Термопомпа “вода-вода”: устройство, принцип на работа, правила за изграждане на отопление на нейна база

За отопление и осигуряване на топла вода на частни домове е целесъобразно да се използва топлинна помпа вода-вода, работеща от природни източници – подземни води, реки, водоеми и т.н. Системата се отличава с абсолютна екологична безопасност, не изисква редовни разходи за консумативи, поради което става все по-търсена.

Ще разкажем за вариантите на устройство на топлинната помпа, използваща еко-енергията на водата за предаването ѝ на битови отоплителни системи. За любопитните домашни майстори сме описали принципите на работа на популярните варианти на устройството и технологията на изграждане. При нас ще научите какво оборудване ще е необходимо за работата на системата.

Принцип на работа на топлинна помпа вода-вода

Топлинната помпа въплъщава принципа на цикъла на Карно. Той се състои в това, че движещо се вещество в затворена система и променящо под въздействие на химически, физически или термични фактори своето агрегатно състояние от течно в газообразно освобождава и поглъща огромно количество топлинна енергия.

В ролята на работно вещество се явява топлоносителят – вода от сондаж или водоем.

Дори през зимата в природните източници на определена дълбочина се запазва положителна температура, поради което от тях целогодишно може да се извлича топлинна енергия. Единственият недостатък на инсталацията е високият разход на електроенергия и необходимостта от закупуване на допълнително оборудване.

На схемата е изобразена траекторията на циркулация на водата и хладилния агент. Системата позволява да се получава топлинна енергия, независимо от сезона.

Основни елементи на топлинната помпа вода-вода:

• компресор;
• изпарител;
• кондензатор;
• разширителен индукционен клапан;
• автоматична система, осъществяваща контрол на показателите;
• множество магистрали от медни тръби;
• работно вещество (хладилен агент).

С помощта на специална помпа водата постъпва по тръби от източника в топлинната инсталация, след което взаимодейства с газ (фреон), който кипи при температура +2-3 градуса. Фреонът поглъща част от топлината на водата и се засмуква от компресора, където по време на компресия температурата му се повишава.

Оборудването на термопомпата заема доста място, но предоставя възможност да се отървем от комунална зависимост

След това хладилният агент постъпва в кондензатора, след което горещото вещество загрява водата до зададената температура (от +40 до +80 градуса), която се транспортира по тръбите на отоплителната система.

Охладената вода постъпва в изпарителя, след това се изтича в приемния сондаж. След преминаване през кондензатора хладилният агент става течен и се събира на дъното на елемента, след това през дросел се връща на първоначалното място. След това цикълът се повтаря.

На какво да се обръща внимание при обустройване на такова отопление?

Съществува голямо количество различни модификации на термопомпи, предназначени за помещения от всякакво предназначение и размер, а също така работещи в различни условия. Оборудването е предназначено за отопление на жилища с обща площ от 50 до 150 квадратни метра.

Ориентир №1 – твърдост на водата

Качеството на водата от сондажа или водоема играе важна роля при избора на оборудване. Не всички модели са способни да работят с твърда вода, съдържаща голямо количество манган и желязо.

Високата концентрация на тези елементи вреди на системата – по тръбите бързо се образува корозия, което води до намаляване на КПД на оборудването и срока на неговата експлоатация.

Затова преди покупката на термопомпа се взема проба от вода и се прави анализ за наличието на тези и други микроелементи – сероводород, амоняк, хлор и т.н. Обикновено ако температурата в езерото надвишава +13 градуса, то с голяма вероятност във водата има много йони на желязо и манган.

По този начин термопомпата вода-вода се подбира според твърдостта на водата. Има системи, чиито елементи са максимално защитени от корозия, но те струват повече.

Ориентир №2 – режим на работа

Термопомпата може да се използва като единствен източник на топлина или да взаимодейства с други системи. Ето защо преди избора на модел е важно да се определи в какъв режим ще работи устройството.

Общо съществуват два типа на функциониране на системата:

• Моновалентен. Уредите притежават голяма мощност и са подходящи за отопление на дома.
• Бивалентен. По-слабо производителни устройства, които допълват основното отоплително оборудване.

За изграждане на автономна система с основен отоплителен агрегат вода-вода е необходим моновалентен тип.

Ориентир №3 – мощност на помпата

Мощността е важен показател при избора на термопомпа, тъй като от нея зависи производителността на системата. Колкото по-висока е мощността, толкова по-висок е КПД на оборудването, но и разходът на електроенергия е по-голям.

Производителността на термопомпата вода-вода се подбира въз основа на реалните нужди

При избор на устройство с недостатъчна мощност ефективността на системата ще спадне, ако топлинните загуби на дома надвишат количеството енергия, отдавана от системата. Термопомпата може да работи денонощно, но ефект от нея няма да има поради понижаване на температурата на водата.

Когато топлинните загуби на сградата са по-ниски от топлоотдаването на системата, помпата обикновено се стартира автоматично за няколко минути, загрява водата до зададената температура, транспортира я по системата. След това се изключва до момента, когато температурата се понижи с няколко градуса. След това цикълът се повтаря.

Ориентир №4 – функционалност на конкретния модел

Термопомпите могат да притежават допълнителни функции, а именно:

• Система за автоматично управление, която ще позволи регулиране на микроклимата на помещението според предпочитанията. Управлението обикновено се осъществява с помощта на дистанционно управление.
• Функция за загряване на вода за топла вода за битови нужди.
• Шумоизолиращ корпус.
• Възможност за свързване към други отоплителни системи, слънчеви колектори, което ще превърне оборудването за отопление в напълно автономно.

Продължителността на експлоатация на термопомпите вода-вода обикновено надвишава 30 години.

Също толкова важен при избора на оборудване се счита цената на инсталирането и монтажа.

Изчисление на необходимата мощност на топлинната помпа

Преди закупуването на системата е важно предварително да се състави проект и да се изчисли необходимата мощност на оборудването. Производителността се изчислява, като се вземат предвид действителните нужди от топлинна енергия. Вземат се предвид разходите за топлина, топлинните загуби на дома и наличието или липсата на контур БГВ.

Алгоритъм за изчисление:

1. Изчисляваме общата площ на отопляемите помещения.
2. Определяме необходимото количество енергия за отопление. Оптималният показател за 1 квадратен метър е 0,07 kW.
3. За да се отопли къща с N квадратни метра, ще са необходими N*0,07 kW.
4. За БГВ към полученото число се добавят допълнително 15-20%, тоест N*0,07*0,85 или N*0,07*0,80.

Това изчисление ще бъде оптимално за помещения с височина на таваните, не надвишаваща 2,7 m. По-точни изчисления ще направят специалистите по време на съставянето на проекта.

Подготвителни работи преди експлоатация

Подготовката за сглобяване, свързване и въвеждане в експлоатация на топлинната помпа от серията вода-вода включва редица стандартни етапи, с които ще се запознаем по-нататък.

Избор на оптимален източник на вода

Трябва да се отбележи, че далеч не всеки открит източник или воден сондаж е подходящ за непрекъсната работа на топлинната помпа. Качеството на водата играе важна роля, но проблемът със замърсяването може да се реши с филтри.

Допустимо е да се използва воден басейн или езеро, намиращо се в радиус от 100 метра от сградата. Ако няма такъв източник, възниква необходимост от пробиване на сондажи.

Изборът на източник за топлинната помпа трябва да се ориентира към простота и цена на използване. В случай на намиращ се наблизо открит воден басейн е по-разумно да се използва той.

Поведението на открития източник е по-предсказуемо от това на подземните води, затова при възможност е по-добре да се даде предпочитание на водните басейни.

Инсталиране на топлинна система с използване на сондаж

За инсталиране на система с използване на топлинна помпа ще са необходими две скважини. Едната от скважините се нарича дебитна. Именно в нея се потапя специална помпа, с помощта на която се извлича вода за последваща обработка в системата. Втората скважина е приемна. В нея се влива охладената вода.

Отточната и захранващата скважина трябва да се намират на разстояние не по-малко от 15 метра една от друга.

Дълбочината на дебитната скважина не трябва да надвишава 50 метра. Колкото по-дълбоко се намира водоизточникът, толкова по-мощна помпа ще е необходима за подаването му, което ще увеличи количеството на изразходваната енергия.

Устройство на дебитен сондаж

Преди началото на експлоатацията на дебитната скважина е важно да се знае колко вода може да даде и какво количество течност е необходимо, за да се осигури топлина за цялото помещение. Колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-малко от нея ще е необходимо за отопление.

Важно е предварително да се изчисли обемът V, който трябва да се изпомпва от скважината в рамките на един час за отопление на помещението. Да предположим, че има помпа, чиято топлинна мощност е равна на дадено число Q kW, а консумираната мощност – на число P kW. Също така ще е необходимо да се знае температурата на подземните води (t1) и тяхната температура след топлообмен (t2).

Тогава формулата за изчисляване на обема на необходимото количество вода за час изглежда така:

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

Да се определи способността на дебитната скважина да дава необходимия обем вода аналитично е невъзможно, затова се извършва нейното тестване. В продължение на 3 дни помпата непрекъснато изпомпва вода от скважината. По този начин се извършва проверка и на приемната скважина за възможността да приема необходимото количество вода при високо натоварване.

Важно е да се разбере, че подземните води се държат непредвидимо, поради което водата от дебитната скважина може с времето да намалее. Например, през пролетта се наблюдават приливи, а през зимата, напротив, водата намалява. Ако водата в скважината не достига, системата автоматично се изключва и отоплението не се осъществява.

Особености на приемния сондаж

Приемният тръбен кладенец се разполага по-надолу по течението на подземните води. Да се определи в каква посока се движи водата аналитично е невъзможно. Затова на практика се избира произволна скважина за дебитна и в нея се пуска потопяема помпа.

Ако по време на експлоатация на системата нивото на водата не спада, то изборът е направен правилно. Ако нивото е спаднало, а температурата на водата е паднала, то е необходимо да се разменят кладенците – преместете потопяемата помпа в друг отвор.

Сливната тръба в приемния кладенец трябва да се потопи на няколко сантиметра във водата, без да достига до дъното. Ако изхвърляте отработената течност отгоре, то това ще доведе до заблатяване. Тръбният кладенец може да престане да приема вода и да се запуши.

Резултатът заплашва с преливане, а през зимата с възможно заледяване. Най-добрият вариант за приемния източник е река или езеро. Ако няма такива обекти наблизо, то възниква необходимост да се пробие още един или няколко приемни кладенци, за да се подсигурите в случай на преливане.

На фигурата е демонстриран пример за използване на един кладенец като приемен и дебитен

Да се разбере дали кладенецът ще приема вода, е невъзможно нито по аналитичен, нито по тестов начин. Практиката показва, че сливният кладенец може безпроблемно да поглъща вода в продължение на много години, а може и напълно да се повреди за един сезон.

Съществуват технологии, които позволяват използването на един кладенец като дебитен и приемен, но този метод не е ефективен – експлоатацията ще бъде съпроводена с трудности, възможно е понижение на температурата на водата, заблатяване и редица други проблеми.

Устройство на система с използване на водоем

Избраното езеро трябва да е достатъчно дълбоко, така че долните слоеве вода да не замръзват по време на силни студове. В южните региони оптималната дълбочина ще бъде около 1 метър, в северните ще е необходим източник с дълбочина от 3 метра. Също така езерото трябва да е стабилно – недопустими са колебания на нивото на водата, нейното намаляване.

Към водоема водят два тръбопровода – дебитен и приемен. В приемния се монтира потопяема помпа.

Като тръби се препоръчва използването на модели от ПНД, отличаващи се с дълготрайност и надеждност. Важно е да се защитят тръбите от замръзване, като допълнително се изолират, и от пробиви.

Подготовка на дома за инсталиране на топлинна помпа

За взаимодействие с термопомпата вода-вода в дома трябва да е оборудвана отоплителна система на водна основа, представена под формата на тръби, радиаторни батерии. За по-добра изолация в пода и стените също е допустимо да се монтират отоплителни тръби.

Ако оборудването се използва за подаване на гореща вода, то в дома трябва да присъства система за нейното събиране. За работата на помпата ще е необходимо свързване към електрическата мрежа с неограничено захранване.

Без допълнителни мерки за топлоизолация на къщата (външно изолиране, монтиране на двукамерни прозорци и др.) експлоатацията на термопомпата няма смисъл.

Специалистите препоръчват допълнително да се инсталира вентилационна система с приточен тип с механизъм за затопляне на въздуха. Използваният в оборудването фреон е вреден за човека. Ако в контура на системата настъпят микроразкъсвания, то газът ще се освободи и по този начин ще изтласка въздуха от помещението. Хладилният агент може да предизвика у човека обостряне на белодробни заболявания, пристъпи на задух.

Термопомпата е тежко оборудване, нейното тегло може да достигне тон (зависи от мощността и размерите), поради което за нейното монтиране в някои случаи е необходимо изграждане на собствен фундамент, несвързан с основата на вилата.

Преди монтажа на оборудването трябва да се вземат предвид допустимите размери на помещението, да се спази разстоянието до стените, посочено в паспорта на изделието.

Допълнително оборудване

Изборът на допълнително оборудване за термопомпата – отговорна задача, чието решение до голяма степен определя дългосрочността на работата на отоплителната система като цяло и липсата на проблеми в експлоатацията.

Потопяем помпа за сондажи и водоеми

Ако в системата термопомпата се използва за подаване на гореща вода, то устройство с малка мощност може да намали налягането в крановете. Мощна помпа ще реши този проблем, но тя консумира повече енергия. Минималната допустима мощност при експлоатация на ГСВ – 1 kW.

Съществуват множество различни модификации на потопяеми помпи. Изборът се осъществява, като се вземат предвид три критерия, а именно:

• Количество течност, използвана за препомпване (колкото повече вода ще трябва да се транспортира, толкова по-висока трябва да бъде мощността на помпата).
• Дълбочина на сондажа (колкото по-дълбок е сондажът, толкова по-голяма трябва да бъде мощността на оборудването);
• Диаметър на сондажа (традиционно се дава предпочитание на 4-инчови шахти, тъй като за тях са създадени най-голям брой помпи, за разлика от 3-инчовите).

За да се определи дълбочината на сондажа, е необходимо да се закрепи товар на въже и да се спусне в шахтата. Мократа част на въжето ще покаже пълната дълбочина на сондажа, сухата ще определи разстоянието от началото на водата до повърхността.

Помпата се потапя в ствола на сондажа на дълбочина, посочена от производителя на устройството. Обикновено в техпаспорта е посочено колко метра трябва да бъдат между водното огледало и помпата, дъното на изработката и помпата

За шахти могат да подхождат както универсални помпи, така и оборудване, специално създадено за сондажи. Ако разработката на шахтата е извършена от професионалисти, то тя се задръства по-малко с пясък, поради което може спокойно да се използва универсална помпа.

Помпите, проектирани специално за кладенци, струват по-скъпо, но се справят отлично с пясък и мръсотия и се запушват по-малко. Универсалните са чувствителни към голямо съдържание на органика и трябва редовно да се почистват от мръсотия, в резултат на което експлоатационният им срок намалява.

Предпочитание трябва да се даде на помпи с автоматика, тъй като при прегряване на мотора, прекомерно запушване или липса на вода в кладенеца те се изключват самостоятелно, в резултат на което двигателят не прегрява и не се поврежда.

По принцип на действие се различават 2 вида потопяеми помпи:

• Центробежни.
• Вибрационни.

За работа в кладенци, добиващи вода във варовик, по-предпочитани са центробежните дълбочинни модели. Те са чувствителни към вода с пясъчни зърна и глинеста суспензия.

Ако топлинната помпа бъде свързана към отворен водоем, по-добре е да се използва повърхностно помпено оборудване, предназначено за препомпване на мръсна вода, или евтино вибрационно устройство.

Междинен топлообменник на топлинната помпа

В топлинните помпи по време на циркулация фреонът може да не се охлажда достатъчно добре, което води до прегряване на компресора в резултат на прекомерна температура на нагнетаване. Затова е важно да се подобри охлаждането на веществото, като по този начин се понижи налягането в контурите.

Съществува още един проблем, характерен за всички топлинни помпи – хладилният агент може да се смесва с водни пари. Ако течността попадне в компресора, може да настъпи хидроудар. В този случай ще е необходим ремонт или подмяна на детайла. Също така водата може да попадне в маслото, а извличането ѝ оттам е затруднително.

Всички гореописани проблеми решава инсталирането на междинен топлообменник. Топлообменниците биват три вида – отворен тип, кожухотръбни и серпентинови.

Модификацията от отворен тип неутрализира течността, попаднала във фреона при циркулация, което минимизира вероятността от хидроудар на компресора. Устройството се отличава с висока производителност при минимален разход на мощност.

При инсталиране на топлообменник от отворен тип е важно правилно да се подбере размерът на течния тръбопровод, за да се осигури минимално свиване на налягането

Грамотно подбрани тръби ще позволят да се неутрализира възможността за кипене на течността. При това клапанът трябва да има достатъчна пропускателна способност, така че течността при ниска разлика в наляганията да може да проникне в устройството.

Кожухотръбният топлообменник е представен под формата на затворена конструкция. Топлообменът става през стените на тръбите, а течността и хладилният агент в него не се смесват, за разлика от отворения, което осигурява високо налягане за циркулация на пара и въздух.

Серпентиновият топлообменник се отличава с наличието на регулатор на разхода, който управлява потока на течния фреон. Размерът на устройството зависи пряко от мощността на термопомпата. Изделието трябва да се избере съобразно функционалността и разполагаемата сума. Желателно е да се даде предпочитание на разглобяемите модели.

Филтри за топлинната помпа

Водата от кладенци или водоеми не постъпва в чист вид. В нея могат да се срещнат пясък, мръсотия, различни микроелементи – желязо, сероводород, манган, хлор, амоняк и др. Преди да постъпи в термопомпата, водата трябва да бъде филтрирана.

На първо място е необходимо да се отстранят едрите частици – камъни, пясък, мръсотия и тиня. За да бъдат отстранени от водата, е необходимо инсталирането на хидроциклон.

Хидроциклонът – устройство, необходимо за грубото пречистване на водата. Необходимо е да се избере съобразно мощността на помпата.

След това е важно да се монтират филтри, които отстраняват желязо, сероводород, манган и амоняк. Тези микроелементи съкращават срока на експлоатация на оборудването и го подлагат на корозия.

Могат да се използват филтри с обратна осмоза, омекотители, обезжелезители и техните модификации. За осигуряване на питейна гореща вода допълнително трябва да се монтират въгленови филтри и УФ стерилизатор, който унищожава бактериите и вирусите.

Електрогенератор за резервно захранване

Термопомпите работят от електрическата мрежа, затова при прекъсване на електрозахранването домът ще остане без отопление. Целесъобразно е допълнително да се закупи електрогенератор, който работи с гориво.

Важно е електрогенераторът да може да произвежда необходимата мощност за работата на компресора на помпата.

Особености на експлоатация на такава топлинна помпа

Веднъж годишно е необходимо да се извършва самостоятелен визуален оглед на възлите на помпата и да се изпълняват препоръките за техническо обслужване – своевременно да се смазват частите и да се следи за коректната работа на уреда при препомпване на вода.

Някои видове оборудване се нуждаят от редовна проверка (обикновено 1-2 пъти годишно) от специалисти на сервизния център. По време на проверката се установяват:

• течове на машинно масло през пукнатини в контура;
• качеството на закрепванията и съединенията;
• нивото на налягането в резервоарите и контурите;
• неизправности в работата на силовата електропроводка.

Монтажът на термопомпа вода-вода трябва да се възложи на обучени специалисти. Неефективността на системата най-често се дължи на неправилния ѝ монтаж. Топлинното оборудване е подходящо за експлоатация както от жителите на южните региони, така и на северните.

Изводи и полезно видео по темата

Видеото ще ви запознае с принципа на действие и особеностите на устройството:

Като заключение може да се направи извод, че термопомпата вода-вода се счита за ефективно екологично безопасно оборудване, създадено за отопление на къщи с площ до 150 кв. метра. За обзавеждане на помещение с по-голяма площ вече може да са необходими доста сложни инженерни проучвания.

Ако възникнат въпроси при запознаване с представената информация, задавайте ги, моля, в блока, разположен по-долу. Очакваме вашите коментари, въпроси по темата, разкази и снимки за собственоръчното изграждане на мини-водноелектрическа централа. Интересува ни вашето мнение.