Тепловой насос «вода-вода»: конструкция, механика работы и рекомендации по установке системы отопления

Для отопления и горячего водоснабжения загородных домов хорошо подходит тепловой насос типа вода-вода, который берет энергию из природных ресурсов – рек, озер, подземных вод и т.п. Эта система отличается высокой экологической безопасностью и отсутствием постоянных расходов на расходные материалы, что делает её всё более популярной.

В данной статье мы обсудим, как устроен тепловой насос, использующий водные ресурсы для передачи тепла в домашние отопительные системы. Мы подробно объясним принцип работы наиболее известных моделей, а также технологии их установки. Также вы получите информацию о необходимом оборудовании для функционирования системы.

Механизм работы теплового насоса вода-вода

В основе работы теплового насоса лежит цикл Карно. Этот процесс состоит в том, что рабочее вещество, перемещающееся по замкнутой системе и изменяющее свое агрегатное состояние под воздействием физических, химических или тепловых факторов, поглощает и выделяет большие объемы тепла.

В качестве рабочего вещества используется водный теплоноситель – вода из источников.

Даже в зимний период, на определенной глубине, температура воды в природных источниках остаётся положительной, что позволяет круглый год извлекать тепловую энергию. Единственным недостатком такого оборудования является высокий расход электроэнергии и необходимость в покупке дополнительного оборудования.

На схемах можно увидеть путь циркуляции воды и хладагента. Данная система позволяет получать тепловую энергию в любое время года.

К ключевым компонентам теплового насоса вода-вода относятся:

• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• расширительный клапан;
• автоматизированная система контроля;
• медные трубопроводы;
• рабочее вещество (хладагент).

Специальный насос подает воду из источника в тепловую установку, где она взаимодействует с фреоном, который закипает при температуре 2-3 градуса Цельсия. Фреон абсорбирует часть тепла от воды и попадает в компрессор, где его температура увеличивается за счет сжатия.

Хотя оборудование теплового насоса занимает довольно много пространства, оно обеспечивает независимость от коммунальных услуг.

Следующий этап – хладагент проходит в конденсатор, где он нагревает воду до нужной температуры (от 40 до 80 градусов), которая затем подается в отопительную систему.

Охлажденная вода возвращается в испаритель, а затем сбрасывается в приемную скважину. После прохождения через конденсатор хладагент снова становится жидким и скапливается внизу элемента, после чего через дроссель возвращается в исходное состояние. Цикл повторяется снова.

С конструктивной точки зрения, тепловой насос может быть представлен как перевернутый холодильник. Здесь испаритель находится в воде, а часть, генерирующая тепло, располагается на поверхности земли.

Внутренний блок геосистемы вода-вода предназначен для нагрева теплоносителя, который используется для обогрева и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы для индивидуальных загородных зданий представлены компактными моделями, использующими воду из открытых водоемов или скважин, а также антифриз, заложенный в грунтовых системах.

Различные модели тепловых насосов могут потреблять от 5 до 25% энергии, в то время как оставшаяся часть используется для работы инженерных систем.

Что учитывать при установке такой системы отопления?

Существует множество различных моделей тепловых насосов, которые могут быть использованы для помещений разнообразных типов и размеров, а также в разных климатических условиях. Эти устройства предназначены для обогрева домов площадью от 50 до 150 квадратных метров.

Критерий №1 — качество воды

Состав воды из скважин или водоемов имеет ключевое значение при выборе оборудования. Не каждая модель может нормально функционировать на жесткой воде, содержащей значительное количество марганца и железа.

Высокая концентрация этих элементов негативно сказывается на системе, так как приводит к более быстрому образованию коррозии на трубах, что уменьшает эффективность работы оборудования и сокращает срок его службы.

Поэтому перед приобретением теплового насоса следует провести анализ проб воды на содержание этих и других микроэлементов, таких как сероводород, аммиак, хлор и т.д. Обычно, если температура в пруду превышает 13 градусов Цельсия, то с высокой вероятностью вода содержит много ионов железа и марганца.

Таким образом, выбор теплового насоса типа вода-вода должен основываться на жесткости воды. Существуют системы, элементы которых максимально защищены от коррозии, но такие модели стоят дороже.

Критерий №2 — режим работы

Тепловой насос может использоваться как основное источником тепла или в комбинации с другими системами. Поэтому перед выбором устройства следует понимать, в каком режиме оно будет работать.

Существует два режима работы:

• Моновалентный. Модели с большой мощностью, предназначенные для полного обогрева дома.
• Бивалентный. Менее мощности, которые могут дополнять основное обогревательное оборудование.

Для создания автономной системы с использованием теплового насоса вода-вода подойдет моновалентный тип.

Критерий №3 — мощность устройства

Мощность является важным параметром при выборе теплового насоса, так как она напрямую влияет на производительность системы. Чем выше мощность, тем выше эффективность оборудования, но и затраты на электроэнергию будут больше.

При выборе устройства с недостаточной мощностью эффективность системы может снизиться, если потери тепла в здании превышают объем вырабатываемого тепла. Тепловой насос, даже будучи работающим круглосуточно, не даст результата при понижении температуры воды.

При меньших теплопотерях в здании, чем теплоотдача системы, насос обычно автоматически включается на короткое время, нагревает воду до заданной температуры и подает ее в систему. Затем устройство выключается, пока температура не упадет на несколько градусов, после чего процесс повторяется.

Критерий №4 — функционал конкретной модели

Некоторые тепловые насосы могут иметь дополнительные функции, такие как:

• Система автоматического управления, позволяющая настраивать климат в помещении по желанию, обычно с помощью пульта дистанционного управления.
• Функция нагрева воды для горячего водоснабжения.
• Шумоизоляционный корпус.
• Способность подключаться к другим системам отопления, включая солнечные коллекторы, обеспечивая полную автономность.

Срок службы тепловых насосов типа вода-вода часто превышает 30 лет.

Не менее важным аспектом при выборе оборудования является стоимость установки и монтажа.

Расчет необходимой мощности теплового насоса

Прежде чем приобретать систему, необходимо составить проект и подсчитать требуемую мощность оборудования. Производительность рассчитывается с учётом реальных потребностей в тепловой энергии, включая тепловые потери дома и наличие или отсутствие контура горячего водоснабжения.

1. Определите общую площадь обогреваемых помещений.
2. Установите, сколько энергии необходимо для отопления. Оптимальный показатель — 0,07 кВт на 1 квадратный метр.
3. Чтобы обогреть дом площадью N квадратных метров, потребуется N*0,07 кВт.
4. Для горячего водоснабжения добавьте к полученному числу 15-20%, т.е. N*0,07*1,15 или N*0,07*1,20.

Этот расчет подойдет для помещений с высотой потолков не более 2,7 метра. Более точные расчеты могут выполнять специалисты во время разработки проекта.

Подготовка к установке и эксплуатации теплового насоса

Подготовка к сборке, подключению и запуску теплового насоса системы вода-вода включает несколько стандартных этапов, которые мы рассмотрим далее.

Определение подходящего источника воды

Не каждый открытый источник или скважина подходят для бесперебойной работы теплового насоса. Качество воды имеет значительное значение, но проблему загрязнений могут решить фильтры.

Можно использовать водоем или пруд, расположенные в пределах 100 метров от здания. Если нет доступного источника, потребуется бурение скважины.

Выбор источника для работы теплового насоса должен основываться на простоте и экономичности его использования. При наличии рядом открытого водоема, его использование будет более рациональным.

Поведение открытых водоемов предсказуемо в отличие от подземных источников, поэтому рекомендуется выбирать водоемы, если это возможно.

Галерея изображений

Создание и обустройство геотермальной скважины для теплового насоса не всегда оправдывает финансовые затраты.

Наиболее простой и экономичный вариант испарителя – это свернутые в кольца трубы, размещенные в ближайшем водоеме.

Одним из главных достоинств использования водоема является невысокая цена установки системы, которая использует бесплатную природную энергию.

Если тепловой насос начинает работать менее эффективно, трубы достают, проводят осмотр и устраняют выявленные дефекты.

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

Монтаж тепловой системы с использованием скважины

Для организации системы теплового насоса необходимо две скважины. Первую называют дебетовой; в нее помещается специальный насос, который осуществляет отбор воды для дальнейшей обработки в системе. Вторая скважина функционирует как приемная, куда сбрасывается 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 располагается источник воды, тем больший мощность потребуется для ее подачи, что в свою очередь увеличивает расход электроэнергии.

Конструкция дебетовой скважины

Перед началом эксплуатации дебетовой скважины важно определить ее продуктивность и необходимый объем воды для отопления всего помещения. Чем выше температура воды, тем меньше ее требуется для обогрева.

Важно рассчитать объем V, который необходимо откачивать из скважины в течение часа для эффективного обогрева помещения. Предположим, что имеется насос с теплопроизводительностью Q кВт и потребляемой мощностью P кВт. Также необходимо знать температуру подземных вод (t1) и их температуру после передачи тепла (t2).

Формула для расчета необходимого объема воды за час будет следующей:

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

Аналитически определить, сколько воды может выдавать дебетовая скважина, невозможно, поэтому проводится ее тестирование. В течение трех дней насос будет круглосуточно перекачивать воду из скважины, что позволяет проверить работоспособность самой приемной скважины в условиях высокой нагрузки.

Следует учитывать, что уровень подземных вод может колебаться, и со временем дебетовой скважины может оказаться недостаточно. Например, весной уровень воды может повыситься, а зимой снизиться. Если воды недостаточно, система автоматически отключится, и отопление не будет осуществляться.

Характеристики приемной скважины

Приемную скважину устанавливают ниже по течению водоносного слоя. Определить направление движения воды трудно, поэтому на практике выбирается произвольная скважина для соединения с насосом.

Если в процессе эксплуатации уровень воды остается стабильным, значит, выбор был верным. В противном случае, если уровень понизится и температура воды также упадет, необходимо поменять местами скважины, переместив погружной насос.

Сливная труба должна быть погружена на несколько сантиметров в воду, но не до дна. Сливка отработанной жидкости сверху может привести к заболачиванию. Приемная скважина может перестать принимать воду и забиться.

Это может вызвать перелив, а в зимнее время привести к обледенению. Идеальным вариантом для приема воды являются река или пруд. В отсутствие таких объектов может возникнуть необходимость в бурении дополнительных скважин для исключения риска перелива.

На изображении представлен пример, когда одна скважина используется как приемная и дебетовая.

Установить, будет ли скважина принимать воду, невозможно ни с помощью расчетов, ни опытным путем. Практика показывает, что приемная скважина может долго эффективно функционировать, но может и быстро выйти из строя.

Существуют методы, позволяющие использовать одну скважину как дебетовую и приемную, однако это решение неэффективно и может приводить к множеству трудностей, таких как снижение температуры воды и заболачивание.

Создание системы с использованием водоема

Выбранный пруд должен быть достаточно глубоким, чтобы его нижние слои не замерзали в холодную погоду. В южных регионах оптимальная глубина составляет около 1 метра, в северных – от 3 метров. Кроме того, пруд должен оставаться стабильным, то есть колебания уровня воды недопустимы.

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

Рекомендуется использовать трубы из ПНД, обладающие высокой прочностью и надежностью. Необходимо предусмотреть защиту труб от замерзания и повреждений, утеплив их.

Подготовка дома к установке теплового насоса

Для нормального функционирования теплового насоса в доме должна быть организована система отопления на водной основе, включающая трубопроводы и радиаторы. Для лучшего теплоизоляции также можно монтировать обогревательные трубы в пол и стены.

Если оборудование будет использоваться для подачи горячей воды, необходимо наличие системы для ее сбора. Для работы насоса обязательно подключение к источнику электроэнергии с постоянным электроснабжением.

Без дополнительных теплоизоляционных мероприятий (внешнее утепление, установка двухкамерных окон и т. д.) использование теплового насоса нецелесообразно.

Специалисты также рекомендуют установить систему приточной вентиляции с обогревом, так как используемый в системе фреон является токсичным для человека. Если в контуре системы возникнут микроразрывы, газ может вырваться, вытесняя воздух из помещения. Хладагент может спровоцировать обострение заболеваний дыхательных путей и вызвать приступы удушья.

Тепловые насосы – это тяжелое оборудование, вес которых может достигать тонны (в зависимости от размеров и мощности), поэтому для установки иногда требуется возведение отдельного фундамента, не связанного с основанием дома.

Перед установкой нужно учитывать размеры помещения и оставлять расстояние до стен в соответствии с рекомендациями производителя.

Дополнительное оборудование

Выбор дополнительного оборудования для системы теплового насоса – важная задача, от правильного решения которой зависит долговечность работы отопительного устройства и устранение проблем с эксплуатацией.

Погружной насос для скважин и водоемов

Если тепловой насос предназначен для подачи горячей воды, то насос с небольшой мощностью может вызывать падение давления в кранах. Мощный насос может устранить эту проблему, однако потребляет больше электроэнергии. Минимальная допустимая мощность для работы ГСВ составляет 1 кВт.

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

• Объем жидкости, который необходимо перекачивать (чем больше воды нужно транспортировать, тем выше должна быть мощность насоса).
• Глубина скважины (глубокие скважины требуют более мощного оборудования);
• Диаметр скважины (обычно выбираются 4-дюймовые шахты, так как для них производят наибольшее количество насосов, в отличие от 3-дюймовых).

Для определения глубины скважины к веревке прикрепляют груз и опускают в ствол. Мокрая часть веревки покажет общую глубину скважины, а сухая – расстояние от уровня воды до поверхности.

Насос опускается в скважину на глубину, указанную в технической документации. Обычно в паспорте изделия указано расстояние между уровнем воды и насосом, а также между дном скважины и насосом.

Существуют как универсальные насосы, так и те, что специально предназначены для скважин. Если скважина была пробурена профессионально, она меньше подвержена загрязнению песком, поэтому можно использовать универсальный насос.

Покупка насосов, разработанных специально для скважин, стоит дороже, но они хорошо справляются с песком и грязью, меньше загрязняются. Универсальные насосы более восприимчивы к большому содержанию органики и требуют постоянного обслуживания, что сокращает их срок службы.

Рекомендуется выбирать насосы с автоматическим отключением, которые при перегреве, сильном загрязнении или отсутствии воды в скважине сами отключаются, что предотвращает перегрев и поломку мотора.

По принципу работы можно выделить два типа погружных насосов:

Для скважин, находящихся в известняковых слоях, лучше использовать центробежные глубинные модели. Они чувствительны к воду с частицами песка и глинистым содержимым.

Если насос будет подключен к открытому водоему, то лучше применять поверхностные насосы, предназначенные для откачки грязной воды, или не дорогие вибрационные устройства.

Промежуточный теплообменник для теплового насоса

В процессе работы тепловых насосов фреон может недостаточно остывать, что приводит к перегреву компрессора из-за поднимающихся температур. Поэтому критически важно улучшить охлаждение вещества, чтобы снизить давление в контуре.

Существует еще одна проблема, присущая любым тепловым насосам: хладагент может смешиваться с водяными парами. При попадании жидкости в компрессор может произойти гидроудар, что потребует ремонта или замены элемента. Кроме того, вода может попасть в смазку, и избавиться от нее будет весьма затруднительно.

Все вышеперечисленные проблемы можно решить, установив промежуточный теплообменник. Эти устройства бывают трех типов: открытого, кожухотрубного и змеевикового.

Теплообменник открытого типа предназначен для нейтрализации жидкости, которая может попадать во фреон во время циркуляции, тем самым снижая риск гидроудара компрессора. Он отличается высокой эффективностью при минимальном потреблении энергии.

При установке открытого теплообменника важно правильно подобрать диаметр жидкостного трубопровода, чтобы минимизировать давление сжатия.

Корректно подобранные трубы помогут избежать закипания жидкости. Также клапан должен обладать достаточной пропускной способностью, чтобы жидкость могла пройти в устройство при низком давлении.

Кожухотрубный теплообменник имеет закрытую конструкцию. Процесс теплообмена осуществляется через внутренние стенки труб, что исключает смешивание жидкости и хладагента и обеспечивает высокое давление для циркуляции пара и воздуха.

Змеевиковый теплообменник оснащен регулятором потока, который управляет количеством жидкого фреона. Размер устройства напрямую зависит от мощности теплового насоса. При выборе следует учитывать функциональность и бюджет, предпочтение лучше отдать разборным моделям.

Фильтрация воды для теплового насоса

Вода из скважин и естественных водоемов rarely бывает чистой. В ней могут присутствовать песок, грязь и различные микроэлементы, такие как железо, сероводород, марганец, хлор, аммиак и другие. Поэтому перед подачей в тепловой насос вода должна пройти фильтрацию.

Сначала нужно удалить крупные частицы: камни, песок, грязь и ил. Для этого необходимо установить гидроциклон.

Гидроциклон — это устройство, предназначенное для первичной очистки воды. Его выбор зависеть от производительности насоса.

Далее необходимо установить фильтры для удаления железа, сероводорода, марганца и аммиака. Эти микроэлементы могут существенно сократить срок службы оборудования и вызвать коррозию.

Можно применять фильтры обратного осмоса, умягчители, устройства для обезжелезивания и различные их модификации. Для получения питьевой горячей воды рекомендуется дополнительно установить угольные фильтры и УФ-стерилизатор для уничтожения бактерий и вирусов.

Электрогенератор для резервного питания

Tепловые насосы зависят от электроснабжения, поэтому в случае отключения электроэнергии дом окажется без отопления. Рекомендуется приобрести электрогенератор, работающий на топливе.

Важно, чтобы электрогенератор мог обеспечивать необходимую мощность для функционирования компрессора насоса.

Особенности эксплуатации теплового насоса

Необходимо проводить ежегодный визуальный осмотр узлов насоса, следуя рекомендациям по техническому обслуживанию: своевременно смазывать детали, контролировать правильную работу оборудования при перекачивании воды.

Некоторые типы оборудования требуют регулярной проверки (обычно 1-2 раза в год) специалистами сервисного центра. В ходе такого осмотра выявляют:

• протечки масла через трещины в системе;
• качество креплений и соединений;
• уровень давления в баках и контурах;
• неисправности в работе силовой проводки.

Монтаж теплового насоса система вода-вода следует доверить квалифицированным специалистам. Неэффективность системы часто возникает из-за ее неправильной установки. Тепловое оборудование подходит для использования как в южных, так и северных регионах.

Заключение и полезное видео по теме

Представленный видеоролик ознакомит вас с принципом работы и особенностями устройства:

В заключение можно сказать, что тепловой насос системы вода-вода является эффективным и экологически безопасным оборудованием, предназначенным для обогрева домов площадью до 150 квадратных метров. Для помещений больших размеров могут потребоваться более сложные инженерные решения.

Если у вас есть вопросы по вышеизложенной информации, пожалуйста, задавайте их в комментариях ниже. Ждем ваших мнений, вопросов по теме, а также рассказов и фотографий о создании мини-гидроэлектростанций своими руками. Нам интересно ваше мнение.