Тепловой насос «вода-вода»: устройство, принципы функционирования, рекомендации по организации отопления

Для обогрева и горячего водоснабжения частных домов разумно применять тепловой насос «вода-вода», работающий на основе естественных водоемов, рек и подземных запасов воды. Данная система абсолютно экологична и не требует постоянных затрат на расходные материалы, что делает её всё более популярной.

В этой статье мы рассмотрим различные варианты конструкции теплового насоса, который использует экологически чистую энергию воды для подачи тепла в домашние отопительные системы. Любознательные мастера найдут описание принципов работы самых распространенных моделей и технологии их установки. Также мы предоставим информацию о необходимом оборудовании для эффективной работы системы.

Принцип действия теплового насоса «вода-вода»

В основе работы теплового насоса лежит цикл Карно, при котором движущаяся жидкость в замкнутой системе изменяет своё агрегатное состояние, нагревая и охлаждая в процессе большое количество тепла.

В качестве рабочего вещества используется вода, добываемая из скважины или водоема.

Даже зимой в глубоких водоемах сохраняется положительная температура, что позволяет в любое время года извлекать тепловую энергию. Единственный минус использования данной установки — это потребление электроэнергии и необходимость покупки дополнительного оборудования.

На схеме представлена процедура циркуляции воды и хладагента. Система позволяет извлекать тепловую энергию в любое время года.

Ключевыми компонентами теплового насоса «вода-вода» являются:

• компрессор;
• испаритель;
• конденсатор;
• расширительный клапан;
• автоматическая система для мониторинга параметров;
• многочисленные медные трубопроводы;
• рабочее вещество (хладагент).

С помощью специального насоса вода подается из источника в тепловую установку, где она взаимодействует с хладагентом (фреоном), который закипает при температуре +2-3 градуса. Фреон поглощает тепло от воды и поступает в компрессор, где его температура увеличивается за счёт сжатия.

Оборудование теплового насоса занимает относительно много места, но позволяет отказаться от зависимости от централизованных коммунальных услуг.

Затем хладагент попадает в конденсатор, где нагревает воду до заданной температуры (от +40 до +80 градусов), которая затем транспортируется по системе отопления.

Охлажденная вода возвращается в испаритель и затем уходит обратно в приёмную скважину. После конденсации хладагент становится жидким и собирается в нижней части элемента, где через дроссель возвращается на первоначальную позицию. Цикл повторяется.

По своей конструкции тепловой насос можно сравнить с обратным холодильником, где испаритель погружен в воду, а нагревательная часть располагается на земле, производя тепловую энергию.

Внутренний блок геосистемы «вода-вода» предназначен для нагрева теплоносителя, который будет использоваться в системах отопления и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы, предназначенные для малых зданий, отличаются компактностью и могут использовать воду из открытых водоемов, скважин или антифриз из закрытых контуров, расположенных в земле.

В зависимости от конструкции и уровня технического оснащения, тепловые насосы потребляют от 5 до 25% энергии, в то время как остальная энергия используется для обеспечения работы инженерных систем.

На что обратить внимание при организации отопления?

Существует множество модификаций тепловых насосов, подходящих для помещений различного назначения и размеров, а также работающих при различных условиях. Оборудование может использоваться для отапливания домов площадью от 50 до 150 квадратных метров.

Критерий №1 — жесткость воды

Качество воды из скважины или водоема существенно влияет на выбор оборудования. Не все модели способны справляться с жесткой водой, содержащей высокую концентрацию марганца и железа.

Высокая концентрация этих элементов может привести к коррозии труб и снижению эффективности работы системы и срока её службы.

Поэтому перед покупкой насоса важно провести анализ воды на содержание микроэлементов, таких как сероводород, аммиак, хлор и других. Чаще всего если в пруду температура превышает +13 градусов, это может указывать на высокую концентрацию ионов железа и марганца.

Таким образом, выбор теплового насоса «вода-вода» должен учитывать жесткость воды. Существуют системы, элементы которых максимально защищены от коррозии, но они дороже.

Критерий №2 — режим работы

Тепловой насос может функционировать как основной источник тепла или в сочетании с другими системами, поэтому перед выбором модели нужно определить его режим работы.

Существует два типа работы системы:

• Моновалентный. Высокомощные устройства, подходящие для основного отопления.
• Бивалентный. Менее мощные аппараты, которые дополняют основное отопительное оборудование.

Для создания автономной системы с основным нагревательным агрегатом «вода-вода» необходим моновалентный тип.

Критерий №3 — мощность насоса

Мощность является ключевым показателем при выборе теплового насоса, так как она влияет на эффективность работы системы. Более мощные устройства обладают большей производительностью, но требуют и более высоких затрат электроэнергии.

Производительность теплового насоса «вода-вода» определяется на основе актуальных потребностей в тепле.

Если выбрать насос с недостаточной мощностью, система не сможет нормально функционировать при значительных теплопотерях. Хотя насос может работать непрерывно, эффект от него будет минимальным при сниженной температуре воды.

При низких теплопотерях дом будет получать достаточно теплой воды: насос автоматически включается на несколько минут, нагревает воду до нужной температуры и выключается до следующего снижения температуры.

Критерий №4 — функциональность конкретной модели

Тепловые насосы могут иметь дополнительные функции, такие как:

• Система автоматического управления для регулирования микроклимата в помещении, обычно с помощью пульта дистанционного управления.
• Функция нагрева воды для горячего водоснабжения.
• Шумоизоляция корпуса.
• Возможность подключения к другим отопительным системам или солнечным коллекторам для обеспечения полной автономности.

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

При выборе оборудования стоит обращать внимание и на стоимость установки и монтажа.

Расчет необходимой мощности теплового насоса

Перед приобретением системы важно разработать проект и определить необходимую мощность устройства. Производительность рассчитывается с учетом фактических потребностей в тепловой энергии, включая потери тепла и наличие контура горячего водоснабжения.

1. Сначала определяем общую площадь отапливаемых помещений.
2. Устанавливаем необходимое количество энергии для отопления. Рекомендуемая норма — 0,07 кВт на 1 квадратный метр.
3. Чтобы обогреть дом площадью N квадратных метров, потребуется N*0,07 кВт.
4. Для горячего водоснабжения к полученному значению добавляем 15-20%, то есть N*0,07*0,85 или N*0,07*0,80.

Такой расчет является оптимальным для помещений с высотой потолков до 2,7 м. Более точные расчеты могут быть выполнены специалистами в процессе разработки проекта.

Хотя тепловые насосы пока не очень популярны, что связано с доступностью дешевого газа, в регионах без централизованного газоснабжения их установка может быть весьма выгодной и разумной.

На 1 кВт затраченной энергии тепловой насос производит 5-6 кВт, в отличие от электрических обогревателей, которые вырабатывают тепло только равное потребляемой энергии.

Современные модели тепловых насосов не требуют выделения отдельного помещения, они почти бесшумны и компактны, могут размещаться в прихожих, кухнях и других помещениях.

Подготовительные этапы перед эксплуатацией

Подготовка к сборке, подключению и запуску теплового насоса «вода-вода» включает несколько стандартных этапов, с которыми мы ознакомим вас ниже.

Выбор оптимального водного источника

Не все водоемы или скважины подходят для стабильной работы теплового насоса. Качество воды крайне важно, и проблему ее загрязненности можно решить с помощью фильтров.

Разрешено использовать водоем, расположенный в пределах 100 метров от строения. Если такого источника нет, то необходимо бурить скважины.

Выбор источника для установки теплового насоса должен основываться на удобстве и стоимости эксплуатации. Если рядом имеется открытый водоем, его использование становится наиболее разумным решением.

Поведение открытого источника воды становится более прогнозируемым по сравнению с подземными водами. Поэтому, если есть такая возможность, предпочтение стоит отдать именно водоемам.

Галерея изображений

Бурение и обустройство геотермальной скважины для теплового насоса не всегда оправдывает затраченные средства.

Наиболее простым и недорогим вариантом для испарителя являются трубы, свернутые в кольца и расположенные в близлежащем водоеме.

Значительное преимущество заключается в том, что использование водоема позволяет сократить затраты на монтаж системы, которая использует бесплатную природную энергию.

Если тепловой насос начинает работать менее эффективно, необходимо достать трубы для осмотра и устранения повреждений.

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

Установка теплового насоса с использованием скважины

Для установки отопительной системы с применением теплового насоса необходимо осуществить бурение двух скважин. Одна из них называется дебетовой, в неё монтируется насос, с помощью которого осуществляется отбор воды для дальнейшего использования. Вторая скважина является приемной, в которую 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 распложен источник воды, тем мощнее нужен насос для его работы, что увеличивает потребление энергии.

Конструкция дебетовой скважины

Перед началом применения дебетовой скважины важно установить, сколько воды она может выдавать и сколько жидкости нужно для обогрева помещения. С увеличением температуры воды её потребление для обогрева уменьшается.

Необходимо заранее рассчитать объем V, который будет выкачиваться из скважины в час для обеспечения теплом. Допустим, имеются насос с теплопроизводительностью Q кВт, а потребляемая мощность составляет P кВт. Также важно знать температуру грунтовых вод (t1) и их температуру после теплообмена (t2).

Формула для рассчета необходимого объема воды за час имеет следующий вид:

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

Аналитически определить, насколько эффективна дебетовая скважина, невозможно, поэтому проводят тестирование. В течение трех дней насос непрерывно откачивает воду, что помогает оценить возможность приемной скважины справляться с необходимым объемом воды при высоких нагрузках.

Следует учитывать, что уровень грунтовых вод может меняться, и со временем объем воды в дебетовой скважине может уменьшиться. Например, весной уровень воды повышается, а зимой — понижается. В случае нехватки воды для системы, она автоматически отключится, и обогрев не будет производиться.

Характеристики приемной скважины

Приемный скважинный колодец размещают ниже по течению подземных вод. Определить направление их движения аналитически невозможно, поэтому на практике выбирают произвольную скважину как дебетовую и устанавливают погружной насос в неё.

Если во время работы системы уровень воды остается стабильным, значит, выбор был правильным. При понижении уровня воды и снижении температуры необходимо поменять местами скважины — перенести насос в другое отверстие.

Сливную трубу нужно установить на несколько сантиметров ниже уровня воды в приемной скважине, но не касаясь дна. Если сбрасывать отработанную жидкость сверху, это может привести к заболачиванию. Существует риск забивания приемного колодца.

Это может вызвать переполнение, а зимой привести к замерзанию. В качестве оптимального источника для приемной скважины лучше выбрать реку или пруд. Если их нет рядом, может понадобиться бурение дополнительных приемных скважин в целях резервирования.

На рисунке показан пример использования одной скважины как дебетовой и приемной.

Установить, сможет ли определенная скважина принимать воду, невозможно ни аналитически, ни тестовым методом. Практика показывает, что сливная скважина может долго эффективно функционировать, а может выйти из строя всего за один сезон.

Существуют технологии, позволяющие использовать одну скважину как дебетовую и приемную, но этот вариант менее эффективен, поскольку эксплуатация будет сопряжена с трудностями, может наблюдаться понижение температуры воды, заболачивание и другие проблемы.

Проектирование системы с использованием водоема

Выбранный пруд должен быть достаточно глубоким, чтобы его нижние слои не промерзали в зимний период. Для южных регионов подходит глубина около 1 метра, а для северных — от 3 метров. Также требуется, чтобы уровень воды в пруду не колебался и оставался стабильным.

К водоему монтируются два трубопровода — дебетовый и приемный. В приемный требует установки погружного насоса.

Для труб лучше использовать модели из ПНД, которые отличаются долговечностью и надежностью. Важно защитить трубы от промерзания, утеплив их дополнительно, и от разрывов.

Подготовка дома к установке теплового насоса

Для взаимодействия с тепловым насосом в доме должна быть установлена система отопления на основе воды, состоящая из труб и радиаторов. Для повышения эффективности отключения допустимо дополнительно укладывать отопительные трубы в пол и стены.

Если система будет использоваться для подачи горячей воды, должна быть предусмотрена ее система сбора. Также потребуется стабильное электроснабжение без перебоев для работы насоса.

Без дополнительных мероприятий по теплоизоляции (внешнее утепление, установка двухкамерных окон и тому подобное) использование теплового насоса может быть нецелесообразным.

Рекомендуется установить приточную вентиляцию с обогревом воздуха. Фреон, используемый в оборудовании, является вредным для здоровья. В случае малейшей утечки сохраняется риск воздействия газа и возможных проблем с дыхательными путями.

Тепловые насосы могут быть довольно тяжелыми, вес может достигать тонны, в зависимости от их мощности и размеров. В некоторых случаях требуется создание отдельного фундамента, который не должен соприкасаться с основным фондом здания.

Перед установкой необходимо учитывать размеры помещения и соблюдать расстояние до стен, которое указано в паспорте устройства.

Дополнительное оборудование

Выбор дополнительного оборудования для теплового насоса является важной задачей, поскольку он существенно влияет на долговечность отопительной системы и отсутствие проблем в её эксплуатации.

Погружные насосы для скважин и водоемов

При использовании теплового насоса для подачи горячей воды небольшой мощности может возникнуть проблема с понижением давления в кранах. В данном случае мощный насос может решить вопрос, однако он требует больше энергии. Минимально допустимая мощность для работы ГСВ составляет 1 кВт.

Существует множество моделей погружных насосов, и выбор основывается на трех ключевых критериях:

• Количество жидкости, которую необходимо перекачивать (большее потребление воды требует более мощного насоса).
• Глубина скважины (чем глубже скважина, тем мощнее должно быть оборудование);
• Диаметр скважины (лучше выбирать 4-дюймовые, так как под них создано больше насосов в отличие от 3-дюймовых).

Чтобы определить глубину скважины, нужно привязать груз к веревке и опустить её в шахту. Влажная часть веревки покажет общую глубину, а сухая укажет расстояние от поверхности до уровня воды.

Насос устанавливается на глубину, указанную производителем. Обычно в тех документах отмечается расстояние между уровнем воды и насосом, а также от дна до устройства.

Насосы могут быть как универсальными, так и специализированными для скважин. Если шахта была пробурена профессионально, вероятность ее загрязнения песком меньше, и тогда можно использовать универсальные модели.

Специальные насосы для скважин стоят больше, но они хорошо справляются с песком и грязью, менее подвержены засорению. Универсальные насосы чувствительны к высокому содержанию органики и требуют чистки, что сокращает срок их службы.

Рекомендуется покупать насосы с автоматической системой отключения, так как они могут отключаться при перегреве, засорении или отсутствии воды, что предотвращает поломки.

По принципу работы различают два типа погружных насосов:

Для скважин в известняковых породах более подходят центробежные глубинные модели, так как они могут справляться с песком и глиной.

Если же тепловой насос подключается к открытым водоемам, лучше использовать поверхностные насосы для грязной воды или недорогие вибрационные устройства.

Временный теплообменник теплового насоса

В тепловых насосах во время циркуляции фреон может недостаточно эффективно охлаждаться, что приводит к перегреву компрессора из-за повышенной температуры нагнетания. Поэтому важно улучшить охлаждение, что позволяет снизить давление в контурах.

Существует еще одна задача, общая для всех тепловых насосов, – это возможность смешивания хладагента с паром воды. Если жидкость попадет в компрессор, это может привести к гидроудару, что, в свою очередь, потребует ремонта или замены поврежденной части. Кроме того, вода может просочиться в масло, и извлечение её оттуда становится довольно непростым делом.

Установив промежуточный теплообменник, можно устранить вышеперечисленные недостатки. Существует три категории теплообменников: открытые, кожухотрубные и змеевиковые.

Модель открытого типа помогает устранить жидкость, которая попала во фреон в процессе циркуляции, тем самым снижая риск гидроудара компрессора. Это устройство отличается высокой эффективностью и низким потреблением энергии.

При установке открытого теплообменника нужно точно подобрать размер трубопровода для жидкости, чтобы минимизировать сжатие давления.

Правильно подобранные трубы помогут избежать закипания жидкости. Кроме того, клапан должен обеспечивать достаточный поток, чтобы жидкость могла проходить в устройство даже при низком давлении.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой запечатанную конструкцию, где теплообмен происходит через стенки труб, и в отличие от открытых аналогов, жидкость и хладагент там не контактируют, что создает высокое давление для циркуляции пара и воздуха.

Змеевиковый теплообменник имеет встроенный регулятор расхода, который контролирует поток жидкости фреона. Размер этого устройства зависит от мощности конкретного теплового насоса. При выборе модели важно учитывать ее функциональные характеристики и бюджет. Рекомендуется обратить внимание на разборные варианты.

Фильтры для теплового насоса

Вода из источников или водоемов не всегда бывает чистой. В ней могут находиться песок, грязь и различные химические элементы, такие как железо, сероводород, марганец, хлор и аммиак. Перед поступлением в тепловой насос воду необходимо тщательно отфильтровать.

Сначала следует удалить крупные примеси, такие как камни или песок. Для этого потребуется установка гидроциклона.

Гидроциклон — это устройство, предназначенное для первичной очистки воды. При его выборе нужно учитывать мощность насоса.

Затем важно установить фильтры, которые устранят железо, сероводород, марганец и аммиак, так как эти элементы могут сократить срок службы оборудования и вызвать коррозию.

Можно использовать фильтры обратного осмоса, умягчители и специализированные устройства для удаления железа и их модификации. Для обеспечения получения горячей питьевой воды рекомендуется дополнительно монтировать угольные фильтры и УФ-стерилизаторы, которые уничтожают микробы и вирусы.

Электрогенератор для резервного питания

Тепловые насосы нуждаются в электричестве, и в случае отключения электропитания дом останется без тепла. Поэтому стоит подумать о покупке электрогенератора, работающего на топливе.

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

Особенности эксплуатации теплового насоса

Каждый год необходимо самостоятельно проводить визуальный осмотр узлов насоса и следовать рекомендациям по техническому обслуживанию, включая регулярное смазывание деталей и мониторинг их работы при перекачивании воды.

Некоторые системы требуют периодической проверки (обычно 1-2 раза в год) специалистами сервисного центра. Во время проверки анализируются:

• протечки масла через трещины в контуре;
• состояние креплений и соединений;
• уровень давления в баках и контурах;
• неисправности в электрической проводке.

Установка теплового насоса системы вода-вода должна выполняться квалифицированными специалистами. Часто неэффективность системы обусловлена неправильным монтажом. Это оборудование подходит как для южных, так и для северных регионов.

Заключение и полезное видео по теме

В представленном ролике рассказывается о принципах работы и особенностях устройства:

В заключение можно уверенно сказать, что тепловой насос вода-вода является эффективным и экологически чистым решением для обогрева домов площадью до 150 квадратных метров. Для зданий большей площади может потребоваться более сложное инженерное решение.

Если у вас возникли вопросы по предоставленной информации, не стесняйтесь задавать их в комментариях ниже. Мы будем рады вашим отзывам, вопросам по теме и рассказам о вашем опыте создания мини-гидроэлектростанции. Нам важно знать ваше мнение.

Видео:

Отопление дома воздушный тепловой насос (воздух-вода).