Отопление очень просто! Часть 2.

Вводная часть

Идея, время которой пришло. (Преимущества применения первично/вторичных систем отопления)

    В первой части "Отопление-это очень просто"  мы постарались максимально просто изложить основные сведения и практические подходы, необходимые для построения несложных систем отопления. Однако, "за кадром" остались важные тонкие детали правильного обустройства котельной (или "топочной"), вопросы расчета и подбора циркуляционных насосов , согласованной работы котлов и разноплановых потребителей тепла (контуров отопления и теплых полов, бойлера горячей воды, подогрева бассейна и т.д.).
    Мы надеемся, что все, здесь изложенное поможет Вам легко решить эти вопросы, даст ясное общее представление, не усложняя , а упрощая.
     Поэтому, возможно, информация будет полезна архитекторам, частным застройщикам, строительным инженерам, монтажникам систем отопления, то есть всем тем, кто планирует или принимает участие в строительстве "умного" и экономного дома.
    Концепция первично/вторичной насосной отопительной системы родилась в США сразу после второй Мировой войны. Она, а также идея применения гидронных котлов  с теплообменником из ребристых медных труб  были порождены необходимостью практического решения задач проектирования отопительных систем. На протяжении многих лет использования такие системы доказали свои неоспоримые преимущества.
 

    В основе первично/вторичной концепции – идея транспортного кольца, по которому автомобили могут двигаться только в одном направлении, иногда сворачивая на боковую (вторичную) дорогу. Движение по вторичной дороге двухстороннее, т.е. автомобили и сворачивают на нее с кольца, и вновь заезжают на кольцо (первичное).
    Точно так же организованы первично/вторичные гидравлические тепловые схемы. Под действием кольцевого насоса вода (теплоноситель) циркулирует по первичному кольцу постоянно, а при включении насосов вторичных контуров затекает в эти контуры из кольца, и затем вновь возвращается в первичное кольцо.
    Так же, как дорожное кольцо осуществляет функцию транспортной развязки, первичное кольцо в первично/вторичной схеме играет роль гидравлической развязки системы отопления.
 

    На вторичных кольцах располагаются потребители тепла (радиаторы, напольное отопление, горячее водоснабжение, подогрев бассейна и т.д.) и генераторы тепла (котлы, теплообменники, солнечные батареи и др.).
   Кольцевая концепция делает систему более оперативной, менее инерционной, быстро откликающейся на запрос тепла, приходящий от любого потребителя (зоны). Поэтому применение малоинерционных гидронных котлов еще более улучшает скоростные характеристики системы в целом.
   Применение этих двух концепций одновременно дает возможность специалистам предлагать своим заказчикам надежное и современное решение их задач.

     Сегодня, как никогда, котлы и технологии первично/вторичной системы помогут достичь специалистам по отопительным системам высокой конкурентоспособности. Используя простые рекомендации Вы получите возможность контролировать уровень комфорта в помещениях, значительно повысив при этом эффективность работы отопительной системы.
    Направленное движение теплоносителя в первичном кольце дает несколько сильных преимуществ в управлении теплом и, скорее всего, Вы будете использовать эту систему и с другими типами котлов.
    Кроме того, Вы сможете собрать такую систему из стандартных, легко монтируемых компонентов. Вы найдете первично/вторичную систему гораздо более простой в монтаже и наладке, чем любые системы, с которыми Вы знакомы.

Старая проблема решена. (История возникновения идеи первично/вторичной системы)

    В то время, когда принудительная циркуляция еще не применялась в отоплении, специалисты по отопительным системам стояли перед проблемой:

Каким образом заставить поток воды двигаться в нужном направлении, если основной движущей силой являются свойства горячей воды?

    В те годы применялись системы только с естественной циркуляцией. Горячая вода поднимается вверх, благодаря тому, что становится легче холодной. В случае, когда потоку "окажется легче" устремиться в ближайший стояк, практически невозможно заставить его двигаться через радиатор.
     Для того, чтобы оставаться конкурентоспособными, подрядчики, проектировавшие и монтировавшие водяное отопление, предпочитали устраивать однотрубные системы, так же, как их конкуренты - подрядчики по паровым системам. Но что может заставить воду двигаться через радиатор, если схема его присоединения к стояку следующая:
 

    По законам природы вода будет подниматься по стояку, как по пути с наименьшим сопротивлением. Единственная возможность направить воду в радиатор - это увеличить гидравлическое сопротивление вдоль стояка. Именно так и поступали раньше.
    Для этого применялись т.н. всасывающие тройники, которые создавали сопротивление в стояке больше, чем сопротивление в подводке к радиатору. В таком тройнике часть воды отделяется от основного потока в стояке и проходит через радиатор.
    Это была простая идея (никаких механических частей), но она требовала некоторых расчетов. Например, подрядчик должен был знать, применить один или два таких специальных тройника. Ответ зависел от диаметра стояка, размера радиатора и длины труб подводки. После многочисленных проб и ошибок, подрядчики приходили к выводам о том, что возможно и что невозможно сделать в решении этой проблемы.
     К тридцатым годам большинство подрядчиков в области водяного отопления отошли от систем с естественной циркуляцией. Циркуляционные насосы дали возможность применять стояки и трубы значительно меньших диаметров (и гораздо более дешевых).
    Но для того, чтобы вода проходила через отопительные приборы, им опять приходилось применять специальные разделяющие тройники.
 

    Такие тройники производились несколькими компаниями. Дальше на рисунке показан тройник с запрессованным внутрь конусом. При сужении потока в конусе теряется часть напора воды в стояке. В результате радиатор оказывается под действием перепада давлений и через него возникает циркуляция воды. Установив один такой тройник, подрядчик получал определенный поток воды через радиатор, применив два - получал больший поток.
 

    Понятно, что без таких специальных тройников, подрядчик испытывал все ту же проблему: Вода не идет через радиатор!
    Вода всегда движется по пути наименьшего сопротивления. Поэтому долгое время большинство подрядчиков применяли эти специальные тройники. А затем, совершенно случайно, пришло открытие. В начале 50-х годов один подрядчик смонтировал отопительную систему с всасывающими тройниками в одном из офисов в Нью-Йорке. К сожалению, трубы, подводящие воду от стояков к радиаторам оказались слишком длинными, и, к его разочарованию, он обнаружил, что циркуляция воды через радиатор незначительна, даже при том, что он установил два всасывающих тройника - на подающей и обратной трубе. Причина была в том, что падение давления в подводке (из-за большой длины труб) было больше, чем гидравлическое сопротивление по стояку (даже при двух тройниках!).
    Подрядчик, работая совместно с проектировщиком и изготовителем всасывающих тройников, решил провести эксперимент. Он установил на подводке к радиаторам маленькие циркуляционные насосы. Затем он запустил эти насосы одновременно с основным насосом системы. К его радости, радиаторы грелись очень хорошо!
    От этого открытия оставался лишь один короткий шаг к тому, чтобы понять, что если "первичный" насос (основной насос системы) работает постоянно, то можно, периодически включая и выключая "вторичные" насосы, каждый радиатор сделать независимой зоной отопления.

Независимость колец в системе

    В основе первично/вторичной системы нет никаких инженерных сложностей. Вы сможете легко применить такую систему в Вашей следующей работе, ощутив при этом, как повышается Ваша конкурентоспособность, как подрядчика.
     Начнем с рассмотрения этого простого трубопроводного (первичного) кольца.
 

     Ничего сложного.
     Это лишь однокольцевая система с циркуляционным насосом. Очевидно, если включить насос, вся вода, выходящая из котла, пойдет по этому кольцу. Вода будет циркулировать, потому что у нее нет выбора. Циркуляционный насос создает разницу давлений, и вода движется. Она движется и движется по кругу, как чертово колесо. И так же, как в чертовом колесе, не происходит никакого подъема. В закрытой системе, как эта, вес воды, поднимающейся вверх, уравновешивается весом воды, движущейся вниз. Здесь нет никакого подъема воды на высоту, только циркуляция. Циркуляционный насос работает только на преодоление сопротивления трубы и котла.
     Представим, что мы присоединили второе (вторичное) кольцо к основному. При этом мы не будем устанавливать всасывающие тройники, о которых говорили выше, а установим обычные тройники и вентиль на участке трубы между тройниками.

 

    
  Будет ли вода циркулировать по второму кольцу?
     Это зависит от того, открыт ли вентиль полностью, закрыт ли он, или находится в промежуточном положении. Вентиль играет роль ворот (или семафора), которые направляют воду в ту или иную сторону. Вентиль создает разницу между сопротивлением вторичного кольца и сопротивлением участка трубы между тройниками. Увеличивая или уменьшая величину сопротивления при помощи вентиля, мы определяем величину потока воды по второму кольцу. Можно получить тот же эффект применением всасывающих тройников. Они, собственно и представляют собой такой же вентиль, имеющий только одно, фиксированное положение.
    Эффекта всасывающего тройника можно достичь применением трубы меньшего диаметра на участке между тройниками, потому что при одном и том же расходе воды труба меньшего диаметра имеет большее гидравлическое сопротивление, чем труба большего диаметра.
    Итак, все, о чем мы говорим, связано с падением давления. Но ни один из этих методов не позволяет нам простым способом начать, прекратить или изменить объем циркуляции воды через второе кольцо.
    Давайте попробуем что-либо еще.
    Уберем вентиль на участке трубы между тройниками, а во вторичном кольце смонтируем циркуляционный насос (вторичный насос).
    Теперь у нас есть кое-что, с чем можно поработать! Первичный насос будет у нас работать постоянно. Когда вторичный насос отключен, циркуляции воды через вторичное кольцо не будет, т.к. сопротивление (падение давления) вдоль вторичного кольца больше, чем падение давления (сопротивление) на участке трубы между двумя тройниками.

 

     Но когда мы включим вторичный насос, по второму кольцу пойдет столько воды, сколько нам нужно, обеспечивая циркуляцию, т.к. работа вторичного насоса изменяет соотношение падений давления во вторичном кольце.

 

     Теплопотери по подающему трубопроводу первичного кольца минимальны, потому что он не проходит через зоны теплообмена. Через эти зоны проходят только вторичные кольца. Как первичное, так и вторичные кольца работают совершенно независимо друг от друга.

Что происходит на участке трубопровода между тройниками

     Это важно, потому что в традиционных (без применения первично/вторичных колец) коллекторных системах с двумя параллельно работающими насосами, когда один насос более мощный, чем другой, иногда возникают проблемы. Поток, создаваемый менее мощным насосом, иногда не может "войти" в участок общего трубопровода, по которому циркулирует поток, создаваемый более мощным насосом, из-за разницы давлений, которые развивают эти насосы. Вот пример этого:
 

     Два насоса, развивающих один больший, другой - меньший напор, имеют общий участок трубопровода в направлении движения потока между точками А и В (через котел). Допустим, насос с большим напором работает, а с меньшим - отключен. Высоконапорный насос создает большое давление в точке А, но когда поток достигает точки В,давление становится меньше, потому что часть давления, создаваемого насосом, срабатывается за счет гидравлического сопротивления трубопровода (и котла). Поток "хочет" двигаться в обход, через трубопровод насоса меньшего напора, т.к. вода всегда течет в направлении наименьшего сопротивления, но в данном случае поток так двигаться не сможет из-за установленного обратного клапана.

     Теперь включим низконапорный насос. Он также развивает определенное давление, но этого давления может оказаться недостаточно, чтобы открыть обратный клапан. Он не в силах этого сделать лишь потому, что разница давлений в точках А и В слишком велика. Результат – отсутствие циркуляции в цепи низконапорного насоса.
 

     Теперь посмотрите, чем отличаются трубопроводы в первично/вторичной системе. Давление, развиваемое высоконапорным (первичным) насосом в точках А и В почти одинаково, т.к. тройники расположены очень близко друг от друга. Нам необходимо обеспечить, чтобы максимальная длина этого участка была не больше 4-х диаметров трубы (4d). Обычно, для труб диаметром от 1.5 до 3 дюймов это расстояние не превышает предел, соответственно, от 6 до 12 дюймов (150-300 мм). Это нужно для того, чтобы сопротивление участка между точками А и В было чрезвычайно мало.
     Высоконапорный насос не будет создавать циркуляцию воды во вторичном кольце, потому что подающий трубопровод (общий участок между тройниками) является путем с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Когда мы включим низконапорный насос, он будет отбирать воду из первичного кольца в точке А, обеспечивать ее циркуляцию по вторичному кольцу и возвращать в первичное кольцо в точке В. Это произойдет потому что давление в точках А и В практически одно и то же.
    Другими словами, первичный насос не сможет "заглушить" вторичный. Оба насоса работают как две независимые системы
    Наконец, мы обеспечили их правильное взаимодействие
 

Расход воды через общий участок

    Интересно посмотреть, что происходит в общем участке трубопровода. В зависимости от соотношения мощностей первичного и вторичного насосов и, соответственно, величины расходов воды, создаваемых первичным и вторичным насосами, мы можем заставить поток двигаться вперед, назад, или не двигаться вообще.Вот как это выглядит на рисунках:
 

    Допустим, мы подобрали как первичный, так и вторичный насосы производительностью 10литров/мин. Когда вторичный насос не работает, расход, развиваемый первичным насосом, т.е. 10литров/мин, будет циркулировать между точками А и В. Во вторичном кольце никакой циркуляции не будет.
 

    При включении вторичного насоса весь расход воды будет отбираться в точке А из первичного кольца во вторичное. Расход воды через общий участок трубопровода будет нулевым. Это происходит вследствие простого принципа: Вся вода, входящая в тройник, должна из него выйти. В данном случае у воды есть два пути выхода из тройника. И каким путем она пойдет, полностью зависит от вторичного насоса.
    Давайте теперь немного изменим условия.
 

    Вот пример небольшой системы. Допустим, производительность первичного насоса 20литров/мин, а вторичного насоса - 10литров/мин. Когда вторичный насос не работает, весь поток в 20литров/мин от первичного насоса будет проходить через общий участок трубопровода.
     Теперь включим вторичный насос. Он будет отбирать 10литров/мин через тройник в точке А. Остальные 10литров/мин пройдут через общий участок, а в точке В к ним вновь присоединятся те самые 10литров/мин, которые прошли по вторичному кольцу.
    Правило "Все, что входит в тройник, должно выйти из него" действует. Только теперь мы "расщепили" имеющийся поток на два направления. У нас имеется расход воды через общий участок трубопровода, но он составляет лишь половину потока, который был при выключенном вторичном насосе. (То, что происходит в этом случае очень похоже на то, что происходит в системе со всасывающими тройниками).
 

     Но это еще не все, потому что в первичных/вторичных системах есть еще один путь, по которому вода может двигаться вдоль участка общего трубопровода. Допустим, мы поменяем местами насосы, которые мы только что применяли. Установим насос производительностью 10литров/мин на первичном, а насос производительностью 20литров/мин на вторичном кольце. Вот так:
    Теперь смотрите внимательно. Когда вторичный насос не работает, поток воды в 10литров/мин будет проходить через общий участок трубопровода, потому что мы подобрали первичный насос такой производительности. При включении вторичного насоса, он станет отбирать через тройник в точке А 20литров/мин. Но как он сможет это сделать? Ведь в этот тройник поступает лишь 10литров/мин
    Теперь опять время вспомнить тот простой принцип: "Все, что входит в тройник, должно выйти из него". Но здесь можно его перефразировать: "Все, что выходит из тройника, должно войти в него".
    Если мы отбираем 20литров/мин через тройник, значит, те же 20литров/мин должны в него поступить с двух других сторон. Т.к. первичный насос обеспечивает лишь 10литров/мин, вторичный насос должен забрать недостающие 10литров/мин с противоположной стороны тройника. Другими словами, забрать их из своего собственного циркуляционного расхода. В этом случае, когда оба насоса работают, вода будет двигаться вдоль общего участка трубопровода в обратном направлении.
    Только подумайте об имеющихся возможностях! Можно к подаваемой воде подмешивать обратную воду и создать двухтемпературную систему (без применения трехходовых кранов), если Вам это требуется. Первично/вторичная система предоставляет Вам массу возможностей, если, конечно, у Вас есть желание работать головой и руками.
    Подумайте, например, чего можно достичь, применяя эту технику к котельным системам.

Гидронные котлы

     Эви Льюис Миллер, калифорнийский инженер и изобретатель, выдвинул идею о создании высокоскоростных, малообъемных котлов с теплообменником из прямых медных ребристых труб в 1946 году. Он был уверен, что применение этой идеи устранит процессы образования накипи и электролитической коррозии, которые значительно снижают сроки эксплуатации котлов с чугунными секционными и стальными трубчатыми теплообменниками, когда они применяются в системах нагрева воды.
    В те послевоенные годы индустрия оборудования для бассейнов в Южной Калифорнии находилась в зачаточном состоянии, и котлы Эви Миллера оказались прекрасно подходящими для использования в качестве нагревателей воды для бассейнов. Его котлы, в большинстве случаев, устанавливались под открытым небом, будучи подверженными всевозможным воздействиям. Они работали на сильно хлорированной воде с высоким содержанием кислорода. Они работали в условиях, которые были несоизмеримо хуже тех, в которых работает любой водогрейный отопительный котел. И они работали в течение многих лет.
    Учитывая экстремальные условия их эксплуатации с хлорированной, насыщенной кислородом водой бассейнов, казалось естественным применить эти котлы в системах водяного отопления по мере того, как они постоянно совершенствовались на протяжении 50-х годов.

    Чтобы объяснить, что мы имеем ввиду, рассмотрим отопление как систему, состоящую из трех основных частей:

КОТЕЛ, который мы считаем "Генератором Тепла", потому что он вводит тепло в первичное кольцо по мере необходимости;
ПЕРВИЧНОЕ КОЛЬЦО, которое мы называем "Системой Транспорта Тепла", т.к. оно доставляет тепло от "Генератора Тепла" людям, находящимся в доме, и, наконец,
ОТОПИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, или "Распределители Тепла", потому что они распределяют тепло туда и тогда, где и когда оно требуется.
    Рассмотрим каждую из этих частей.
 

Два маленьких лучше одного большого

     А теперь подумайте вот о чем: в любой другой день года котел способен производить тепла гораздо больше, чем требуется. Есть ли смысл в том, что котел работает на свою полную мощность в дни, когда наружная температура 0 или +5°С? Конечно, нет.
    Именно в такие, менее холодные дни, котлы, подключенные по принципу первично/вторичной системы, покажут свое преимущество, потому что будут производить именно столько тепла, сколько необходимо для компенсации теплопотерь здания в данный момент. Это дает Вам два преимущества, которые можно использовать в интересах Вашего заказчика: комфорт и экономия. Это дает вам лучшие аргументы по сравнению с Вашими конкурентами.
    Например, общая потребность здания в тепле (отопление плюс горячее водоснабжение) -150кВт. Вы можете подобрать один котел такой производительности. Он будет обеспечивать здание теплом и горячей водой в любой день года, но для большинства дней в году его мощность будет слишком велика.
    Однако, распределив требуемую производительность между двумя котлами, скажем, по 75кВт каждый, Вы одновременно решите несколько задач:
 

     Во-первых, разделив нагрузку, Вы признали, что не каждый день года является самым холодным днем. По "средним" дням отопительного сезона будет работать только один котел, при этом производя достаточно тепла для обогрева. Из-за того, что производительность этого менее мощного котла ближе к фактическим теплопотерям здания в такие "средние" дни, рабочие циклы малого котла будут более продолжительными, чем у одного котла двойной мощности. При применении двух котлов меньшей мощности значительно повышается общая эксплуатационная эффективность за счет снижения потерь в горячем резерве (т.е. потерь, вызванных естественным охлаждением неработающего котла). Это также снижает расходы на топливо.
    Естественно, по мере того, как погода становится холоднее, в работу включится второй котел, присоединенный последовательно, чтобы помочь первому поддерживать требуемую температуру в первичном кольце. Другими словами, эти два малых котла будут работать, как один большой, но только в самые холодные дни.

    Во-вторых, установив два котла, Вы получаете замечательное преимущество, отсутствующее в случае с одним большим котлом. Вероятность того, что оба котла одновременно будут нуждаться в ремонте, очень мала.
     Эта важная черта является причиной того, что такого типа системы применяются в больницах, школах, детских садах. Просто невозможно допустить, чтобы они оставались без тепла.

    В-третьих, подключив котлы по принципу первично/вторичной системы, Вы исключите пропускание воды через неработающий котел. Это значит, что Вы снизите теплопотери через конструкцию и облицовку котла. Работающий котел будет производить тепло, требуемое системой, а отключенный котел будет как бы отсечен от системы задвижками, хотя никаких задвижек на самом деле нет.
    Это преимущество в сочетании с малоемкостной конструкцией котла   еще более увеличивает общую эффективность работы системы.
 
    Но и это еще не все. Давайте поднимемся еще на один уровень, добавив к системе прибор управления ЕМ². Этот простой и недорогой прибор заставляет вторичный циркуляционный насос котла работать еще в течение нескольких минут после того, как основные горелки котла отключились. Тем самым насос отводит избыточное тепло от медного теплообменника и переносит его в первичное кольцо. При этом ЕМ² полностью устраняет потери котла в горячем резерве.
     Когда котлы работают в первично/вторичной системе, Вы можете распределить общую нагрузку на более чем два котла, если требуется.
    Однако мы пришли к выводу, что максимальное число котлов, которое можно рекомендовать для эффективного применения в первичной/ вторичной системе - четыре. Причина проста: экономическая выгода от установки более четырех котлов так невелика, что не окупает дополнительных усилий по монтажу.
 

    Но представьте себе возможности четырех котлов, объединенных в первично/вторичную систему, каждый из которых может переключаться из режима максимальной мощности (100%) в режим пониженной мощности (50%) и обратно. Вы можете иметь четыре котла, чутко реагирующих на потребности системы в тепле и распределяющих между собой нагрузки этой системы. Горелки одного или двух котлов могут работать в режиме максимальной мощности, в то время, как горелки третьего котла работают в режиме половинной мощности, а четвертый котел в это время отключился и находится в резерве.

Требования к расходу воды через котел

(В таблице даны циркуляционные насосы фирм Grundfos и DAB, как примеры. Вы, конечно, можете применять насосы других производителей с такими же характеристиками производительности и напора). Всегда вторичным котельным насосом закачивайте воду в котел.  Другими словами, насос должен откачивать воду от общего участка первичного и вторичного колец. Вторичный котельный насос использует этот общий участок трубопровода как свой "расширительный бак".
    В первично/вторичной системе Вам потребуется установить только один расширительный бак, независимо от того, сколько котлов Вы устанавливаете. И Вы всегда должны устанавливать этот бак на первичном кольце. Конечно, если желаете, можете установить несколько баков. Но их необходимо соединить между собой так, чтобы все они присоединялись к первичному кольцу только в одной точке. (Подробнее об этом - ниже.)
 

    Это первичное кольцо является Системой Транспортировки Тепла. Оно является вторым элементом системы. Давайте рассмотрим его подробнее.

Первичное кольцо

     Представьте себе первичное кольцо как монорельс, который опоясывает здание по периметру и транспортирует тепло от котлов к отопительным приборам. Это большой кольцевой трубопровод с относительно маленьким циркуляционным насосом, гоняющим воду по кругу.
 

     Если температура воды в первичном кольце падает ниже определенного значения, котлы посылают в него дополнительное количество тепла. Если зоны отопления испытывают потребность в тепле, насосы этих зон отбирают из него тепло, так, как если бы первичное кольцо было продолжением котла. Теперь Вы понимаете, почему можно назвать его "транспортной системой" тепла?
 

    В простейшем варианте циркуляционный насос первичного кольца должен работать постоянно в течение всего отопительного сезона, т.к. Вы не знаете, когда и какая зона будет испытывать потребность в тепле.
Если же Вы используете один из доступных электронных контроллеров («АКВАТРОЛ-2000», «КАСКОН», « RVT-06»  и т.п.) для управления котлами и насосами зон, то этот кольцевой циркуляционный насос может находиться и в выключенном состоянии, когда ни одна из зон не испытывает потребности в тепле.
     Вы подберете циркуляционный насос первичного кольца по расходу и потере напора только этого кольца. Скорее всего, Вы подберете маленький, легкодоступный насос, т.к. первичное кольцо имеет лишь несколько колен и не включает в себя ни котлов, ни отопительных приборов. Поэтому общее гидравлическое сопротивление его очень мало. Первичное кольцо – только высокоскоростная магистраль для потока воды.
     Вот еще одно преимущество первично/ вторичной системы. При устройстве коммерческой отопительной системы с одним котлом и одним насосом, Вам почти всегда потребуется насос большой производительности, который необходимо устанавливать на специальное основание. Такие насосы гораздо дороже, как по цене, так и по стоимости их установки, чем маломощные насосы, монтируемые непосредственно на трубах ( in - line ). Большие насосы требуют установки на тяжелых бетонных фундаментах, их необходимо центрировать (в т.ч. при помощи цементной стяжки) как при установке, так и периодически при эксплуатации. Они занимают значительную площадь помещений и обычно требуют значительной длины подводящих трубопроводов, чтобы избежать выхода из строя подшипников.
     Вы избежите всех этих затрат при устройстве первично/вторичной системы, потому что будете иметь дело с рядом маленьких насосов, устанавливаемых непосредственно на трубопроводах.
 

Расход теплоносителя в первичном кольце

     На самом деле, в любой системе, переносящей тепло с помощью потока нагретой воды, справедливо чуть более универсальное соотношение, чем то, которое мы ранее упомянули ( Q_n = P_n ) для перепада температуры в 14^оС.
    Тепловая мощность P (в киловаттах), выделенная (рассеянная или поглощенная) на любом участке гидравлической тепловой системы связана с расходом (протоком) воды Q (в литрах в минуту) через этот участок и перепадом температуры (в градусах) простой формулой:
 

     Значения величин в этой таблице основаны на принятых в практике соответствиях диаметров труб расходам воды. Эти практические расчеты основаны на том требовании, что скорость воды в трубах не должна достигать шумового предела (приблизительно 2 метра в секунду), и обычно она оказывается в диапазоне 1-1.5 м/c.
    Теперь, когда Вы знаете необходимый расход через первичное кольцо, для выбора циркуляционного насоса первичного кольца Вам необходимо определить требуемый напор. Воспользуйтесь этим:
 

    Это просто, не правда ли? Теперь Вызнаете расход воды и потерю напора. Все, что теперь требуется - подобрать насос по каталогу производителя.
    Кроме циркуляционного насоса, на первичном кольце устанавливаются расширительный бак системы, воздухоотделитель и вентиль подачи подпиточной воды.
     Всегда устанавливайте циркуляционный насос таким образом, чтобы он "откачивал" воду из расширительного бака; и заполняйте систему водой в точке присоединения расширительного бака.
     Так как расширительный бак подбирается, исходя из объема воды в системе, Вы получаете большое преимущество, устанавливая малоемкий котел  вместо котлов с чугунным секционным или стальным трубчатым теплообменниками, которые имеют большой водяной объем.
     Эта важная черта позволяет применять расширительные баки диафрагменного типа минимальных размеров (и стоимости. И это увеличивает Вашу конкурентоспособность
 

Важная деталь - место установки расширительного бака

    Расширительный бак является "точкой неизменного давления" в любой закрытой гидравлической системе. Это место, где перепад давлений, развиваемый работающим насосом, не оказывает никакого воздействия на статическое давление. На самом деле, циркуляционный насос использует расширительный бак, как точку отсчета, для того, чтобы "знать, что делать".

      Если насос откачивает воду от расширительного бака, то перепад давления, создаваемый насосом, будет прибавляться к величине давления заполнения (статическому давлению) системы.

     Если насос накачивает воду в расширительный бак, то перепад давления, создаваемый насосом, будет "вычитаться" из статического давления системы.

    Допустим, наш насос создает перепад давления в 10 метров водяного столба (м.в.с.). Допустим, также, что мы задали статическое давление в нашей системе (в расширительном баке) - 15м.в.с.(приблизительно 1.5 атмосферы).
    Если насос откачивает воду от этого бака, давление на напорном фланце насоса будет 25м.в.с., когда он работает. Давление на его всасывающем фланце будет 15м.в.с. (учитывая, что он расположен в непосредственной близости от точки присоединения расширительного бака).
 

     Теперь смонтируем насос с другой стороны от расширительного бака. Тогда насос будет нагнетать воду прямо в точку присоединения расширительного бака к первичному кольцу. при этих условиях, как только насос будет включен, давление с его напорной стороны будет тем же - 15м.в.с., но давление со всасывающей стороны упадет до 5м.в.с.!
    Видите? Если включить насос в кольцо таким образом, перепад давления, создаваемый насосом проявит себя как падение давления на всасывающей стороне. Вода продолжает циркулировать, потому что все же остается перепад давления в 10м.в.с., но указанное падение давления может создать проблему удаления воздуха из системы.
 

     Это очень напоминает то, что происходит, когда Вы взболтаете бутылку с газированной водой, а затем откупорите ее. Резкое падение давления, происходящее при снятии крышки, высвобождает двуокись углерода, растворенную в воде, при этом она переходит в пузырьки газа. (Вы знаете, что бывает дальше.)
     Мы бы хотели избежать проблем, вызываемых воздухом в системе, и именно поэтому рекомендуем, чтобы насос всегда откачивал воду от расширительного бака. (И помните, что вторичные (зонные) насосы используют в качестве своего "расширительного бака" общий участок трубопровода между первичным и вторичными кольцами).
     По той же самой причине подпиточная вода должна подаваться в систему в точке присоединения расширительного бака. Это единственное место системы, в котором давление не подвержено изменению работающим циркуляционным насосом. Это единственное место, по которому подпиточный вентиль "может получить информацию" о том, что в действительности происходит в системе.
     А теперь рассмотрим, как мы распределим то тепло, которое произвели.

Выбор диаметра подводящих труб

     Работа  радиаторов заключается в том, чтобы принять тепло, которое мы произвели в котельной - тепло, которое перемещается по орбите первичного кольца - и передать его в те места, где находятся люди. Радиаторы (и их вторичные кольца) являются последним элементом нашей первично/вторичной системы. Если Вы правильно подобрали по размерам все предыдущие элементы, всегда будет требуемое количество тепла между теми самыми двумя рядом расположенными тройниками, которые соединяют первичное кольцо со вторичными кольцами радиаторов.
 

     Вторичный циркуляционный насос включится по команде зонного терморегулятора для того, чтобы создать перепад давлений во вторичном кольце. Когда потребуется, этот насос нагнетет необходимое количество тепла в радиаторы.
     Вы должны подобрать диаметры подводящих труб радиаторов так, чтобы они соответствовали расходу воды, необходимому каждой отдельно взятой зоне. Способ вычисления – прежний. Сначала оцените теплопотери (мощность) конкретной зоны отопления. Зная мощность и требуемый перепад температур, вычислите расход теплоносителя (воды) через зону, а затем по таблице – диаметр труб. Например, исходя из того же самого 14-градусного перепада температуры воды в системе, с которым мы работали до сих пор, мы приходим к следующему:

     Так, если Вы подобрали размеры радиаторов для обогрева зоны, скажем, 3.8кВт суммарной мощности, Вы посмотрите в таблицу и выберете в качестве подводки трубу диаметром ¹/2".
     Просто, не так ли?
    Только установите два тройника на первичный трубопровод, соблюдая расстояние между ними. Затем установите вторичный циркуляционный насос всасывающей стороной к тройнику и подсоедините его управляющую электрическую цепь к терморегулятору зоны или общему контроллеру системы.

 

Управление подачей тепла в зону отопления

     Самый простой способ устроить зону радиаторного отопления - подключить ее в качестве вторичного кольца к первичному трубопроводу. В этом случае циркуляционный насос зоны будет включаться в ответ на команду комнатного терморегулятора; он  будет действовать как двухпозиционный орган управления (Вкл./Выкл.). Практически, насос будет регулировать степень нагрева зоны, исходя из теплопотерь зоны, которую он обслуживает.
 

     Если захотите, Вы можете смонтировать радиаторы на удалении от разводных тройников в пределах вторичного кольца. Это даст Вам возможность применить неэлектрические зонные клапаны на каждом радиаторе. Это, в свою очередь, повышает уровень контроля системы в целом. Но, если Вы решите пойти этим путем, проконсультируйтесь у производителя клапанов. В этом случае гидравлическое сопротивление каждого терморегулирующего клапана становится весьма важным фактором. Для наилучшей работы системы подберите клапаны с минимальным сопротивлением.

    Зонный циркуляционный насос подбирается по расходу воды и потере напора только одной вторичной зоны.
     Если Вам требуется подать в какую-либо зону воду низкой температуры, например, если Вы устраиваете систему напольного отопления, Вы можете применить трехходовые краны для регулировки температуры воды, подаваемой в эту зону.
    Установите трехходовой кран на всасывающем патрубке циркуляционного насоса, обращенном в сторону первичного кольца. Вот так:
 

     Трехходовой кран, будет регулировать температуру воды, а не ее расход через радиаторы. Это важно. Устройство 3-х ходовых кранов отвечает задаче управления потоком жидкости. У любого крана такого типа – три входных отверстия. Обычно, одно из них общее, а два других – переключаемые. Переключение потока жидкости происходит с помощью поворотной (или штоковой) заслонки, имеющей два крайних положения. В крайнем положении проток жидкости происходит только через одно из переключаемых отверстий. При любом промежуточном положении заслонки потоки жидкости смешиваются в некоторой пропорции. Если потоки имели разную температуру, то у выходного смешанного потока температура будет иметь какое-то промежуточное среднее значение.
 

     Это и дает возможность регулирования температуры во вторичном отопительном контуре (например, в ветке теплых полов).
    Низкотемпературное отопление – популярное сейчас направление развития комфортных систем отопления. Его суть – в двух вещах. Во-первых, максимально увеличить рассеивающую мощность тепловых приборов (т.е. практически – увеличить их размеры) для того, чтобы иметь возможность компенсировать теплопотери здания даже при относительно низких температурах теплоносителя. А во-вторых, подавать в ветки (контуры) отопления теплоноситель только той температуры, которой достаточно для компенсации теплопотерь в каждый конкретный день. Для управления температурой теплоносителя в ветках отопления и предназначены 3-х ходовые краны, поворот заслонок в которых выполняют специальные управляемые моторы (сервомоторы или серводвигатели). Управляют моторами, а значит и температурой теплоносителя, специальные электронные устройства – контроллеры. Всю необходимую информацию такой контроллер получает от датчиков температуры (теплоносителя и наружного воздуха).

Погодозависимый контроллер

    Логика работы погодозависимого контроллера проста – он вычисляет, какая температура теплоносителя соответствует сегодняшней температуре «за бортом», а затем поддерживает эту температуру в ветке отопления, выдавая сигналы (импульсы) «направо» или «налево» сервомотору, который приводит в движение заслонку 3-х ходового крана. Чем больше разница между температурой теплоносителя, которую контроллер наблюдает через датчик, и той, которую он считает нужной, тем длиннее управляющий импульс. По мере достижения желаемой температуры управляющий импульс укорачивается и, наконец, исчезает.
 

     Откуда контроллер знает, какая температура теплоносителя соответствует той наружной температуре, которую регистрирует датчик "улицы"?

 

     Эту информацию контроллер получает при настройке, когда Вы выбираете т.н. график теплового режима здания (иногда говорят «температурная кривая»).
     Выбрать необходимый график теплового режима несложно. Вы исходите из условий, которым Ваша система должна удовлетворять в самый холодный (расчетный) день в году. Допустим, Вы подобрали уровень теплового излучения радиаторов таким, который бы поддерживал комфортную температуру в здании +21°С в расчетные сутки при наружной температуре -20°С . Чтобы это обеспечить, Вам, возможно, потребуется в самый холодный день поддерживать среднюю температуру воды в радиаторах +60°С. Тогда Вы выберете такой график теплового режима, который проходил бы через точку пересечения 60-градусной воды и -20-градусной температуры наружного воздуха (график 1). Другая фиксированная точка температурного графика: 20°С теплоносителя при 20°С температуре внешнего воздуха (считается, что с этого момента в обогреве уже нет необходимости).
     В любой другой день года система будет изменять температуру теплоносителя в зависимости от тепловых потребностей для каждого отдельного дня.

    1 градус повышения температуры теплоносителя нужен для компенсации теплопотерь стандартно утепленного дома, если температура на улице опустилась на 1 градус.
 
       Если дом теплоизолирован хуже обычного или установлено меньше, чем нужно радиаторов, рассеивающих в помещения тепловую энергию, то Вам следует выбрать более «крутую» зависимость, так, чтобы температура теплоносителя была уже не 60°С, а 80°С при -20°С на улице (график 2).
 

     Но это еще не все. Допустим, в здании собралось много народу, и внутренняя температура повысилась. При подключении к контроллеру датчика внутренней температуры здания, он обнаружит это повышение и, чтобы его компенсировать, опустит график теплового режима вниз (график В).
     Другими словами, он скорректирует воздействие датчика наружной температуры воздуха и "сообразит": "Несмотря на то, что на улице холодно, здесь довольно тепло, поэтому я, пожалуй, снижу температуру теплоносителя!"
     Если кто-то внезапно откроет все окна и двери здания в очень холодный день, контроллер обнаружит и это, и мгновенно поднимет график, чтобы компенсировать дополнительные теплопотери (график С).
В результате люди в помещениях чувствуют себя комфортно.

Различные типы контроллеров отопления

     Существует много других типов контроллеров отопления. Есть контроллеры, которым можно задать режим дневных и ночных (пониженных) температур в здании (RVT-06), а есть и такие, которые поддерживают температуру воды в первичном кольце на фиксированном уровне, управляя каскадом котлов, последовательно включая или выключая котлы (КАСКОН). Есть контроллеры, управляющие горячим водоснабжением здания (СТАБИЛ). Есть приборы, совмещающие в себе все перечисленные функции (АКВАТРОЛ-1000 или АКВАТРОЛ-2000), а есть и такие, которые, контролируя только одну из функций, могут объединяться в сложные многофункциональные системы так, как будто Вы строите из детского конструктора (серия контроллеров фирмы КОМЕКСТЕРМ).
     Есть также контроллер Mighty Matic, специально для применения в первично/вторичной системе.
 

     Mighty Matic может управлять одновременно десятью ступенями режимов работы нескольких котлов. Это означает, например, что один котел может работать на полную мощность, другой - в половину мощности, остальные котлы - выключены.
     Это дает максимальную возможность контролировать уровень теплового комфорта (и уменьшает счета за топливо!). Все, что Вам нужно - выбрать и предварительно задать контроллеру график теплового режима. Mighty Matic после этого будет самостоятельно контролировать всю систему со дня установки.
     Если пожелаете, Mighty Matic будет определять порядок ступенчатого режима работы горелок нескольких котлов одновременно. Вы можете задать режим, при котором, когда система потребует тепла, котлы запускаются и останавливаются по очереди, чем обеспечивается равное время работы и, соответственно, равномерная загрузка всех котлов. Или Вы можете задать такой режим, при котором котел, установленный ближе всех остальных к дымоходу, при потребности системы в тепле, запускался бы первым, а останавливался последним, когда потребность в тепле удовлетворена; такой режим обеспечивает поток через дымоход наиболее горячих дымовых газов и, как следствие, хорошую тягу.
     Вы также можете задать Mighty Matic режим  контроля минимальной и максимальной температур теплоносителя и отключения системы, если в этом есть необходимость. Этот контроллер позволяет летом, один раз в несколько дней на короткое время включать неработающие насосы или периодически проворачивать автоматические заслонки дымоходов (если Вы их применяете). Это требуется, чтобы указанные важные элементы системы поддерживались в рабочем состоянии в течение сезона, когда отопительная система не работает.

     Приборы, осуществляющие, как и Mighty Matic, последовательное включение-выключение котлов и их ротацию в каскаде (цепочке) для более равномерного распределения нагрузки, называют каскадными контроллерами (например каскадный контроллер “КАСКОН” фирмы “КОМЕКСТЕРМ”).
     Существуют контроллеры (например, “STEP-6”  фирмы “Honeywell”), которые, кроме перечисленных выше действий, способны организовать работу цепочки из котлов разной мощности. Их преимущество состоит в том, что число возможных ступеней суммарной мощности в этом случае намного превосходит аналогичное число для одинаковых котлов. Например, котельную суммарной мощностью 450кВт можно составить из трех котлов по 150кВт, либо из трех котлов 100, 150 и 200кВт.
 

     В первом случае число возможных вариантов мощности котельной – 3 (150,300,450), а вот во втором случае их уже 7 (100, 150, 200, 250=100+150, 300=200+100, 350=200+150, 450=200+150+100).
     Логика электронного управления каскадом котлов хорошо сочетается с легкостью и удобством гидравлического подключения нескольких котлов по первично\вторичной схеме.
 

Результаты независимого сравнительного исследования

     Мы понимаем, что не являемся единственной компанией, предлагающей схемы для многокотловых систем. Существует много других систем, и преимущества каждой, декларируемые их разработчиками, могут привести Вас в замешательство при выборе системы.
     Мы уверены, что на сегодня первично/ вторичные системы являются предпочтительными. Некоторые разработчики предлагают системы, в которых обратная вода системы проходит через неработающие в данный момент котлы. Это кажется нам расточительным, но приверженцы таких систем настаивают на том, что нет никакой разницы между работой их систем и первичной/вторичной системы. Они говорят об экономии от "отсутствия необходимости применения всех этих маленьких насосов".
     Мы не согласны. Но вместо того, чтобы излагать наши аргументы по этому поводу, мы предлагаем ознакомиться с результатами независимого исследования, проведенного Национальным Бюро по Стандартам (США) в 1988 году. НБС пришло к некоторым интересным выводам, сравнив эти системы (всего их было 5):

1-я. Многокотловая система, в которой обратная вода проходит через все котлы,  вне зависимости от того, работают они или нет. Пилотные горелки постоянно горят в таких котлах.

2-я. Такая же система, что и №1,  за исключением того, что у неработающих котлов пилотные горелки не горят.

3-я. Многокотловая система по принципу  первично/вторичной.  При применении первичной/вторичной системы через неработающие котлы потока воды нет.И, как в системе №2, пилотные горелки не горят, когда котел остановлен.

4-я. Один котел большой мощности.

5-я. Многокотловая установка постоянного  действия, как если бы это был один котел большой мощности.  Другими словами, все котлы одновременно либо работают, либо отключены.
 

     Приведенный график представляет результаты исследований Национального Бюро по Стандартам.*

     Концепция  представлена на графике верхней кривой (№3). Она показывает наивысшее значение общей эффективности работы (к.п.д.) по сравнению с другими системами.

 

* Разрыв кривой и падение к.п.д. системы при нагрузке примерно 25% от максимальной происходит, когда второй котел включается в работу системы и берет на себя часть возрастающей нагрузки. Подобные падения можно ожидать при достижении 50% и 75% расчетной нагрузки, когда третий и четвертый котлы включаются в работу, но испытания в этих режимах не предусматривались программой исследований.

     Нижняя кривая представляет все остальные системы.
     Как Вы можете видеть, между ними нет таких больших различий, чтобы они могли быть представлены на графике индивидуальными кривыми. Практически, применение любой из них дает один и тот же результат.
     Это исследование ясно показывает, что прокачивание обратной воды через неработающие котлы приводит к слишком большим потерям тепла через дымоход и обшивку котлов, которые [потери] далеко не покрываются экономией на расходах, связанных с эксплуатацией котлов, установленных по принципу первично/вторичной системы. Мы думаем, что здравый смысл подсказывает Вам то же самое.
     Именно поэтому мы рекомендуем Вам применять первично/вторичную циркуляционную технику во всех многокотловых системах.

Стандартная схема котельной

     Здесь мы приводим популярную схему котельной, которая может быть реализована и в частном доме, и на предприятии. Эта схема содержит «стандартный набор» - 2 котла, контур подготовки горячей воды, контур радиаторного отопления плюс один дополнительный контур (например, контур подогрева бассейна). Схема выполнена в «классической» первично\вторичной манере. Движение теплоносителя по кольцу происходит по часовой стрелке.

 

     Эта полная схема принципиально не изменяется с увеличением числа потребителей тепла или котлов. А это, в свою очередь, дает возможность изготовить универсальный «монтажный комплект» котельной в заводских условиях, а не на месте монтажа, что значительно удешевляет монтаж.
     Схема управления такой котельной может быть легко построена из отдельных блоков. В качестве примера можно предположить, что контроль за работой котлов и температурой в кольце осуществляет КАСКОН, трехходовым краном радиаторного отопления управляет погодозависимый RVT-06 с цифровыми «вековыми» часами, которые отслеживают не только режим «день-ночь», но и выходные дни, и даже переход на летнее время. Контуром подмешивания теплых полов управляет все тот-же RVT-06, но в простейшей модификации (всего 122$), подогревом бассейна «руководит» автоматика подогрева и очистки воды бассейна.

     Первично/вторичная схема дает нам такое понятное, простое и универсальное решение!
 

Недорогое техническое решение

На следующей картинке - та же котельная, но первичное кольцо показано так, как оно обычно выглядит в монтаже: кольцо состоит и двух гидроколлекторов комплекта "ГидроЛОГО" , соединенных между собой кольцевым насосом и разъемной вставкой. Каждый коллектор, кроме отводов к котлам и потребителям, имеет гнезда для размещения термометров, манометров, расширительного бака, кранов слива и подпитки, а в верхней части – посадочные места для воздухоотводчиков.

     Перед Вами – воплощение «классической» кольцевой схемы, и теперь Вам доступна не только удачная концепция, но и готовое недорогое техническое решение
 

     Тем не менее, на практике все может быть еще проще (и дешевле), если котел только один и потребителей тепла немного. Для небольших котлов допустима схема, в которой «кольцо» пронизывает и котел, и бойлер, а потребители подключаются в соответствии с обычной схемой.
 

     Хотя приведенная схема – "дешевле некуда" , все же реально в большинстве случаев монтируемая схема выглядит, приблизительно, вот так:
 

     Такое решение не только позволяет выделить бойлер (приготовление горячей воды) из ряда других потребителей (и, может быть, обеспечить ему приоритет перед другими потребителями), но также позволяет применить стандартный элемент конструктора "ГидроЛОГО"
     Теперь, с помощью 3-х ходового крана, кольцо может изменять свою форму. Поток теплоносителя в кольце сначала проходит через котел, а затем либо идет через бойлер (если есть потребность в горячей воде), либо через гидроколлектор "ГидроЛОГО" к которому присоединены другие потребители. Если этот 3-х ходовой кран управляется контроллером СТАБИЛ (фирмы КОМЕКСТЕРМ), то кольцевой поток может делиться на два рукава в пропорции, зависящей от реального потребления горячей воды.
     Преимущество схемы, показанной на этом и следующем (монтажная схема) рисунках состоит в том, что даже тогда, когда кольцо полностью замыкается через бойлер, другие потребители, подключенные к гидроколлектору "ГидроЛОГО" не остаются совсем без тепла.
 

    Такое применение "ГидроЛОГО" обеспечивает «мягкий» приоритет горячего водоснабжения без дополнительных электронных устройств. Опять просто!

    Вы видите, концепция сама является простым способом создания последовательно усложняющихся теплогидравлических схем.
    Гидравлическая независимость отдельных контуров (вторичных колец) не только сильно упрощает проектные расчеты (сводит их к простым практическим рекомендациям), но и позволяет предложить заказчику на выбор варианты управляющей электроники: от простых и недорогих, управляющих отдельными контурами, до самых сложных, управляющих всей системой целиком.
 

    Просматривая эти страницы, мы вместе прошли путь от чистой идеи (концепции) до практического воплощения функциональной тепловой установки любой сложности простыми и доступными средствами.
Поздравляем!