Расчёт расширительного бака для отопления: объём и давление

Расширительный бак — самый дешёвый элемент системы отопления и самая частая причина аварий. Стоит он меньше одного радиатора, но при ошибке в объёме или настройке вода уходит через предохранительный клапан, котёл остаётся без теплоносителя, а давление в системе скачет на 0,5–1 бар за один нагрев.

Расчёт бака состоит из двух независимых частей: сколько воды прибавится при нагреве и какую часть полного объёма бака можно занять этой прибавкой. Обе части считаются, а не подбираются по таблице «на глазок».

Зачем нужен расширительный бак

Вода при нагреве увеличивает объём, а система отопления — замкнутый контур с жёсткими стенками. Прибавившимся двум-трём литрам некуда деваться, и давление в контуре растёт тем быстрее, чем меньше в нём осталось воздуха. В закрытой системе без бака нагрев с 20 до 80 °С поднимает давление на единицы бар, и предохранительный клапан на 3 бара сбрасывает воду уже при первом выходе на режим.

Расширительный бак решает задачу так: часть объёма контура занимает газовая полость, отделённая эластичной мембраной. Когда вода расширяется, мембрана прогибается и сжимает газ — давление растёт, но в разы медленнее. Бак работает как пружина и держит давление в рабочем диапазоне.

Без бака возможны три сценария, и все они плохие:

• система сбрасывает воду через клапан при каждом нагреве и завоздушивается;
• при остывании в контуре возникает разрежение, подсасывается воздух через неплотности;
• автоматика котла уходит в ошибку по давлению, и отопление отключается.

Коэффициент объёмного расширения воды

Прибавка объёма зависит от того, насколько нагрелась вода и от какой температуры считать. В инженерных расчётах расширение считают относительно температуры закачки холодной системы, обычно 10 °С.

Зависимость нелинейная и растёт быстрее, чем температура. Интервал 20–40 °С даёт прибавку 0,6 %, а интервал 60–80 °С — уже 1,2 %. Поэтому при переходе с 80 на 90 °С объём бака увеличивается не на 0,7 %, а на 24 %: с 15,3 до 19,0 л для системы 200 л.

Полезный объём бака

Полезный объём — это та часть бака, которую занимает прибавившаяся вода. Он считается прямо:

Для системы 200 л при 80 °С: V_п = 200 · 0,0287 = 5,74 л. Именно столько воды бак должен принять, чтобы давление в контуре не поднялось выше настройки клапана.

Полный объём мембранного бака

Полезный объём — это не объём бака. В баке всегда остаётся «мёртвый» объём газа, который нельзя сжать до нуля, и часть воды, которая не может вытесниться. Отношение полезного объёма к полному называется коэффициентом эффективности:

Через избыточные давления та же формула выглядит как η = (p_макс − p_пред) / (p_макс + 1). Полный объём бака:

V_б = V_п / η

Вернёмся к примеру: при p_пред = 1,5 бар и клапане на 3,0 бар абсолютные давления равны 2,5 и 4,0 бар, η = (4,0 − 2,5) / 4,0 = 0,375. Тогда V_б = 5,74 / 0,375 = 15,3 л, ближайший стандартный типоразмер — 18 л.

Обратите внимание на рычаг: подняв предварительное давление с 1,5 до 2,0 бар, вы получите η = (4,0 − 3,0) / 4,0 = 0,25, а расчётный полный объём вырастет с 15,3 до 23 л и потребуется бак на 24 л вместо 18. Настройка бака напрямую меняет его требуемый объём — поэтому «накачаю побольше, чтобы лучше держало» работает ровно наоборот.

Расчёт бака калькулятором

Калькулятор считает коэффициент расширения по температуре и типу теплоносителя, находит полезный объём, коэффициент эффективности по вашим давлениям, полный объём бака, рекомендованный типоразмер и проверяет давление в верхней точке системы. Подготовьте объём системы (как его посчитать — в таблице ниже), максимальную температуру, настройку предохранительного клапана и высоту от бака до верхнего прибора.

Как посчитать объём системы

Объём теплоносителя складывается из котла, труб, приборов и бойлера. Объём труб считается по внутреннему диаметру, а не по наружному: у полимерных труб разница достигает 30 %.

Объём приборов и оборудования:

Прикидка для дома 150 м²: 20 секций биметаллических радиаторов (4 л), 90 м полимерных труб 20 мм (18 л), 40 м труб 25 мм (13 л), тёплый пол 20 м² (18 л), настенный котёл (5 л) и бойлер (8 л) — итого около 66 л. Если добавить водяной теплоаккумулятор на 500 л, объём системы вырастает почти в девять раз, и бак нужен уже на 40–50 л.

Проверка по давлению в верхней точке

Объём бака — только половина задачи. Вторая половина — правильно задать предварительное давление, потому что оно определяет, будет ли в верхней точке системы избыточное давление.

Правило простое: давление в верхней точке системы не должно опускаться ниже 0,5 бар. Иначе автоматический воздухоотводчик не сможет выпустить воздух (ему нужен перепад с атмосферой), а насос начнёт кавитировать.

Давление в верхней точке считается так: из предварительного давления вычитается вес столба воды от бака до верхнего прибора. Один метр столба даёт 0,0981 бар, то есть примерно 0,1 бар на метр.

Пример: бак стоит на полу котельной, верхний радиатор на 6 м выше. При p_пред = 1,5 бар в верхней точке будет 1,5 − 6 · 0,0981 = 0,91 бар. Запас над минимальными 0,5 бар есть, всё в порядке. А если бак стоял бы в подвале, на 12 м ниже верхней точки, давление там составило бы 1,5 − 1,18 = 0,32 бар — воздух бы не выходил, и ни один объём бака этого не исправил бы.

Открытые расширительные баки и их недостатки

Открытый бак — ёмкость, соединённая с атмосферой и установленная в наивысшей точке системы. Он применяется в системах с естественной циркуляцией и в старых гравитационных схемах, где давление не превышает 0,5–1 бар.

Недостатки принципиальные, а не эксплуатационные:

• Кислород. Открытая поверхность постоянно насыщает теплоноситель воздухом. Коррозия стальных труб и котла ускоряется в 2–3 раза, а воздушные пробки появляются снова через несколько дней после продувки.
• Испарение. Открытая поверхность испаряет воду, подпитку приходится делать вручную несколько раз за сезон.
• Привязка к высоте. Бак обязан стоять выше самой верхней точки системы, иначе он не работает как расширительный.
• Замерзание. В неотапливаемом чердаке вода в баке и в переливной трубе замерзает, при оттаивании система теряет герметичность.

В системах с циркуляционным насосом, а это практически все современные дома, применяются только закрытые мембранные баки. Подбор насоса — в статье про циркуляционный насос.

Пример для системы объёмом 200 л

Исходные данные: закрытая система с настенным котлом, объём теплоносителя 200 л, вода, максимальная температура 80 °С, предохранительный клапан на 3,0 бар, бак на 6 м ниже верхнего прибора, предварительное давление 1,5 бар.

1. Коэффициент расширения при 80 °С: E = 2,87 % (плотность 971,8 против 999,7 кг/м³ при 10 °С).
2. Полезный объём: V_п = 200 · 0,0287 = 5,74 л.
3. Абсолютные давления: P_пред = 1,5 + 1 = 2,5 бар, P_макс = 3,0 + 1 = 4,0 бар.
4. Коэффициент эффективности: η = (4,0 − 2,5) / 4,0 = 0,375.
5. Полный объём: V_б = 5,74 / 0,375 = 15,3 л.
6. Типоразмер: ближайший из ряда 8 / 12 / 18 / 24 / 35 / 50 — 18 л.
7. Давление в верхней точке: 1,5 − 0,0981 · 6 = 0,91 бар (больше 0,5 бар, проверка пройдена).

Что изменится, если поднять температуру до 90 °С: E вырастет до 3,56 %, V_п до 7,13 л, V_б до 19,0 л, и потребуется уже бак на 24 л. Разница в цене между 18 и 24 л невелика, поэтому для твердотопливных котлов с температурой подачи 90–95 °С бак берут с запасом на ступень.

Частые ошибки

Подбор бака по мощности котла. Объём бака зависит от объёма системы, а не от мощности. Два котла по 24 кВт в домах одинаковой площади потребуют разных баков, если один работает с 40 л воды в радиаторах, а второй с 500-литровым теплоаккумулятором.

Давление закачки «на глаз». Бак, накачанный до 2,5 бар при клапане на 3 бара, имеет коэффициент эффективности 0,125 и требует втрое большего объёма. Если он этого объёма не имеет, клапан будет сбрасывать воду при каждом нагреве.

Расчёт расширения от 20 °С. Коэффициент E считается от температуры холодной закачки, обычно 10 °С. Расчёт от 20 °С занижает прибавку примерно на 5 % — для системы 200 л это около 0,3 л, что как раз на границе между типоразмерами 12 и 18 л.

Установка бака на подаче вместо обратки. Мембрана большинства бытовых баков рассчитана на 70–90 °С. На подаче твердотопливного котла температура доходит до 95 °С, и мембрана теряет эластичность за один-два сезона.

Бак без штуцера для подкачки. Дешёвые баки без клапана подкачки нельзя обслуживать: давление газовой полости со временем падает, и бак перестаёт принимать воду. Берите модели с ниппелем.

Отсутствие проверки верхней точки. Бак с правильным объёмом, но заниженным давлением даёт завоздушивание и кавитацию насоса. Проверка по верхней точке — обязательный шаг, а не опция.

Частые вопросы

Какой объём расширительного бака нужен для 200 л системы?

При максимальной температуре 80 °С вода прибавляет 2,9 % объёма, то есть 5,74 л на систему 200 л. При предварительном давлении 1,5 бар и клапане на 3 бара коэффициент эффективности бака 0,375, поэтому полный объём бака 5,74 / 0,375 = 15,3 л, а ближайший стандартный типоразмер — 18 л.

Какое давление должно быть в расширительном баке?

Предварительное давление газовой полости равно статическому давлению столба воды от бака до верхней точки системы плюс 0,5 бар запаса. При высоте 6 м это 0,59 + 0,5 = 1,1 бар, на практике ставят 1,2–1,5 бар. Проверять надо на холодной системе, слитой со стороны воды, обычным автомобильным манометром.

Почему вода уходит через предохранительный клапан?

Три причины: бак завышен по давлению закачки, бак мал по объёму или мембрана порвана. Если предварительное давление близко к настройке клапана, бак не принимает расширение и вся прибавка воды сбрасывается. Проверьте давление в газовой полости и объём бака по формуле V_п / η.

Можно ли использовать открытый расширительный бак?

Можно только в системах с естественной циркуляцией и низким давлением. Открытый бак насыщает теплоноситель кислородом, из-за чего стальные трубы и котёл корродируют в 2–3 раза быстрее, испаряет воду и требует установки в самой верхней точке. В закрытых системах с насосом применяют только мембранные баки.

Что делать, если расчёт даёт объём больше 50 л?

Брать бак из расширенного ряда (80, 100, 150, 200 л) или ставить несколько баков меньшего объёма, включённых параллельно. Суммарный объём должен быть не меньше расчётного. Для систем тепловых аккумуляторов на 500–1000 л одного бака обычно мало.

Что дальше

Объём бака считается от объёма системы, поэтому следующий шаг — уточнить тепловую нагрузку и схему: расчёт мощности котла даёт представление о требуемой мощности, диаметр труб определяет, сколько воды поместится в контуре, а циркуляционный насос создаёт тот перепад, который бак обязан удерживать в допустимых границах.