Тепловой насос «вода-вода»: устройство, принцип действия и рекомендации по организации отопления с его помощью

Для отопления и горячего водоснабжения частных домов целесообразно применять тепловой насос, использующий воду, который работает на основе природных ресурсов — подземных вод, рек, озёр и т. д. Эта система отличается высокой экологичностью и отсутствием значительных затрат на расходные материалы, что делает её всё более популярной.

В дальнейшем мы расскажем о вариантах конструкции теплового насоса, который использует экологически чистую энергию воды для обогрева жилищ. Для заинтересованных домашних умельцев мы подробно изложили принципы работы популярных моделей и технологии их установки. Здесь вы узнаете, какое оборудование необходимо для функционирования системы.

Как работает тепловой насос вода-вода

Тепловой насос основывается на принципах цикла Карно. Это означает, что рабочее вещество в замкнутой системе, которое меняет свое агрегатное состояние под воздействием физических, химических или температурных факторов с жидкого на газообразное, способно поглощать и выделять значительное количество тепла.

В качестве рабочего вещества выступает тепловой носитель — вода, полученная из скважины или водоема.

Даже в зимний период в природных источниках на достаточной глубине сохраняется положительная температура, что позволяет получать тепловую энергию круглый год. Однако у установки есть недостаток — высокие энергозатраты и потребность в дополнительном оборудовании.

На схеме показан маршрут циркуляции воды и хладагента. Система обеспечивает получение тепловой энергии в любое время года.

К основным компонентам теплового насоса вода-вода относятся:

• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• расширительный клапан;
• автоматическая система для контроля параметров;
• различные магистрали из медных труб;
• рабочее вещество (хладагент).

С помощью специального насоса вода перекачивается по трубопроводам из источника в тепловую установку, где взаимодействует с газом (фреоном), который начинает кипеть при температуре 2-3 градуса. Фреон поглощает часть тепла воды и поступает в компрессор, где его температура увеличивается в процессе сжатия.

Оборудование теплового насоса занимает достаточно много места, но позволяет уменьшить зависимость от коммунальных услуг.

После этого хладагент попадает в конденсатор, где горячее вещество нагревает воду до нужной температуры (от 40 до 80 градусов), и она транспортируется по трубам системы отопления.

Охлажденная вода возвращается в испаритель, а затем сливается в приёмную скважину. После конденсации хладагент превращается в жидкость и скапливается на дне элемента, после чего через дроссель возвращается в начальное положение. Цикл повторяется.

По своей конструкции тепловой насос можно сравнить с перевернутым холодильником. В данном случае испаритель находится в воде, а теплая часть располагается на земле и обеспечивает производство тепла.

Внутренний блок системы теплообменника направлен на нагрев теплоносителя для отопительных контуров и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы, предназначенные для установки в малоэтажных зданиях, обладают компактными размерами. Они используют воду из открытых водоемов, скважин, а также антифриз из замкнутых систем, размещенных в земле.

В зависимости от конструкции и технических характеристик тепловые насосы расходуют от 5 до 25% энергии, в то время как остальная часть используется для обеспечения работы инженерных систем.

Что учесть при организации отопительной системы с помощью теплового насоса?

Существует множество различных моделей тепловых насосов, предназначенных для помещений различного назначения и размеров, а также функционирующих в различных условиях. Это оборудование подходит для отопления домов площадью от 50 до 150 квадратных метров.

Первый ориентир — жесткость воды

Качество воды в скважине или водоеме имеет решающее значение при выборе оборудования. Не все модели могут эффективно работать с жесткой водой, высокое содержание марганца и железа в которой может негативно сказаться на системе.

Повышенная концентрация этих элементов приводит к ускоренному образованию коррозии на трубах, что снижает эффективность работы установки и кратность её эксплуатации.

Поэтому перед покупкой теплового насоса обязательно нужно взять пробу воды и провести её анализ на наличие этих и других микроэлементов, таких как сероводород, аммиак, хлор и др. Обычно, если температура воды в пруду превышает 13 градусов, то с большой вероятностью в ней будет много ионов железа и марганца.

Таким образом, выбор теплового насоса вода-вода следует осуществлять с учётом жесткости исходной воды. Есть системы, которые имеют элементы, защищённые от коррозии, однако они могут быть дороже.

Второй ориентир — режим работы

Тепловой насос может работать как единственный источник тепла или в сочетании с другими системами. Поэтому прежде чем выбрать модель, важно определить, в каком режиме будет действовать устройство.

Существует два основных типа работы системы:

• Моновалентный. Эти устройства имеют высокую мощность и способны полностью отапливать дом.
• Бивалентный. Это менее мощные установки, которые дополняют основное отопительное оборудование.

Для создания автономной системы, где основным нагревателем будет тепловой насос вода-вода, необходима модель с моновалентным типом.

Третий ориентир — мощность насоса

Мощность является ключевым параметром при выборе теплового насоса, так как она влияет на производительность системы. Чем выше мощность, тем лучше эффективность оборудования, но в этом случае и потребление электроэнергии возрастает.

При выборе устройства с недостаточной мощностью эффективность системы снизится, особенно в случаях, когда тепловые потери здания превышают количество энергии, вырабатываемой установкой. Тепловой насос может работать круглосуточно, но эффективность его использования будет снижена при неполной температуре воды.

Если теплопотери дома ниже, чем тепловая отдача системы, насос обычно включается на несколько минут, нагревает воду до нужной температуры, после чего выключается до достижения снижения температуры на несколько градусов. Этот процесс периодически повторяется.

Четвёртый ориентир — функциональные возможности конкретной модели

Некоторые тепловые насосы могут обладать дополнительными функциями, такими как:

• Автоматизированная система управления, позволяющая регулировать микроклимат в помещении по личным предпочтениям. Обычно управление осуществляется с помощью дистанционного пульта.
• Функция нагрева воды для горячего водоснабжения.
• Корпус с шумоизоляцией.
• Возможность подключения к другим отопительным системам, включая солнечные коллекторы, что позволяет сделать оборудование полностью автономным.

Срок службы тепловых насосов вода-вода обычно превышает 30 лет.

При выборе оборудования также важно учитывать стоимость установки и монтажа.

Расчет необходимой мощности теплового насоса

Перед покупкой системы необходимо предварительно составить проект и рассчитать нужную мощность оборудования. Производительность определяется с учётом фактических потребностей в тепловой энергии, учитывая теплоотдачу, теплопотери здания и наличие или отсутствие контура горячего водоснабжения.

1. Вычисление общей площади отапливаемых помещений.
2. Определение необходимого количества энергии для отопления. Оптимальная норма — 0,07 кВт на 1 квадратный метр.
3. Для обогрева дома общей площадью N квадратных метров необходимо N*0,07 кВт.
4. Для горячего водоснабжения к конечному результату добавляется 15-20%, то есть N*0,07*0,85 или N*0,07*0,80.

Этот расчет будет оптимальным для помещений с высотой потолков не более 2,7 м. Более точные вычисления смогут произвести специалисты в процессе создания проекта.

Подготовительные действия перед запуском теплового насоса

Процедура подготовки к сборке, подключению и эксплуатации теплового насоса «вода-вода» включает несколько стандартных этапов, с которыми мы ознакомим вас далее.

Выбор подходящего источника воды

Важно отметить, что не каждый открытый источник или скважина подойдут для стабильной работы теплового насоса. Качество воды имеет ключевое значение, но проблему загрязнения можно решить с помощью фильтров.

Допустимо использовать водоем или пруд, который размещен на расстоянии до 100 метров от здания. Если таких источников нет, потребуется бурение новых скважин.

Выбор источника для теплового насоса следует осуществлять с учётом простоты и стоимости его использования. Если рядом имеется открытый водоем, имеет смысл его использовать.

Поведение открытых источников более предсказуемо по сравнению с грунтовыми водами, поэтому, когда это возможно, лучше использовать водоемы.

Галерея изображений

Бурение и создание геотермальной скважины для теплового насоса не всегда оправдывает затраты.

Самый доступный и простой вариант испарителя – это трубы, скрученные в кольца, которые укладываются в ближайший водоем.

Значительным преимуществом водоема является невысокая стоимость монтажа системы, использующей бесплатную природную энергию.

Если производительность теплового насоса снижается, трубы поднимают на поверхность, проверяют и устраняют неисправности.

Геотермальная скважина для теплового насоса Недорогой вариант испарителя теплового насоса Подключение труб испарителя к теплообменному устройству Трубы испарителя готовы к осмотру

Установка тепловой системы с использованием скважины

Для монтажа системы с тепловым насосом требуется две скважины. Первая скважина называется дебетовой, в неё устанавливается насос для извлечения воды, а вторая скважина – приемная, куда сливается охлажденная вода.

Сливная и подающая скважины должны находиться на расстоянии не менее 15 метров друг от друга.

Глубина дебетовой скважины не должна превышать 50 метров. Чем глубже расположена водозаборная точка, тем мощнее должен быть насос для её подачи, что приведет к увеличению энергозатрат.

Конструкция дебетовой скважины

Перед тем как начать использовать дебетовую скважину, необходимо определить, сколько воды она может предоставить и сколько потребуется для обогрева всего помещения. Чем выше температура воды, тем меньше её потребуется для отопления.

Необходимо заранее рассчитать объем V, который следует откачивать из скважины за час для отопления. Предположим, существует насос с теплопроизводительностью Q кВт и потребляемой мощностью P кВт. Также необходимо знать температуру грунтовых вод (t1) и их температуру после теплообмена (t2).

Формула для расчета необходимого объема воды за час выглядит следующим образом:

V = (Q-P)/(t1-t2).

Определить способность дебетовой скважины выдавать необходимый объем воды невозможно лишь теоретически, поэтому проводится тестирование. В течение трёх дней насос непрерывно откачивает воду, что позволяет проверить, справится ли приемная скважина с нужным объёмом воды при высоких нагрузках.

Стоит учесть, что грунтовые воды могут вести себя непредсказуемо, и с течением времени уровень воды в дебетовой скважине может снизиться. Например, весной уровень может увеличиваться, а зимой — уменьшаться. Если воды в скважине станет недостаточно, система отключится, и отопление перестанет работать.

Особенности приемной скважины

Приемный трубчатый колодец должен находиться ниже по течению подземных вод. Определить, в каком направлении движется вода, достаточно сложно. На практике выбирается произвольно одна из скважин в качестве дебетовой, и в неё устанавливается насос.

Если уровень воды во время работы системы остаётся стабильным, значит, выбор был правильным. Если уровень упал и температура воды снизилась, следует поменять местами скважины — перенести насос в другую скважину.

Сливная труба в приемной скважине должна располагаться в воде на несколько сантиметров, не доходя до дна. Если сбрасывать отработанную жидкость сверху, это может привести к заболачиванию, и трубчатый колодец может прекратить принимать воду.

Риск может привести к переливу, а зимой возможному обледенению. Лучшим вариантом для приемного источника будет река или пруд. Если таких объектов рядом нет, может потребоваться бурить дополнительные приемные скважины для подстраховки.

На изображении приведен пример использования одной скважины в роли приемной и дебетовой.

Узнать, сможет ли приемная скважина функционировать, невозможно ни аналитически, ни по тестам. Практика показывает, что сливная скважина может долго принимать воду без перебоев или может выйти из строя уже в течение одного сезона.

Существуют технологии, позволяющие использовать одну скважину в качестве дебетовой и приемной, но этот подход неэффективен и может вызвать множество трудностей, включая снижение температуры воды и заболачивание.

Конструкция системы с использованием водоема

Выбранный пруд должен быть достаточной глубины, чтобы нижние слои воды не замерзали в сильные морозы. В южных регионах оптимальная глубина составляет около 1 метра, а на севере — как минимум 3 метра. Постоянство уровня воды также критично — недопустимы его колебания.

К водоему подводятся два трубопровода — дебетовый и приемный. В приемный трубопровод устанавливается погружной насос.

Для труб лучше всего использовать модели из ПНД, обладающие прочностью и надежностью. Их необходимо защищать от промерзания с помощью утепления и предотвращать возможные прорывы.

Подготовка дома к установке теплового насоса

Чтобы тепловой насос, работающий по принципу вода-вода, мог функционировать, дом должен быть оснащен системой отопления с водяным контуром, состоящей из труб и радиаторов. Для улучшения теплоизоляции также можно установить отопительные трубы в пол и стены.

Если система будет использоваться для подачи горячей воды, необходимо предусмотреть её сбор. Насос должен быть подключен к надежному источнику электроэнергии.

Без дополнительных мер по теплоизоляции дома (например, наружные утеплители, двухкамерные окна и тому подобное) использование теплового насоса нецелесообразно.

Специалисты настоятельно советуют установить приточную вентиляцию с функцией обогрева воздуха. Фреон, применяемый в системах, вреден для здоровья человека. Если в контуре системы произойдут утечки, газ может вытеснить воздух из помещения, вызывая проблемы со здоровьем, включая обострение заболеваний легких и удушье.

Тепловой насос представляет собой тяжелое оборудование, вес которого может достигать тонны, в зависимости от мощности и размеров, поэтому для его установки иногда необходимо строить отдельный фундамент, который не будет соединен с основанием дома.

Перед установкой аппарата необходимо учесть допустимые размеры помещения и соблюдать указанные в паспорте изделия расстояния до стен.

Дополнительное оборудование

Правильный выбор дополнительного оборудования для теплового насоса — важная задача, от которой зависит срок службы системы отопления и комфорт в эксплуатации.

Погружной насос для скважин и водоемов

Если тепловой насос используется для подачи горячей воды, небольшой насос может не обеспечивать нужное давление в кранах. Мощный насос это исправит, но он потребляет больше энергии. Минимальная мощность насоса для работы с ГСВ — 1 кВт.

Существует множество моделей погружных насосов. Выбор производится с учетом трех факторов:

• Объем жидкости, подлежащей перекачке (чем больше воды необходимо транспортировать, тем выше должна быть мощность насоса).
• Глубина скважины (более глубокие скважины требуют более мощного оборудования);
• Диаметр скважины (предпочтение отдают 4-дюймовым шахтам, так как для них выпущено больше насосов по сравнению с 3-дюймовыми).

Для определения глубины скважины нужно привязать груз к веревке и опустить её в шахту. Мокрая часть веревки укажет на полное количество глубины скважины, а сухая – расстояние от уровня воды до поверхности.

Насос устанавливается в ствол скважины на глубину, указанную производителем. Обычно в паспортных данных указано расстояние между уровнем воды и насосом, дном выработки и насосом.

Для шахт подойдут как универсальные насосы, так и те, что специально предназначены для скважин. Если разработка шахты проводилась профессионалами, то она менее подвержена загрязнению песком, поэтому можно использовать универсальный насос.

Специально разработанные насосы для скважин более дорогие, но лучше справляются с песком и грязью; они реже забиваются. Универсальные насосы более чувствительны к высокому содержанию органических веществ и требуют регулярной чистки, что сокращает срок их службы.

Рекомендуется выбирать насосы с автоматикой, так как они отключаются при перегреве, заблокировке или отсутствии воды, что исключает перегрев двигателя и его выход из строя.

Существует два основных типа погружных насосов:

Для работы в скважинах с известняковыми водами предпочтительнее центробежные глубинные модели, которые более чувствительны к воде с частицами песка и глиной.

Если тепловой насос подключен к открытому водоему, лучше выбрать поверхностные насосы, предназначенные для перекачки грязной воды, или недорогие вибрационные насосы.

Промежуточный теплообменник теплового насоса

В тепловых насосах во время циркуляции фреон может недостаточно охлаждаться, что приводит к перегреву компрессора из-за чрезмерной температуры в системе. Поэтому необходимо улучшить циркуляцию, что поможет понизить давление в контуре.

Существует еще одна проблема, которая затрагивает все тепловые насосы, а именно – возможность смешивания хладагента с водяными парами. Если жидкость проникает в компрессор, это может привести к гидравлическому удару, что в свою очередь потребует ремонта или замены компонентов. Кроме того, вода может оказаться и в масле, что значительно усложняет ее удаление.

Установка промежуточного теплообменника способна эффективно решить указанные проблемы. Теплообменники делятся на три категории: открытые, кожухотрубные и змеевиковые.

Открытые теплообменники нейтрализуют жидкость, попадающую во фреон во время его циркуляции, таким образом уменьшая риск гидравлического удара в компрессоре. Эти устройства отличаются высокой производительностью при малых энергетических затратах.

При установке открытого теплообменника следует правильно выбрать размер трубопровода для жидкости, чтобы минимизировать компрессию давления.

Правильно подобранные трубы помогут устранить возможность закипания жидкости. Кроме того, клапан должен обладать достаточной пропускной способностью для обеспечения прохождения жидкости через устройство при низком давлении.

Кожухотрубный теплообменник имеет закрытую конструкцию. Теплообмен происходит через стенки труб, благодаря чему хладагент и жидкость не смешиваются, что предоставляет возможность создания высокого давления для циркуляции пара и воздуха.

Змеевиковый теплообменник имеет регулятор расхода, который управляет потоком жидкого фреона. Размер устройства непосредственно зависит от мощности теплового насоса. При выборе продукта следует учитывать его функциональные характеристики и бюджет. Рекомендуется выбирать разборные модели.

Фильтры для теплового насоса

При поступлении из водоемов или скважин, вода не всегда бывает чистой. Она может содержать песок, грязь и различные микроэлементы, такие как железо, сероводород, марганец, хлор, аммиак и другие. Для нормальной работы теплового насоса воду требуется предварительно отфильтровать.

В первую очередь, необходимо удалить крупные загрязнения – камни, песок, ил и т.д. Для их устранения потребуется установка гидроциклона.

Гидроциклон – это устройство, предназначенное для грубой очистки воды. Его необходимо выбирать с учетом мощности насоса.

Далее следует установить фильтры, которые убирают железо, сероводород, марганец и аммиак. Эти микроэлементы могут сократить срок службы оборудования и вызвать коррозию.

В качестве фильтрации можно применять системы обратного осмоса, умягчители и обезжелезиватели, а также их вариации. Для обеспечения наличия горячей питьевой воды желательно дополнительно установить угольные фильтры и УФ-стерилизаторы для уничтожения микробов и вирусов.

Электрогенератор для резервного питания

Тепловые насосы работают от электричества, и в случае отключения электрической сети дом останется без отопления. Поэтому разумно иметь под рукой электрогенератор, который работает на топливе.

Важно, чтобы электрогенератор обеспечивал необходимую мощность для работы компрессора насоса.

Особенности эксплуатации теплового насоса

Ежегодно следует проводить визуальный осмотр компонентов насоса и выполнять рекомендации по техобслуживанию – своевременно смазывать детали и следить за правильной работой устройства при перекачивании воды.

Некоторые типы оборудования требуют регулярной проверки со стороны специалистов сервисного центра (чаще всего 1-2 раза в год). В процессе инспекции необходимо обратить внимание на:

• возможные протечки масла через трещины в контуре;
• качество креплений и соединений;
• уровень давления в баках и контурах;
• неисправности в силовой проводке.

Установку теплового насоса вода-вода следует доверить квалифицированным специалистам, так как неэффективность работы системы часто связана с ее неверной установкой. Устройства могут использоваться как в южных, так и в северных регионах.

Заключение и полезное видео

Видео расскажет о принципе работы и особенностях устройства:

Исходя из всего вышеизложенного, можно утверждать, что тепловой насос вода-вода является эффективным и экологически безопасным оборудованием для отопления домов площадью до 150 квадратных метров. Для помещения большей площади могут потребоваться более сложные инженерные решения.

Если у вас возникли вопросы в ходе знакомства с представленным материалом, не стесняйтесь задавать их в комментариях ниже. Мы будем рады вашим отзывам, вопросам по теме и рассказам о вашем опыте постройки домашних мини-гидроэлектростанций. Ваше мнение интересно для нас.