, которые могут негативно отразиться на работе водяного теплого пола.

Как в параллельных, так и в последовательных сборках НСУ практикуется использование термостатических двухходовых (рис. 2-5 и 7) или трехходовых (рис. 1, 8 и 9) клапанов. Схемы с термостатами первого типа рекомендуется применять для помещений с площадями ТП в несколько десятков квадратных метров. Поэтому для организации напольного отопления в среднестатистической типовой квартире они вполне подходят. Смешивание теплоносителя в них осуществляется после двухходового клапана непосредственно в циркуляционном потоке системы теплого пола.

Трехходовые термостаты сами являются смешивающими устройствами. Внутри их корпусов происходит регулируемый подмес теплоносителя из первичного контура к циркулирующему потоку из системы ТП. Трехходовая термостатическая запорно-регулирующая арматура рекомендуется для установки на крупных отапливаемых площадях, измеряемой сотнями квадратных метров.

Комплектация смесительного узла

Добиться обеспечения функциональности системы ТП возможно, только имея четкое представление о строении НСУ, практическом назначении его основных и вспомогательных элементов. Устройство и работу типового узла удобно будет разобрать на примере схемы с последовательным включением насосного агрегата и двухходовым клапаном-термостатом (рис. 3). Указанную компоновку имеет смесительный узел для теплого пола Valtec (рис.5), реализуемый в торговой сети в виде готового комплекта оборудования.

Рисунок 3

Основные функциональные элементы НСУ Valtec

К ним относятся:

• циркуляционный насос;
• клапан балансировочно-запорный (первичного контура);
• клапан балансировочный (вторичного контура);
• байпасный клапан (перепускной).

Насос (рис. 3 и 5, поз.3)

Инициирует подачу и возврат теплоносителя через узлы и петли ТП. Применяется циркуляционное оборудование аналогичное тому, которое используется в первичных контурах системы отопления. Величин его главных рабочих параметров (давление и производительность) должно хватать на преодоление гидросопротивлений в трубопроводах, чтобы обеспечивать циркуляцию теплоносителя с требуемой скоростью и в заданных объемах.

Балансирный клапан первичного контура (рис. 3 и 5, поз.8)

Отвечает за поступающие объемы теплоносителя, подпитывающего систему теплого пола из первичного высокотемпературного контура отопления (Т1, Т2). Балансировка потока жидкости осуществляется изменением пропускной способности клапана. Регулировка балансирного клапана выполняется путем вращения его настроечного винта с головкой под ключ-шестигранник, который закрывается защитным колпачком. Процесс также синхронизируется с работой клапана-термостата (поз. 1), управляемого выносным погружным датчиком (поз. 1а). Чувствительный элемент датчика монтируется в резьбовую гильзу (поз. 4).

Балансирный клапан вторичного контура (рис. 3 и 5, поз.2)

Его настройка зависит от площади подогреваемой поверхности напольного покрытия. Открытие/закрытие регулирующего устройства влияет на изменение пропорции соотношения объемов теплоносителей из обратки ТП (Т21) и подачи первичной системы отопления (Т1). Прикрытие балансировочным клапаном оборотного потока из вторичного контура способствует более интенсивному поступлению разогретой жидкости от теплогенератора (котла). Таким образом, теплопроизводительность ТП увеличивается.

Установка степени открытия клапана (рис. 4) осуществляется по шкале на его оголовке (рис. 5, поз. 2), где указана его пропускная способность в м 3 /час. После завершения настройки шкала от случайного смещения фиксируется винтом 2а.

Рисунок 4

Байпасный клапан (рис. 3 и 5, поз.7)

Совместно с перепускным патрубком (поз. 12) обеспечивает безаварийную работу циркуляционного насоса в режиме подпора, когда циркуляция через петли ТП прекращается полностью либо становится недостаточной. Подобный режим может быть вызван перекрытием контуров на гребенке посредством ручных вентилей либо же работой их клапанов с простым термостатическими или автоматическим управлением. В результате сопротивление течению жидкости, как и нагрузка на оборудование, увеличиваются. При определенном перепаде давления, величина которого настраивается по шкале перепускного клапана (градуировка в бар), он приоткрывается. Теплоноситель либо часть его потока начинает перетекать по байпасному патрубку, замыкая через насос малый цикл циркуляции. Таким образом, исключается аварийная перегрузка и обеспечивается сохранность оборудования.

Вспомогательные элементы

Обеспечивать, поддерживать и контролировать работу НСУ также помогают различные вспомогательные и сервисные устройства:

• термометры – поз. 5;
• воздухоотводчики поплавкого типа (автоматические) – поз. 9;
• дренажные клапаны – поз. 10;
• обратный шаровый клапан – поз. 11.

Рисунок 5

Как все работает?

Подача теплоносителя в заданном диапазоне температур на коллектор теплого пола обеспечивается настройками узла подмеса. Главный цикл оборота жидкости внутри системы ТП складывается из циклов циркуляции в каждой из веток. При этом НСУ подмешивает горячий теплоноситель из первичного контура отопления в объемах необходимых для восполнения суммарных теплопотерь на отопление всех помещений. То есть, чем интенсивней происходит охлаждение теплоносителя в ветках теплого пола, тем большее его количество добавляется во внутренний оборот всего вторичного контура. Объем обновляемой горячей жидкости изменяется автоматически – от максимального, разово установленного настройками балансирного клапана 8 (рис. 3 и 5), до полного перекрытия. В диапазоне от максимума до минимума потока регулировка осуществляется термостатическим клапаном 1, который получает управляющие импульсы от своего выносного датчика (рис. 5, поз. 1а), контролирующего температуру потока Т11 на подающий коллектор.

Важно! Непосредственно на работу системы теплого оказывают влияние регулирующие функции термостатического клапана 1. В свою очередь, балансировочный клапан 8 служит лишь для согласования суммарных потерь давления во вторичных контурах ТП с потерями давления в отопительных приборах первичного контура. При этом аналогичной настройке по потерям давления должны подвергаться все потребители в первичной системе, чтобы распределение тепловой энергии происходило в соответствие с их запросами, а не по пути наименьшего гидравлического сопротивления. Важность и степень подобной балансировки наглядно показаны на рисунке 6.

Рисунок 6

Одновременно с всасыванием обновляемого горячего теплоносителя Т1 через клапан-термостат 1 (рис. 3 и 5), происходит также втягивание насосом 3 остывшего потока Т21 через балансировочный клапан 2 (вторичного контура). Проходя через насос потоки теплоносителя смешиваются, в результате, на подачу Т11 в коллектор теплого пола уже поступает жидкость заданной настройками НСУ температуры.

Пример циклической работы оборудования НСУ

Совместная работа насоса, балансировочного клапана вторичного контура и термостата происходит следующим образом. Например, в системе ТП предусмотрен термический градиент между подачей и обраткой ТП Δt=10 0 С, а расчетная температура в подающем коллекторе 50 0 С. Допустим, система работает в установившемся режиме, когда результирующий поток теплоносителя от подмеса из первичного контура Т1 и обратного коллектора теплого пола Т21 имеет температуру равную расчетной. При правильно установленных настройках балансира 2 и определенной степени приоткрытия термостата 1, это возможно, только в случае, если из обратки Т21 поступает вода с температурой 40 0 С.

Если же начинает поступать теплоноситель, остывший до 39 0 С или ниже, то соответственно происходит охлаждение и результирующего потока после насоса. Этот дисбаланс улавливается выносным датчиком 1 а, который дает команду на еще большее приоткрытие клапана-термостата 1. В результате увеличивается приток горячей воды из первичного контура отопления Т1 и температура в подающем коллекторе Т11 возвращается к своим расчетным 50 0 С.

Постепенно из обратки Т21 начинает поступать перегретая выше 40 0 С, что влечет за собой обратные процессы – клапан термостата 1 прикрывается и объем подмеса из Т1 снижается. Таким образом, термические циклы в системе ТП постоянно изменяются в режиме поддержания градиент Δt=10 0 С, с подачей t=50 0 С.

Рисунок 7

Какой смеситель выбрать?

Сборка водяного отопления теплого пола может целиком осуществляться своими руками. Это касается не только монтажа отопительных контуров или подключения к коллекторному распределителю, но и комплектации НСУ. Понимая принципы работы его элементов, а также используя типовые рабочие схемы, вполне возможно собрать действующую эффективную смесительную установку. Если же идти по пути наименьшего сопротивления и затратить немного больше средств, то можно обратиться к готовым предложениям от известных производителей отопительного оборудования. Сборка, установка и настройка таких НСУ отличается простотой. И если все делать в точном соответствии с прилагаемыми к ним заводскими инструкциями, то результат гарантировано окажется положительным.

Выше уже был рассмотрен насосно смесительный узел Valtec. Однако также хорошо у потребителей зарекомендовали себя и некоторые другие готовые комплектации НСУ. Например, оборудование для подготовки теплоносителя для системы теплого пола от немецкой компании Kermi (рис.8).

Рисунок 8

Комплект Kermi Стандарт ESM оборудован трехходовым клапаном (Oventrop), циркуляционным насосом (модель Wilo Yonos PARA RS) и, управляющим его работой, предохранительным термостататом. Клапанный модуль Oventrop включает:

• распределительный трехходовой вентиль;
• терморегулятор, состоящий из приводной головки и выносного накладного датчика;
• соединительного циркуляционного патрубка:
• накидных гаек (американок), к которым подключаются подающий и обратный трубопроводы первичного контура отопления, а также устройства со стороны вторичного контура.

В Kermi Стандарт ESM заложена возможность настройки поддержания температуры теплоносителя в диапазоне 20-50 0 С при давлении в системе ТП до 6 бар. Регулировка осуществляется автоматически в соответствие с установками шкалы на головке-рукоятке трехходового клапана.

Рисунок 9

Еще одна сборка НСУ Solomix от компании Uni-Fitt из более бюджетной серии, но так же неплохо зарекомендовавшая себя на российском рынке. Это готовый смесительный узел на базе трехходового термостата, с встроенным термометром, теплонасосом, байпасным и обратным клапаном и автоматическим воздухоотводчиком.

В НСУ Solomix предусмотрено ручное изменение температуры посредством аналоговой подстройки термостата в диапазоне 20-65 0 С. Комплект рассчитан на работу в системах теплых полов с максимальным давлением до 10 бар. А его форм-фактор, обеспечивающий нижнее подключение трубопроводов первичного контура, заметно облегчает проведение монтажных работ.