Тепловой насос «вода-вода»: устройство, принцип работы, правила обустройства отопления на его базе

Для отопления и обеспечения горячей водой частных домов целесообразно использовать тепловой насос вода-вода, работающий от природных источников – подземных вод, рек, водоемов и т.д. Система отличается абсолютной экологической безопасностью, не требует регулярных затрат на расходные материалы, поэтому становится все более востребованной.

Мы расскажем о вариантах устройства теплового насоса, использующего эко-энергию воды для передачи ее бытовым отопительным системам. Для любознательных домашних мастеров мы описали принципы работы популярных вариантов устройства и технологию сооружения. У нас вы узнаете, какое оборудование потребуется для работы системы.

Принцип работы теплового насоса вода-вода

Тепловой насос воплотил в себе принцип цикла Карно. Он заключается в том, что движущееся вещество по замкнутой системе и меняющее под воздействием химических, физических или термических факторов свое агрегатное состояние из жидкого в газообразное высвобождает и поглощает огромное количество тепловой энергии.

В роли рабочего вещества выступает тепловой носитель — вода из скважины или водоема.

Даже зимой в природных источниках на определенной глубине сохраняется положительная температура, поэтому из них круглый год можно извлекать тепловую энергию. Единственный недостаток установки – высокий расход электроэнергии и необходимость закупки дополнительного оборудования.

На схеме изображена траектория циркуляции воды и хладагента. Система позволяет получать тепловую энергию, независимо от сезона

Основные элементы теплового насоса вода-вода:

• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• расширительного индукционного клапана;
• автоматическая система, осуществляющая контроль показателей;
• множественные магистрали из медных труб;
• рабочее вещество (хладагент).

С помощью специального насоса вода поступает по трубкам из источника в тепловую установку, после чего взаимодействует с газом (фреоном), закипающим при температуре +2-3 градуса. Фреон поглощает часть тепла воды и всасывается компрессором, где во время сжатия его температура повышается.

Оборудование теплового насоса занимает немало места, но предоставляет возможность избавиться от коммунальной зависимости

Далее хладагент поступает в конденсатор, после чего горячее вещество нагревает воду до заданной температуры (от +40 до +80 градусов), которая транспортируется по трубам системы отопления.

Охлажденная вода поступает в испаритель, затем сливается в приемную скважину. После прохождения конденсатора хладагент становится жидким и собирается на дне элемента, затем через дроссель возвращается в исходное место. Далее цикл повторяется.

На что смотреть при обустройстве такого отопления?

Существует большое количество различных модификаций тепловых насосов, предназначенных для помещений любого назначения и размера, а также работающих в разных условиях. Оборудование предназначено для отапливания домов общей площадью 50 до 150 квадратных метров.

Ориентир №1 — жесткость воды

Качество воды скважины или водоема играет важную роль при выборе оборудования. Не все модели способны работать на жесткой воде, содержащей большое количество марганца и железа.

Высокая концентрация этих элементов вредит системе – на трубах быстрее образовывается коррозия, что ведет к уменьшению КПД оборудования и сроков его эксплуатации.

Поэтому перед покупкой теплового насоса берут пробу воды и делают ее анализ на наличие этих и других микроэлементов – сероводорода, аммиака, хлора и т.д. Обычно если в пруду температура превышает +13 градусов, то с большей долей вероятности в воде много ионов железа и марганца.

Таким образом, тепловой насос вода-вода подбирается с учетом жесткости воды. Есть системы, элементы которой максимально защищены от коррозии, но стоят они дороже.

Ориентир №2 — режим работы

Тепловой насос может использоваться в качестве единственного источника тепла или взаимодействовать с другими системами. Поэтому перед выбором модели важно определить, в каком режиме устройство будет работать.

Всего существует два типа функционирования системы:

• Моновалентный. Приборы обладают большой мощностью, подходят для отапливания дома.
• Бивалентный. Менее производительные устройства, дополняют основное обогревательное оборудование.

Для сооружения автономной системы с основным нагревательным агрегатом вода-вода, нужен моновалентный тип.

Ориентир №3 — мощность насоса

Мощность – важный показатель при выборе теплового насоса, так как от него зависит производительность системы. Чем выше мощность, тем выше КПД оборудования, но и расход электроэнергии больший.

Производительность теплового насоса вода-вода подбирается, исходя из реальных потребностей

При выборе устройства с недостаточной мощностью эффективность системы упадет в случае, если теплопотери дома превысят количество отдаваемой системой энергии. Тепловой насос может работать круглосуточно, но эффекта от него не будет из-за понижения температуры воды.

Когда теплопотери постройки ниже, чем теплоотдача системы, то насос обычно автоматически запускается на несколько минут, нагревает воду до установленной температуры, транспортирует ее по системе. После чего выключается до момента, когда температура понизится на несколько градусов. Затем цикл повторяется.

Ориентир №4 — функцинал конкретной модели

Тепловые насосы могут обладать дополнительными функциями, это:

• Система автоматического управления, которая позволит регулировать микроклимат помещения по вкусу. Управление обычно осуществляется с помощью дистанционного пульта.
• Функция нагрева воды для горячего водоснабжения.
• Шумоизоляционный корпус.
• Возможность подключения к другим системам отопления, солнечным коллекторам, что сделает оборудование для обогрева полностью автономным.

Длительность эксплуатации тепловых насосов вода-вода обычно превышает 30 лет.

Не менее важным при выборе оборудования считают стоимость установки и монтажа.

Расчет необходимой мощности теплового насоса

Перед покупкой системы важно предварительно составить проект и вычислить необходимую мощность оборудования. Производительность высчитывается с учетом фактических потребностей в тепловой энергии. Берутся во внимание расходы тепла, теплопотери дома и наличие или отсутствие контура ГВС.

Алгоритм расчета:

1. Вычисляем общую площадь отапливаемых помещений.
2. Определяемся с необходимым количеством энергии для отопления. Оптимальный показатель на 1 квадратный метр – 0,07 кВт.
3. Чтобы протопить дом на N квадратных метров, понадобиться N*0,07 кВт.
4. Для ГВС к полученному числу добавляют дополнительно 15-20%, то есть N*0,07*0,85 или N*0,07*0,80.

Это расчет будет оптимальным для помещений с потолками, не превышающими высоту 2,7 м. Более точные вычисления сделают специалисты во время составления проекта.

Подготовительные работы перед эксплуатацией

Подготовка к сборке, подключению и вводу в эксплуатацию теплового насоса из серии вода-вода включает ряд стандартных этапов, с которыми мы далее ознакомимся.

Выбор оптимального источника воды

Следует отметить, что далеко не каждый открытый источник или водяная скважина подойдут для бесперебойного функционирования теплового насоса. Качество воды играет важную роль, но проблему загрязненности помогут решить фильтры.

Допустимо использовать водоем или пруд, расположенный в радиусе 100 метров от постройки. Если подобного источника нет, то возникает необходимость бурения скважин.

Выбор источника для теплового насоса следует ориентировать на простоту и стоимость использования. В случае расположенного рядом открытого водоема разумней использовать его

Поведение открытого источника более предсказуемо, чем грунтовых вод, поэтому при возможности предпочтение лучше отдать водоемам.

Установка тепловой системы с использованием скважины

Для установки системы с использованием теплового насоса понадобится две скважины. Одну из скважин принято называть дебетовой. Именно в нее погружается специальный насос, с помощью которого происходит отбор воды для последующей обработки в системе. Вторая скважина – приемная. В нее сливается охлажденная вода.

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

Глубина дебетовой скважины не должна превышать 50 метров. Чем глубже располагается источник воды, тем мощнее потребуется насос для ее подачи, что увеличит количество расходуемой энергии.

Устройство дебетовой скважины

Перед началом эксплуатации дебетовой скважины важно узнать, сколько воды она способна дать и какое количество жидкости необходимо, чтобы обеспечить теплом все помещение. Чем выше температура воды, тем меньше ее понадобится для обогрева.

Важно предварительно рассчитать объем V, который нужно выкачивать из скважины в течение часа для обогрева помещения. Допустим, есть насос, теплопроизводительность которого равна некоторому числу Q кВт, а потребляемая мощность – числу P кВт. Также понадобиться узнать температуру грунтовых вод (t1) и их температуру после темплообмена (t2).

Тогда формула расчета объема необходимого количества воды за час выглядит так:

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

Определить способность дебетовой скважины выдавать нужный объем воды аналитически невозможно, поэтому проводят ее тестирование. В течение 3 дней насос бесперебойно перекачивает воду из скважины. Таким образом осуществляется проверка и приемной скважины на возможность принимать необходимое количество воды при высокой нагрузке.

Важно понимать, что грунтовые воды ведут себя непредсказуемо, поэтому воды из дебетовой скважины может со временем стать меньше. Например, весной наблюдаются приливы, а зимой, наоборот, вода убывает. Если воды в скважине не хватает, то система автоматически отключается, отопление не происходит.

Особенности приемной скважины

Приемный трубчатый колодец располагают ниже по течению подземных вод. Определить, в каком направлении движется вода, аналитически невозможно. Поэтому на практике выбирают произвольную скважину в качестве дебетовой и запускают в нее погружной насос.

Если во время эксплуатации системы уровень воды не опускается, то выбор сделан правильно. Если уровень опустился, а температура воды понизилась, то необходимо поменять скважины местами — перенести погружной насос в другое отверстие.

Сливную трубу в приемную скважину необходимо погрузить на несколько сантиметров в воду, не доходя до дна. Если сбрасывать отработанную жидкость сверху, то это приведет к заболачиванию. Трубчатый колодец может прекратить принимать воду и забиться.

Результат грозит переливом, а в зимнее время возможным обледенением. Лучшим вариантов для приемного источника является река или пруд. Если данных объектов рядом нет, то возникает необходимость бурить еще одну или несколько приемных скважин, чтобы подстраховаться на случай перелива.

На рисунке продемонстрирован пример использования одной скважины в качестве приемной и дебетовой

Узнать, будет ли скважина принимать воду, невозможно ни аналитическим, ни тестовым способом. Практика показывается, что сливная скважина может бесперебойно поглощать воду долгие годы, а может и вовсе выйти из строя за один сезон.

Существуют технологии, позволяющие использовать одну скважину в качестве дебетовой и приемной, но этот метод не эффективен – эксплуатация будет сопровождаться трудностями, возможно понижение температуры воды, заболачивание и ряд других проблем.

Устройство системы с использованием водоема

Выбранный пруд должен быть достаточно глубоким, чтоб нижние слои воды не промерзали во время сильных морозов. В Южных регионах оптимальная глубина составит примерно 1 метр, в Северных потребуется источник с глубиной от 3 метров. Также пруд должен быть стабильным – недопустимы колебания уровня воды, ее уменьшение.

К водоему ведется два трубопровода – дебетовый и приемный. В приемный устанавливается погружной насос

В качестве труб рекомендуется использовать модели из ПНД, отличающиеся долговечностью и надежностью. Важно защитить трубы от промерзания, дополнительно утеплив их, и от прорывов.

Подготовка дома к установке теплового насоса

Для взаимодействия с тепловым насосом вода-вода в доме должна быть оборудована система отопления на водной основе, представленная в виде труб, радиаторных батарей. Для лучшего утепления в пол и стены также допустимо монтировать отопительные трубы.

Если оборудование будет использоваться для подачи горячей воды, то в доме должна присутствовать система ее сбора. Для работы насоса понадобиться подключение к электрической сети с неограниченным питанием.

Без дополнительных мероприятий по теплоизоляции дома (утепления снаружи, установки двухкамерных окон и т.д.) эксплуатация теплового насоса не имеет смысла.

Специалисты рекомендуют дополнительно установить систему вентиляции приточного типа с механизмом обогрева воздуха. Используемый в оборудовании фреон вреден для человека. Если в контуре системы произойдут микроразрывы, то газ высвободиться и тем самым вытеснит из помещения воздух. Хладагент может вызвать у человека обострение заболеваний легких, приступы удушья.

Тепловой насос является тяжелым оборудованием, его вес может достигать тонны (зависит от мощности и размеров), поэтому для его установки в некоторых случаях необходимо возведение собственного фундамента, не соединенного с фундаментом коттеджа.

Перед установкой оборудования нужно учесть допустимые размеры помещения, выдержать расстояние до стен, указанное в паспорте изделия.

Дополнительное оборудование

Выбор дополнительного оборудования для теплового насоса – ответственная задача, решение которой во многом определяет долгосрочность службы отопительной системы в целом и отсутствие проблем в эксплуатации.

Погружной насос для скважин и водоемов

Если в системе тепловой насос используется для подачи горячей воды, то устройство с небольшой мощностью может понижать давление в кранах. Мощный насос решит эту проблему, но он потребляет больше энергии. Минимальная допустимая мощность при эксплуатации ГСВ — 1 кВт.

Существует множество различных модификаций погружных насосов. Выбор осуществляется с учетом трех критериев, это:

• Количество жидкости, используемой для перекачивания (чем больше воды придется транспортировать, тем выше должна быть мощность насоса).
• Глубина скважины (чем глубже скважина, тем большей должна быть мощность оборудования);
• Диаметр скважины (традиционно отдают предпочтение 4-дюймовым шахтам, поскольку для них создано наибольшее количество насосов, в отличие от 3-дюймовых).

Чтобы определить глубину скважины, необходимо на веревку закрепить груз и опустить в шахту. Мокрая часть веревки укажет на полную глубину скважины, сухая определит расстояние от начала воды до поверхности.

Насос погружают в ствол скважины на глубину, указанную производителем устройства. Обычно в техпаспорте обозначено, сколько должно быть метров между зеркалом воды и насосом, дном выработки и насосом

Для шахт могут подойти как универсальные насосы, так и оборудование, специально созданное для скважин. Если разработкой шахты занимались профессионалы, то она меньше засоряется песком, поэтому можно смело использовать универсальный насос.

Насосы, спроектированные специально под скважины, стоят дороже, но они отлично справляются с песком и грязью, меньше засоряются. Универсальные чувствительны к большому содержанию органики, их необходимо регулярно очищать от грязи, в результате чего срок их эксплуатации уменьшается.

Отдать предпочтение стоит насосам с автоматикой, поскольку при перегреве мотора, излишнего засора или отсутствия воды в скважине они отключаются самостоятельно, в результате чего двигатель не перегревается и не выходит из строя.

По принципу действия различают 2 вида погружных насосов:

• Центробежные.
• Вибрационные.

Для работы в скважинах, добывающих воду в известняке, предпочтительнее центробежные глубинные модели. Они чувствительны к воде с песчинками и глинистой взвесью.

Если тепловой насос будет подключен к открытому водоему, использовать лучше поверхностное насосное оборудование, предназначенное для перекачки грязной воды, или недорогое вибрационное устройство.

Промежуточный теплообменник теплового насоса

В тепловых насосах во время циркуляции фреон может недостаточно хорошо охлаждаться, что приводит к перегреву компрессора в результате чрезмерной температуры нагнетания. Поэтому важно улучшить охлаждение вещества, тем самым понизив давление в контурах.

Существует еще одна проблема, характерная для всех тепловых насосов, – хладагент может смешиваться с парами воды. Если жидкость попадет в компрессор, то может произойти гидроудар. В этом случае понадобиться ремонт или замена детали. Также вода может попасть в масло, а извлечь ее оттуда затруднительно.

Все вышеописанные проблемы решает установка промежуточного теплообменника. Теплообменники бывают трех видов – открытого типа, кожухотрубные и змеевиковые.

Модификация открытого типа нейтрализует жидкость, попавшую во фреон при циркуляции, что минимизирует вероятность гидроудара компрессора. Устройство отличается высокой производительностью при минимальных затратах мощности.

При установке теплообменника открытого типа важно верно подобрать размер жидкостного трубопровода, чтоб обеспечить минимальное сжатие давления

Грамотно подобранные трубы позволят нейтрализовать возможность закипания жидкости. При этом клапан должен иметь достаточную пропускную способность, чтобы жидкость при низкой разнице давлений смогла проникнуть в устройство.

Кожухотрубный теплообменник представлен в виде закрытой конструкции. Теплообмен происходит через стенки труб, а жидкость и хладагент в нем не смешиваются, в отличие от открытого, что обеспечивает высокое давление для циркуляции пара и воздуха.

Змеевиковый теплообменник отличается наличием регулятора расхода, управляющего потоком жидкого фреона. Размер устройства напрямую зависит от мощности теплового насоса. Выбрать изделие необходимо с учетом функционала и располагаемой суммы. Желательно отдать предпочтение разборным моделям.

Фильтры для теплового насоса

Вода из скважин или водоемов поступает не в чистом виде. В ней может встречаться песок, грязь, различные микроэлементы – железо, сероводород, марганец, хлор, аммиак и др. Перед поступлением в тепловой насос вода должна быть отфильтрована.

Прежде всего, необходимо устранить крупные вещества – камни, песок, грязь, ил. Чтобы убрать их из воды, необходима установка гидроциклона.

Гидроциклон — устройство, требующееся для грубой очистки воды. Выбрать его необходимо с учетом мощности насоса

Далее важно установить фильтры, устраняющие железо, сероводород, марганец, аммиак. Эти микроэлементы сокращают срок эксплуатации оборудования, подвергают его коррозии.

Можно воспользоваться фильтрами обратного осмоса, умягчителями, обезжелезивателями и их модификациями. Для обеспечения питьевой горячей воды дополнительно следует оборудовать угольные фильтры и УФ-стерилизатор, уничтожающий бактерии и вирусы.

Электрогенератор для резервного питания

Тепловые насосы работают от электрической сети, поэтому, если произойдет отключение электропитания, то дом останется без обогрева. Целесообразно дополнительно приобрести электрогенератор, работающий на горючих веществах.

Важно, чтоб электрогенератор мог вырабатывать необходимую мощность для работы компрессора насоса

Особенности эксплуатации такого теплового насоса

Раз в год необходимо проводить самостоятельный визуальный осмотру узлов насоса, выполнять рекомендации по техническому обслуживанию – своевременно смазывать детали, следить за корректностью работы прибора при перекачивании воды.

Некоторые виды оборудования нуждаются в регулярной проверке (обычно 1-2 раза в год) специалистов сервисного центра. В ходе проверки выявляют:

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

Монтаж теплового насоса вода-вода следует поручить обученным специалистам. Неэффективность системы чаще всего связана с ее неправильной установкой. Тепловое оборудование пригодно для эксплуатации как жителями Южный регионов, так и Северных.

Выводы и полезное видео по теме

Ролик ознакомит с принципом действия и особенностями устройства:

В качестве итогов, можно сделать вывод, что тепловой насос вода-вода считается эффективным экологически безопасным оборудованием, созданным для обогрева домов площадью до 150 кв метров. На обустройство помещения большей площади уже могут понадобится довольно сложные инженерные изыскания.

Если возникли вопросы в ходе ознакомления с представленной информацией, задавайте их, пожалуйста, в блоке, расположенном ниже. Ждем ваших комментариев, вопросов по теме, рассказов и фото о собственноручном сооружении мини-гидроэлектростанции. Нам интересно ваше мнение.