Схемы систем насосного водяного отопления

При разработке систем отопления конкретных зданий составляют схемы систем, различным образом сочетая в каждой схеме магистрали, стояки и ветви с отопительными приборами.

В схеме системы отопления устанавливается взаимное расположение теплообменников (котлов), циркуляционных насосов, теплопроводов, отопительных приборов и других элементов в зависимости от размещения их в здании, т.е. закрепляется структура системы.

Схемы системы отопления в течение 50…70-х годов ХХ в. существенно видоизменялись, причем общим явлением в России было вытеснение ранее широко распространенных двухтрубных систем однотрубными. При использовании однотрубных систем вместо двухтрубных появилась возможность уменьшить длину и массу труб, унифицировать отдельные узлы и детали, устранить замеры в натуре, механизировать процессы заготовки деталей, осуществить предварительную сборку и комплектацию узлов, а в результате – сократить затраты труда и сроки монтажа систем.

Потери давления в однотрубных стояках и ветвях получаются значительно превышающими потери в двухтрубных стояках. При этом устанавливается устойчивый гидравлический режим однотрубных систем: заданное распределение теплоносителя по отопительным приборам сохраняется в течение всего отопительного сезона. При запуске смонтированных однотрубных систем в эксплуатацию не проводят пуско-наладочного (первичного) регулирования теплоотдачи отопительных приборов, как это делают при двухтрубных системах. Рассмотрим основные схемы однотрубных, двухтрубных систем, практически используемые при водяном отоплении зданий.

Рис. 5.1. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой подающей магистрали:

Ст.1 – проточный стояк; Ст.2 и Ст.3 – стояки соответственно с осевыми и смещенными замыкающими участками; Ст.4 и Ст.5 – проточно-регулируемые стояки; 1 – обратная магистраль (Т2); 2 – отопительные приборы; 3 – краны типа КРП; 4 – осевой замыкающий участок; 5 – подающая магистраль (Т1); 6 – главный стояк (Г.ст); 7 – открытый расширительный бак; 8 – смещенный замыкающий участок; 9 – проточный воздухосборник; 10 – обходной участок; 11 – краны типа КРТ; 12 – циркуляционный насос; 13 – теплообменник

Вертикальная однотрубная система с верхней разводкой (с верхним расположением подающей и нижней прокладкой обратной магистралей) полу-чила распространение в начале 50-х годов (рис. 5.1). Она выполнялась сначала с двухсторонним (стояки 1,2,4), а потом и с односторонним присоединением отопительных приборов к стоякам (стояки 3 и 5). Приборные узлы делались как проточными (стояк 1), так и с замыкающими (стояки 2 и 3) и обходными (стояки 4 и 5) участками. Все типы стояков показаны на рис. 5.1 для примера, а в конкретной системе применяется какой-либо один (реже два) тип стояка.

Замыкающие постоянно проточные участки устраивались осевыми (стояк 2) и смещенными от оси (стояк 3), со «сжимами», т.е. с уменьшением диаметра по сравнению с диаметром основного участка стояка, и без «сжимов». Было доказано, что «сжимы» осевых замыкающих участков несущественно изменяют количество воды, затекающей в приборы. В большей степени увеличивается расход воды в приборах при использовании смещенных замыкающих участков. При этом, как уже отмечалось, обеспечивается еще и компенсация удлинения труб при нагревании межприборных участков стояков.

Обходные участки (стояки 4 и 5), предназначенные для периодического использования при потребительском (эксплуатационном) регулировании теплоотдачи приборов кранами типа КРТ, устраивали сначала осевыми, а затем, как правило, смещенными.

Вертикальная однотрубная система с верхней разводкой применяется в настоящее время со стояками всех трех типов – проточными, с замыкающими участками и проточно-регулируемыми – в многоэтажных зданиях, имеющих четыре-девять этажей и более.

Вертикальная однотрубная система с нижней разводкой (с нижним расположением обеих магистралей) стала распространяться с начала 60-х годов в связи с массовым строительством бесчердачных зданий (рис. 5.2). В так называемых П-образных стояках этой системы, состоящих из восходящей и нисходящей частей, применялись и проточные приборные узлы (стояк 1), и узлы с замыкающими участками (стояки 2 и 3), и проточно-регулируемые узлы (стояки 4 и 5). При непарных отопительных приборах «холостой» (без приборов) делали восходящую часть стояков (стояки 3 и 5). В пробках верхних радиаторов или в верхних точках стояков с конвекторами устанавливали воздушные краны.

В стояках по типу стояка 2 (см. рис. 5.2) при движении воды снизу вверх уменьшается затекание ее в приборы, особенно при увеличенном их сопротивлении. Поэтому предпочтение отдавалось проточно-регулируемым приборным узлам с двухсторонним присоединением приборов к трубам и смещенными обходными участками (стояк 4). В таком виде эту систему применяют в настоящее время в бесчердачных многоэтажных (три-семь этажей и более) зданиях, имеющих технические подполья или подвальные помещения.

Систему отопления с П-образными стояками можно включать в действие в процессе монтажа поэтажно (с временными перемычками), и эту особенность системы используют в зимнее время при выполнении внутренних отделочных работ в строящемся многоэтажном здании.

Рис. 5.2. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с нижней разводкой обеих магистралей и П-образными стояками:

Ст.1 — проточный стояк; Ст.2 и Ст.3 – стояки со смещенными замыкающими участками; Ст.4 и Ст.5 – проточно-регулируемые стояки; обозначения 1-13 – см. рис. 5.1

Вертикальная однотрубная система с «опрокинутой» циркуляцией воды (с нижним расположением подающей магистрали и верхней прокладкой обратной магистрали), изображенная на рис. 5.3, стала применяться с середины 60-х годов в зданиях повышенной этажности (10 этажей и более). Стояки таких систем делали проточными (стояки 1 и 3) или со смещенными замыкающими (стояк 4) и обходными (стояки 2 и 5) участками. Осевых замыкающих и обходных участков не применяли. Встречалось двустороннее присоединение приборов к стояку, например, при установке конвекторов с кожухом с двумя горизонтально расположенными греющими трубами (стояк 1). Потери давления в стояках таких систем предусматривают при расчете повышенными для обеспечения устойчивого гидравлического режима при эксплуатации. В этой системе иногда применялись проточные расширительные баки (см. рис. 5.3).

Система с опрокинутой циркуляцией воды способствует, не в пример системе с верхней разводкой, поддержанию равномерного теплового режима во всех помещениях и установке приборов одинаковой площади по высоте здания (когда степень охлаждения воды в стояках соответствует уменьшению теплопотерь однотипных помещений по вертикали). При проектировании этой системы избегают применения колончатых радиаторов из-за преувеличения их площади при движении воды в них по схеме «снизу-вверх» (до 12…14% по сравнению с площадью при движении по схеме «сверху-вниз»), а также установки приборов с высоким гидравлическим сопротивлением в стояках с замыкающими участками.

Рис. 5.3. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с «опрокинутой» циркуляцией воды и приточным открытым расширительным баком:

Ст.1 – проточный стояк с конвекторами с кожухом; Ст.2 и Ст.5 – проточно-регулируемые стояки соответственно с конвекторами без кожуха и радиаторами; Ст.3 – проточный стояк с радиаторами; Ст.4 – стояк со смещенными к радиаторам замыкающими участками; обозначения 1-13 – см. рис. 5.1

В жилых зданиях с «теплыми» чердаками обратные магистрали рассматриваемой системы прокладывают на чердаках без тепловой изоляции (чердаки с учетом теплоотдачи труб становятся «теплыми»). Такие чердаки используют для бесканального сбора вытяжного воздуха к вентиляционным шахтам.

Еще раз отметим, что для большинства современных вертикальных однотрубных систем водяного отопления характерно одностороннее присоединение отопительных приборов к стоякам. Хотя при этом и увеличиваются число стояков и расход труб, зато появляется возможность уменьшить их диаметр и унифицировать приборные узлы. Массовое обезличенное изготовление таких узлов способствует повышению производительности труда. Кроме того, увеличение числа открыто прокла-дываемых стояков – своеобразных эффективных отопительных приборов – заметно сокращает площадь нагревательной поверхности основных приборов.

Схемы двухтрубной системы водяного отопления представлены на рис. 5.4 применительно к двухэтажному зданию. Слева показана часть системы с верхней разводкой (рис. 5.4, а), справа – с нижней разводкой (рис. 5.4, б), причем левый из двух стояков изображен с централизованным удалением воздуха, а правый – с местным через воздушные краны на отопительных приборах на верхнем этаже.

Двухтрубная система, как уже отмечено, применялась в последнее время сравнительно редко. Система с верхней разводкой использовалась при естественной циркуляции воды, особенно при квартирном отоплении, а также для отопления железнодорожных вагонов. При насосной циркуляции воды эта система устраивалась преимущественно в малоэтажных (два-три этажа) зданиях во избежание значительного вертикального теплового разрегули-рования из-за действия в двухтрубном стояке естественного давления.

Двухтрубная система с нижней разводкой применялась чаще, чем система с верхней разводкой, особенно при числе этажей в зданиях более трех и в зданиях, состоящих из разноэтажных частей. При этом исходили из ее преимуществ – меньшего расхода труб и большей вертикальной гидравлической и тепловой устойчивости по сравнению с системой, выполненной с верхней разводкой.

Рис. 5.4. Схемы вертикальной двухтрубной системы водяного отопления:

а – с верхней разводкой подающей магистрали; б – с нижней разводкой обеих магистралей; 1 и 2 – подающие (Т1) и обратные (Т2) магистрали; 3 и 4 – соответственно подающие и обратные части стояков; 5 – отопительные приборы; 6 – краны типа КРД; 7 – главный стояк (Г.ст); 8 – открытый расширительный бак; 9 – воздушная линия; 10 – воздушные краны; 11 – соединительная труба расширительного бака; 12 – циркуляционный насос; 13 – теплообменник

Современная тенденция на значительное увеличение в системах водяного отопления насосного циркуляционного давления существенно сокращает отрицательное воздействие естественного давления на гидравлическую устойчивость работы двухтрубных систем и расширяет область их применения. В настоящее время такие системы с нижней разводкой применяются и в многоэтажном строительстве.

Воздушные линии для централизованного удаления воздуха (см. рис. 5.4, б) устраивались только в специально обоснованных случаях, учитывая увеличение при этом расхода труб и их недолговечности из-за активной коррозии. Как правило, систему делали с воздушными кранами в верхних точках стояков.

На рис. 5.4. изображена распространенная так называемая столбовая схема прокладки стояков, при которой подводки присоединяются к отопительным приборам односторонне. Подающие и обратные части стояков при этом прокладывают рядом (подающие всегда справа при взгляде из помещения). Существует также цепочечная схема прокладки стояков, когда они располагаются разобщенно (по одному между приборами), а подводки присоединяются к приборам с разных сторон. При разностороннем (особенно диагональном) присоединении труб к радиаторам эти приборы лучше прогреваются, исключаются также скобы на стояках для огибания горизонтальных подводок. Все же преимущественно применяют столбовую схему, при которой возможно независимое регулирование и отключение для ремонта обособленных парных стояков.

Горизонтальная однотрубная система, встречавшаяся ранее в основном в одноэтажных зданиях временного типа, в последнее время стала применяться для отопления сельскохозяйственных сооружений, многоэтажных зданий как производственных, так и гражданских (рис. 5.5). Распространение горизонтальной системы связано с увеличением длины зданий, внедрением сборных каркасно-панельных конструкций с широким шагом колонн и удлиненными световыми проемами. Отсутствие в таких зданиях простенков и отверстий в панелях перекрытий затрудняло размещение традиционных вертикальных стояков. Наличие ленточных световых проемов предопределяло размещение отопительных приборов не отдельными группами, а в виде цепочек (во избежание теплового дискомфорта в помещениях). Соединяя последовательно отопительные приборы увеличенной длины короткими трубными вставками получали горизонтальные однотрубные ветви.

Схемы бифилярной системы водяного отопления, которая может быть с вертикальными стояками и горизонтальными ветвями, аналогичны рассмотренным схемам однотрубной системы.

В вертикальной бифилярной системе устраивают, как и в однотрубной системе с нижней разводкой, П-образные стояки (см. рис. 5.2). По такой схеме делали до середины 80-х годов отопление отдельных типов крупнопанельных жилых зданий. Там использовались трубчатые нагревательные элементы, встроенные вместе со стояками во внутренний бетонный слой наружных трехслойных стеновых панелей. При этом нагревательные элементы каждого помещения делились на два змеевика, и каждый змеевик отдельно присоединялся к восходящей и нисходящей частям стояка.

Рис. 5.5. Схемы горизонтальной однотрубной системы водяного отопления:

I – проточная ветвь для приборов, расположенных на разных этажах; II – проточная бифилярная ветвь; III – ветвь с замыкающими участками; 1 — радиаторы; 2 – воздушная труба; 3 – воздушные краны; 4 – подающий стояк; 5 – обратный стояк; 6 – запорно-регулирующая арматура; 7 – открытый расширительный бак; 8 – конвекторы двухтрубные; 9 – краны типа КРП; 10 – осевой замыкающий участок; 11 – обратная магистраль; 12 – циркуляционный насос; 13 – теплообменник

Схемы системы отопления с насосной циркуляцией

Такой насос используется в составе системы отопления для обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя. Устройство работает на электричестве и потребляет мало энергии – от 60 до 100 ватт, что сравнимо с обычной бытовой лампочкой.

К сожалению, если электроснабжение частного дома время от времени прерывается, то и работа насоса будет непостоянной, что приведет к нарушению движения жидкости по трубам. Перед установкой насоса рекомендуется заранее продумать, как циркуляцию воды в контуре сделать постоянной.

Случаи применения

Система отопления, оборудованная насосом для принудительного перекачивания теплоносителя, уместна в случаях, когда жидкость не может преодолеть гидравлического сопротивления и потому не поднимается по трубам вверх. В системах отопления с естественной циркуляцией воды нужно точно соблюдать уклон и диаметр труб, а малейшая ошибка выведет из строя весь комплекс.

Это ограничивает использование системы компактными помещениями: ведь чем больше отапливаемая площадь, тем длиннее контур, и, соответственно, слабее ток воды. Даже при использовании мощного котла давление теплоносителя редко превышает 0,6 мПа. А изменение схемы проводки труб для улучшения тока жидкости, обойдется дорого.

Преимущества

Система, оснащенная циркуляционным насосом, лишена этих недостатков. Она отлично подходит для обогрева помещений площадью от 200 до 800 м2. К ее преимуществам относятся:

• отсутствие требований к конфигурации контура отопления – для циркуляции теплоносителя не требуется создавать в трубопроводе зауженные места, монтировать трубы под наклоном и пользоваться другими техническими приемами;
• быстрый разгон жидкости – циркуляция нагретой воды в контуре начинается сразу же после включения насоса. В результате комнаты частного дома прогреваются до нужной температуры всего за несколько минут;
• высокий КПД – благодаря быстрой циркуляции теплоносителя сокращаются тепловые потери. Решается проблема, когда одно из помещений прогревается сильнее остальных. За счет этого топливо расходуется экономичнее;
• надежность работы – простая конструкция насоса исключает возникновение случайных поломок.

Стоит отметить, что сложности могут возникнуть только при перебоях электроэнергии, но справиться с ними несложно: если в доме имеется электрогенератор, система отопления сможет работать непрерывно.

Если планируется оборудовать насосом систему с естественной циркуляцией, ее схема остается практически неизменной.

Требуется лишь вмонтировать сам насос, а также перенести расширительный бачок с контура подачи воды на контур, по которому она возвращается к котлу.

«Сухие» и «мокрые» насосы

Существует две основных разновидности насосов: «сухие» и «мокрые». Первые устроены так, что ротор не взаимодействует с теплоносителем. Они имеют высокий КПД — 80%, но достаточно шумные и подвержены поломкам. Одной из самых распространенных неисправностей «сухих» насосов является повреждение уплотнительных колец, вслед за чем нарушается герметичность устройства.

В системах, оборудованных «мокрым» насосом, такая проблема исключена. Они проще в эксплуатации, не нуждаются в тщательном техобслуживании. С другой стороны, «мокрый» насос имеет КПД меньше 50%, а поскольку внутри него всегда должна быть вода, приходится тщательно следить за горизонтальным положением вала. Для использования при отоплении частного дома «мокрый» насос удобен тем, что практически бесшумен. Механизм переключения скоростей вращения ротора является бесступенчатым.

С учетом небольшой мощности, «мокрые» насосы подходят для трубопровода небольшой протяженности. «Сухие», напротив, лучше применять для отопления больших площадей. Кроме того, последние редко устанавливаются в частных домах из-за шума во время работы, а если имеются планы их монтировать, то делается это в заранее подготовленном месте со звукоизоляцией.

Определение мощности

При выборе насоса нужно учитывать такие факторы, как:

• мощность отопительных радиаторов;
• скорость движения теплоносителя;
• общая длина трубопровода;
• проходное сечение трубопроводов;
• мощность котла.

Каждый из этих параметров легко рассчитывается, если знать хотя бы один из них. Так, исходя из мощности радиаторов, можно установить мощность котла и расход воды. Определив расход воды, не составит труда найти диаметр труб. Необходимо заранее определиться со скоростью движения теплоносителя в контуре системы: оптимально — 1,5 м/сек. Зная требуемую скорость циркуляции, диаметр труб и остальные параметры, получится рассчитать силу напора и мощность насоса.

Расчеты

Чтобы точнее определить мощность насоса, можно воспользоваться правилом производителей, которые «привязали» 1 кВт мощности к 1 литру прокачиваемой воды. Так, насос мощностью 25 кВт может обеспечить циркуляцию максимум 25 литров теплоносителя.

Иногда применяется упрощенная схема выбора, основанная на площади отапливаемого помещения:

• для отопления постройки площадью до 250 м2 покупают насос мощностью 3,5 кубометра воды в час и силой напора 0,4 атмосферы;
• от 250 до 350 м2 – мощностью 4,5 кубометра в час и силой напора 0,6 атмосфер;
• от 350 м2 – мощностью 11 кубометров в час и силой напора 0,8 атмосфер.

Несмотря на высокие эксплуатационные характеристики некоторых моделей, насосы не приспособлены для прогона воды по контуру системы с искусственной циркуляцией в зданиях общей площадью больше 800 м2.

Европейская методика расчета

При выборе оборудования можно пользоваться еще одной методикой – типовыми проектами обустройства жилья, разработанными в Европейском Союзе. Так, на 1 м2 пространства должна приходиться мощность насоса 97 Ватт при условии, что температура воздуха на улице составляет 25С° (минус), или 101 Ватт – если температура опускается до 30С° (минус).

Эта норма действует для построек высотой от трех этажей и больше. При обустройстве частного дома высотой до двух этажей мощность насоса на 1 м2 площади должна составлять 173 Ватта при уличной температуре до 25С° мороза и 177 Ватт – ниже 25С°.

Выполнение работ по установке

Оснащенные насосом системы отопления могут быть как однотрубными, так и двухтрубными. Любая схема предусматривает монтаж устройства на трубе, по которой происходит возврат охлажденного теплоносителя в котел. Это объясняется тем, что резиновые манжеты и уплотнители насоса, нагреваясь от горячей воды, меняют свои потребительские свойства и быстро изнашиваются. В обратном контуре вода охлаждена и не вредит оборудованию.

Если конструирование системы с принудительной циркуляцией осуществляется «с нуля», лучше сразу купить трубы небольшого диаметра, чтобы сэкономить. На качество отопления это никак не повлияет, зато сделает эксплуатацию оборудования более дешевой.

Расширительный бак

Важный элемент схемы – расширительный бак. Он соединяется с обратным контуром и выполняет функции точки отсчета: здесь сила давления меняет свой знак — в контуре до бака она нагнетается, выталкивая воду по трубам, а после – разрежается, так что насос всасывает в себя жидкость. Нужно помнить правило: гидростатическое давление при включенном насосе в любой точке зоны всасывания должно оставаться высоким — тогда циркуляция воды нарушена не будет.

Также расширительный бак нужен для компенсации нехватки пространства в закрытой системе при расширении теплоносителя – вода превращается в пар и увеличивает свой объем. Если бы не бак, то при перегреве воды происходил бы ее выброс. Кроме того, чтобы избежать перегрева и других проблем, рекомендуется устанавливать только современные автоматизированные котлы.

Монтаж насоса

Монтаж насоса дома лучше осуществлять в горизонтальном положении: так оборудование будет производить меньше шума.

Крепление насоса осуществляется на резьбовых соединениях, в контур осуществляется врезка отсекающей арматуры – одного крана на прямом участке трубы, одного – на отводе непосредственно перед насосом, и еще одного – на отводе за ним. Это нужно для того, чтобы отсекать насос от теплоносителя в случае необходимости.