Расчёт циркуляционного насоса: напор и производительность

Циркуляционный насос — единственный элемент системы отопления, который подбирается одновременно по двум величинам. Ошибка в любую сторону одинакова неприятна: слабый насос не продавит дальнее кольцо, мощный — начнёт шуметь и разбалансирует систему. Обе величины считаются, а не выбираются «на глаз» по площади дома.

Дальше — методика расчёта: подача из тепловой мощности, напор как сумма потерь в самом нагруженном кольце, таблицы ориентировочных удельных потерь и сопротивления оборудования. Подбор сводится к одной точке на характеристике насоса.

Две величины подбора: подача и напор

Подача (её же называют производительностью или расходом) — сколько кубометров теплоносителя насос прогоняет через систему за час. Она определяется тепловой мощностью системы и принятой разностью температур.

Напор — на сколько насос способен поднять давление, чтобы продавить гидравлическое сопротивление самого длинного циркуляционного кольца. Измеряется в метрах водяного столба.

Эти две величины нельзя рассматривать отдельно. Насос, дающий 4 м³/ч при нулевом напоре, и насос, дающий 5 м при нулевом расходе, — оба бесполезны для системы, которой нужно 0,7 м³/ч при 2,8 м. Подбор всегда идёт по паре значений.

Расчёт подачи насоса

Подача считается из того, сколько тепла нужно протранспортировать. Через трубу проходит масса теплоносителя, каждый килограмм уносит c · Δt тепла, отсюда:

Для воды при температуре около 80 °С (ρ = 971,8 кг/м³, c = 4,195 кДж/(кг·°С)) произведение c · ρ постоянно с точностью до пары процентов, и формула упрощается до привычной:

V = 0,86 · Q / Δt, м³/ч, где Q — в кВт, Δt — в °С.

Проверка: при Q = 15 кВт и Δt = 20 °С точная формула даёт 0,662 м³/ч, упрощённая — 0,645 м³/ч. Расхождение 2,6 %, что меньше погрешности самой тепловой нагрузки, поэтому в бытовых расчётах пользуются упрощённой.

Ключевой вопрос — какое Δt принимать. От него подача зависит обратно пропорционально: при Δt = 10 °С расход удваивается, при Δt = 30 °С падает на треть.

Занижать Δt «для комфорта» нельзя без пересчёта: уменьшение Δt вдвое требует вдвое большей подачи, то есть насоса другого класса и труб большего диаметра.

Расчёт требуемого напора

Напор — это сумма всех потерь давления в самом невыгодном кольце: от котла до самого дальнего прибора и обратно. Считается по трём слагаемым.

Потери на трение — удельные потери R (Па/м), умноженные на длину кольца L (м). Удельные потери берутся по таблицам или из расчёта диаметров.

Потери в местных сопротивлениях — отводы, тройники, краны, термостатические клапаны, фитинги. Их не считают поштучно, а задают долей от потерь на трение: коэффициент k = 0,2–0,4 для систем с радиаторами.

Потери в оборудовании — котёл, гидравлическая стрелка, смесительный узел, теплообменник бойлера, фильтры. Это готовые цифры из паспортов, в килопаскалях.

Дальше давление переводится в напор: 1 кПа ≈ 0,102 м вод. ст., то есть 1 бар ≈ 10,2 м. Множитель 0,102 получается из ρ·g = 1000 · 9,81 Па на метр столба.

Подбор насоса калькулятором

Калькулятор считает подачу по мощности и Δt, складывает потери на трение, местные сопротивления и оборудование, переводит результат в метры водяного столба и показывает рабочую точку. Подготовьте мощность системы (см. расчёт мощности котла), Δt, длину самого длинного кольца и суммарное сопротивление оборудования из паспортов.

Таблица ориентировочных удельных потерь

Удельные потери R зависят от диаметра, расхода и шероховатости. На этапе прикидки, до подбора диаметров, пользуются ориентирами:

Если принять R = 120 Па/м вместо реальных 250, напор занизится вдвое и насос не продавит систему. Поэтому после расчёта диаметров R берут из таблиц или из гидравлического расчёта, а не из головы.

Сопротивление оборудования тоже берётся из паспортов. Ориентировочные значения для прикидки:

При последовательной установке значения складываются. Именно поэтому система «котёл + бойлер + тёплый пол» легко набирает 40–50 кПа только на оборудовании, ещё до учёта труб.

Почему насос выбирают по рабочей точке, а не по максимальному напору

Характеристика насоса — кривая: чем больше подача, тем меньше создаваемый напор. Характеристика сети — тоже кривая, и она квадратичная: H = H₀ · (V/V₀)², где H₀ и V₀ — расчётные напор и подача. Удвоение расхода требует вчетверо большего напора.

Рабочая точка — пересечение этих двух кривых. Только она имеет смысл. Насос, у которого «в паспорте 6 м», при расчётных 0,66 м³/ч может давать 3,5 м, а при 1,3 м³/ч — 1 м. Поэтому каталоги дают не одно число, а график или таблицу из 5–8 точек.

Три скорости насоса и что даёт регулировка

Бытовые насосы с мокрым ротором имеют три фиксированные скорости. Разница между ними — по потребляемой мощности в 2–3 раза: 15–25 Вт на первой, 30–40 Вт на второй, 45–60 Вт на третьей.

• Скорость I — для межсезонья и для систем с запасом по диаметрам. Даёт минимальный шум.
• Скорость II — рабочий режим для расчётной зимы в большинстве домов.
• Скорость III — только на пусконаладке или при аварийном недогреве дальних приборов.

Насосы с электронной регулировкой вместо ступеней поддерживают постоянный напор (режим для радиаторных систем) или постоянный расход (для тёплого пола и систем с большим числом контуров). В режиме пропорционального давления насос снижает напор при закрытии термостатических клапанов — это экономит 30–50 % электроэнергии за отопительный сезон по сравнению со ступенчатым переключением.

Связь с гидравлической балансировкой

Насос создаёт перепад давления, но не распределяет воду между ветвями. Распределение определяется сопротивлением: ближняя к котлу ветвь с меньшим сопротивлением забирает больше расхода, дальняя — меньше. Насос большей мощности эту проблему только усиливает.

Балансировка выполняется двумя способами. Первый — балансировочные клапаны на обратке каждой ветви, настроенные по расчётному расходу. Второй — автоматические балансировочные клапаны или термостатические клапаны с предварительной настройкой на каждом приборе. Без этого расчётный напор насоса не имеет смысла: фактический расход в дальней ветви может оказаться вдвое ниже проектного.

Порядок работ: сначала балансировка, потом настройка скорости насоса. Если сделать наоборот, после балансировки насос придётся перенастраивать заново.

Как завоздушивание и грязь убивают насос

Воздух в контуре снижает подачу на 30–70 % и вызывает кавитацию. Пузырьки схлопываются у лопаток рабочего колеса, выбивая микрочастицы металла: за один-два сезона колесо теряет форму, и насос перестаёт давать паспортный напор. Признак — характерный «песочный» шум и падение расхода при формально работающем насосе.

Полный сухой ход (работа без воды) убивает насос за минуты: у моделей с мокрым ротором вода одновременно является смазкой подшипников. В системах, где котёл расположен выше радиаторов или где возможен слив воды, ставят автоматический воздухоотводчик в верхней точке и реле защиты от сухого хода.

Грязь действует медленнее, но так же необратимо. Окалина и шлам из старых труб забивают каналы ротора, ротор начинает заклинивать, обмотка перегревается. Обязательный минимум: фильтр механической очистки перед насосом и промывка системы перед первым пуском.

Пример подбора для дома 150 м²

Исходные данные: дом 150 м², расчётная тепловая нагрузка 15 кВт (см. отопление по площади дома для проверки прикидочным методом), Δt = 20 °С, самое длинное кольцо — 80 м (подача и обратка до дальнего радиатора), R = 120 Па/м, k = 0,3, сопротивление оборудования 15 кПа.

1. Подача: V = 3600 · 15 / (4,195 · 971,8 · 20) = 0,66 м³/ч.
2. Потери на трение: ΔP_тр = 120 · 80 = 9 600 Па = 9,6 кПа.
3. Местные сопротивления: ΔP_мс = 0,3 · 9,6 = 2,88 кПа.
4. Оборудование: ΔP_об = 15,0 кПа.
5. Сумма: ΔP = 9,6 · 1,3 + 15,0 = 27,5 кПа.
6. Напор: H = 27,5 · 0,102 = 2,80 м вод. ст.

Рабочая точка — 0,66 м³/ч при 2,80 м. Такому требованию отвечает большинство насосов класса 25/4 и 25/6 с монтажной длиной 180 мм. На графике характеристик рабочая точка ложится в среднюю часть кривой второй скорости, что и нужно.

Обратите внимание: напор 2,8 м получился не из длины дома, а из суммы сопротивлений. Если занизить диаметры и получить R = 250 Па/м, тот же дом потребует 5,2 м напора, и насос придётся брать на класс выше. Подбор диаметров — в статье про диаметр труб отопления.

Частые ошибки

Подбор по площади дома. Формула «1 м³/ч на 100 м²» не учитывает ни Δt, ни сопротивления. Два дома одинаковой площади с разными диаметрами труб требуют насосов разных классов.

Напор «с запасом» в два раза. Завышенный напор увеличивает скорость в арматуре, появляется шум, а расход между ветвями распределяется ещё неравномернее. Запас нужен 10–20 % на засорение фильтра, не больше.

Игнорирование сопротивления оборудования. Бойлер косвенного нагрева или смесительный узел тёплого пола добавляют 15–30 кПа, то есть 1,5–3 м напора. Без их учёта насос окажется вдвое слабее нужного.

Установка насоса на обратке без учёта температуры. Для большинства моделей допустимая температура перекачиваемой среды — 95–110 °С, и на обратке условия мягче. Но если насос стоит на подаче, убедитесь, что температура не превышает паспортную.

Отсутствие балансировки. Без балансировочных клапанов расчётный напор не реализуется: ближние ветви забирают больше воды, дальние недогревают, и владелец поднимает скорость насоса вместо того, чтобы настроить ветви.

Работа без фильтра. Первый же сезон на старой системе без фильтра перед насосом приводит к заклиниванию ротора и замене насоса.

Частые вопросы

Как рассчитать производительность циркуляционного насоса?

Подача считается по тепловой мощности системы: V = 3600 · Q / (c · ρ · Δt) м³/ч, где Q — мощность в кВт, Δt — разность температур подачи и обратки. Для воды при 80 °С удобна упрощённая формула V = 0,86 · Q / Δt. Для дома 150 м² с нагрузкой 15 кВт и Δt = 20 °С это 0,66 м³/ч.

Какой напор нужен циркуляционному насосу в частном доме?

Типичный напор для двухэтажного дома 150–200 м² — 2–4 м вод. ст. при подаче 0,5–1,5 м³/ч. Напор равен сумме потерь в самом длинном кольце, переведённых в метры: 1 кПа ≈ 0,102 м вод. ст. Если расчёт даёт больше 6–8 м, проблема в заниженных диаметрах, а не в насосе.

Какую скорость насоса выбрать — I, II или III?

Начинать всегда с первой и поднимать только если радиаторы не прогреваются. Наименьшая скорость даёт минимальный шум и потребление 15–25 Вт вместо 45–60 Вт. У насосов с электронной регулировкой вместо ступеней задаётся режим постоянного напора или постоянного расхода — он экономичнее ступенчатого.

Чем опасен воздух в циркуляционном насосе?

Воздушная пробка снижает подачу на 30–70 % и вызывает кавитацию: пузырьки схлопываются на лопатках и разрушают рабочее колесо. Сухой ход без воды убивает насос за несколько минут, поэтому в системах с верхним расположением котла обязательны автоматический воздухоотводчик и защита от сухого хода.

Можно ли поставить насос мощнее расчётного?

Можно, но это не даёт пользы. Избыточный напор увеличивает скорость теплоносителя в арматуре, появляется шум, а расход растёт неравномерно: ближние к котлу ветки захватывают больше воды. Правильный путь — балансировка, а не более мощный насос.

Что дальше

Напор насоса — это сумма сопротивлений, поэтому следующий шаг — точный гидравлический расчёт по участкам вместо среднего R. Если расчёт даёт большой напор, сначала пересчитайте диаметры труб: часто переход на один типоразмер больше снижает требуемый напор вдвое и позволяет остаться в классе 25/4. Для систем с тёплым полом напор считается по самому длинному контуру — см. расчёт тёплого пола.