Для опалення і забезпечення гарячою водою приватних будинків доцільно використовувати тепловий насос вода-вода, що працює від природних джерел - підземних вод, річок, водойм і т.д. Система відрізняється абсолютною екологічною безпекою, не вимагає регулярних витрат на витратні матеріали, тому стає все більш затребуваною.
Ми розповімо про варіанти пристрою теплового насоса, що використовує еко-енергію води для передачі її побутових опалювальних систем. Для допитливих домашніх майстрів ми описали принципи роботи популярних варіантів пристрою і технологію спорудження. У нас ви дізнаєтесь, яке обладнання буде потрібно для роботи системи.
Принцип роботи теплового насоса вода-вода
Тепловий насос втілив в собі принцип циклу Карно. Він полягає в тому, що рухається речовина по замкнутій системі і міняє під впливом хімічних, фізичних або термічних факторів свій агрегатний стан з рідкого в газоподібний вивільняє і поглинає величезну кількість теплової енергії.
У ролі робочої речовини виступає теплової носій - вода зі свердловини або водойми.
Навіть взимку в природних джерелах на певній глибині зберігається позитивна температура, тому з них круглий рік можна витягувати теплову енергію. Єдиний недолік установки - висока витрата електроенергії і необхідність закупівлі додаткового обладнання.
На схемі зображено траєкторія циркуляції води і холодоагенту. Система дозволяє отримувати теплову енергію, незалежно від сезону
Основні елементи теплового насоса вода-вода:
- компресор;
- випарник;
- конденсатор;
- розширювального індукційного клапана;
- автоматична система, що здійснює контроль показників;
- множинні магістралі з мідних труб;
- робоча речовина (холодоагент).
За допомогою спеціального насоса вода надходить по трубках з джерела в теплову установку, після чого взаємодіє з газом (фреоном), закипаючим при температурі + 2-3 градуси. Фреон поглинає частину тепла води і всмоктується компресором, де під час стиснення його температура підвищується.
Устаткування теплового насоса займає чимало місця, але надає можливість позбутися від комунальної залежності
Далі холодоагент надходить в конденсатор, після чого гаряча речовина нагріває воду до заданої температури (від +40 до +80 градусів), яка транспортується по трубах системи опалення.
Охолоджена вода надходить у випарник, потім зливається в приймальну щілину. Після проходження конденсатора холодоагент стає рідким і збирається на дні елемента, потім через дросель повертається у вихідне місце. Далі цикл повторюється.
За конструктивним принципом тепловий насос це перевернутий холодильник. Тільки його випарник занурений у воду, а нагрівається частина знаходиться на землі і виробляє тепло 
Робота внутрішнього блоку геосистеми вода-вода спрямована на нагрів теплоносія для опалювальних контурів і води для гарячого водопостачання 
Теплові насоси, що випускаються для облаштування малоповерхових будівель, радують невеликими габаритами. Використовують вони воду з відкритих водойм, свердловин і антифриз з замкнутих систем, покладених в землі 
Залежно від конструкції і технічного оснащення теплові насоси витрачають від 5 до 25% енергії, інша енергія йде на забезпечення інженерних систем
На що дивитися при облаштуванні такого опалення?
Існує велика кількість різних модифікацій теплових насосів, призначених для приміщень будь-якого призначення і розміру, а також працюють в різних умовах. Устаткування призначене для опалювання будинків загальною площею 50 до 150 квадратних метрів.
Орієнтир №1 - жорсткість води
Якість води свердловини або водойми грає важливу роль при виборі обладнання. Не всі моделі здатні працювати на жорсткій воді, що містить велику кількість марганцю і заліза.
Висока концентрація цих елементів шкодить системі - на трубах швидше утворюється корозія, що веде до зменшення ККД обладнання та термінів його експлуатації.
Тому перед покупкою теплового насоса беруть пробу води і роблять її аналіз на наявність цих та інших мікроелементів - сірководню, аміаку, хлору і т.д. Зазвичай якщо в ставку температура перевищує +13 градусів, то з більшою часткою ймовірності в воді багато іонів заліза і марганцю.
Таким чином, тепловий насос вода-вода підбирається з урахуванням жорсткості води. Є системи, елементи якої максимально захищені від корозії, але коштують вони дорожче.
Орієнтир №2 - режим роботи
Тепловий насос може використовуватися в якості єдиного джерела тепла або взаємодіяти з іншими системами. Тому перед вибором моделі важливо визначити, в якому режимі пристрій буде працювати.
Всього існує два типи функціонування системи:
- Моновалентний. Прилади мають велику потужність, підходять для опалювання будинку.
- Бівалентний. Менш продуктивні пристрої, доповнюють основну обігрівальне обладнання.
Для спорудження автономної системи з основним нагрівальним агрегатом вода-вода, потрібен моновалентний тип.
Орієнтир №3 - потужність насоса
Потужність - важливий показник при виборі теплового насоса, так як від нього залежить продуктивність системи. Чим вище потужність, тим вище ККД обладнання, але і витрата електроенергії більший.
Продуктивність теплового насоса вода-вода підбирається, виходячи з реальних потреб
При виборі пристрою з недостатньою потужністю ефективність системи впаде в разі, якщо тепловтрати будинку перевищать кількість віддається системою енергії. Тепловий насос може працювати цілодобово, але ефекту від нього не буде через зниження температури води.
Коли тепловтрати будівлі нижче, ніж тепловіддача системи, то насос зазвичай автоматично запускається на кілька хвилин, нагріває воду до встановленої температури, транспортує її по системі. Після чого вимикається до моменту, коли температура знизиться на кілька градусів. Потім цикл повторюється.
Орієнтир №4 - функцінал конкретної моделі
Теплові насоси можуть володіти додатковими функціями, це:
- Система автоматичного управління, яка дозволить регулювати мікроклімат приміщення за смаком. Управління зазвичай здійснюється за допомогою дистанційного пульта.
- Приготування гарячої води для гарячого водопостачання.
- Шумоізоляційний корпус.
- Можливість підключення до інших систем опалення, сонячних колекторів, що зробить обладнання для обігріву повністю автономним.
Тривалість експлуатації теплових насосів вода-вода зазвичай перевищує 30 років.
Не менш важливим при виборі обладнання вважають вартість установки і монтажу.
Розрахунок необхідної потужності теплового насоса
Перед покупкою системи важливо попередньо скласти проект і обчислити необхідну потужність обладнання. Продуктивність вираховується з урахуванням фактичних потреб в тепловій енергії. Беруться до уваги витрати тепла, тепловтрати будинку і наявність або відсутність контуру ГВП.
Алгоритм розрахунку:
- Обчислюємо загальну площу опалювальних приміщень.
- Визначаємося з необхідною кількістю енергії для опалення. Оптимальний показник на 1 квадратний метр - 0, 07 кВт.
- Щоб протопити будинок на N квадратних метрів, знадобитися N * 0, 07 кВт.
- Для ГВП до отриманого числа додають додатково 15-20%, тобто N * 0, 07 * 0, 85 або N * 0, 07 * 0, 80.
Це розрахунок буде оптимальним для приміщень з стелями, що не перевищують висоту 2, 7 м. Більш точні обчислення зроблять фахівці під час складання проекту.
Теплові насоси у нас поки не дуже популярні. Виною тому дешеве блакитне паливо, альтернатив якому зараз немає 
Однак в областях, які не мають доступу до централізованого газопостачання, установка теплового насоса вигідна і доцільна 
На 1 кВт витраченої енергії тепловий насос виробляє 5 - 6 кВт. На відміну від електрообігрівачів, які б виробляли тепла стільки, скільки спожили енергії 
Нові модифікації теплових насосів не вимагають облаштування окремого приміщення. Вони практично безшумні і компактні, можуть розташовуватися в прихожих, холах, кухнях
Підготовчі роботи перед експлуатацією
Підготовка до складання, підключенню і введення в експлуатацію теплового насоса з серії вода-вода включає ряд стандартних етапів, з якими ми далі ознайомимося.
Вибір оптимального джерела води
Слід зазначити, що далеко не кожен відкритий джерело або водяна свердловина підійдуть для безперебійного функціонування теплового насоса. Якість води відіграє важливу роль, але проблему забруднення допоможуть вирішити фільтри.
Допустимо використовувати водойму або ставок, розташований в радіусі 100 метрів від будівлі. Якщо подібного джерела немає, то виникає необхідність буріння свердловин.
Вибір джерела для теплового насоса слід орієнтувати на простоту і вартість використання. У разі розташованого поруч відкритого водоймища розумніше використовувати його
Поведінка відкритого джерела більш передбачувано, ніж грунтових вод, тому при можливості перевагу краще віддати водойм.
Буріння та облаштування геотермальної свердловини, використовуваної в схемі теплового насоса, не завжди виправдовує вкладені кошти 
Найпростіший і дешевий варіант випарника - багаторазово згорнуті кільцями труби, укладені в найближче водоймище 
Вагоме перевага використання водойми полягає в мінімальної вартості монтажу системи, що використовує безкоштовну природну енергію 
При зниженні продуктивності теплового насоса труби витягують на поверхню, оглядають і усувають пошкодження
Установка теплової системи з використанням свердловини
Для установки системи з використанням теплового насоса знадобиться дві свердловини. Одну з свердловин прийнято називати дебетової. Саме в неї занурюється спеціальний насос, за допомогою якого відбувається відбір води для подальшої обробки в системі. Друга свердловина - приймальня. У неї зливається охолоджена вода.
Зливна і подає свердловини повинні мати у своєму розпорядженні один від одного на відстані не менше 15 метрів
Глибина дебетової свердловини не повинна перевищувати 50 метрів. Чим глибше розташовується джерело води, тим могутніше буде потрібно насос для її подачі, що збільшить кількість енергії, що витрачається.
Пристрій дебетової свердловини
Перед початком експлуатації дебетової свердловини важливо дізнатися, скільки води вона здатна дати і скільки рідини необхідно, щоб забезпечити теплом усі приміщення. Чим вище температура води, тим менше її знадобиться для обігріву.
Важливо попередньо розрахувати обсяг V, який потрібно викачувати з свердловини протягом години для обігріву приміщення. Припустимо, є насос, теплова потужність якого дорівнює деякому числу Q кВт, а споживана потужність - числу P кВт. Також знадобитися дізнатися температуру ґрунтових вод (t1) і їх температуру після темплообмена (t2).
Тоді формула розрахунку обсягу необхідної кількості води за годину виглядає так:
V = (QP) / (t1-t2).
Визначити здатність дебетової свердловини видавати потрібний обсяг води аналітично неможливо, тому проводять її тестування. Протягом 3 днів насос безперебійно перекачує воду зі свердловини. Таким чином здійснюється перевірка і приймальні свердловини на можливість приймати необхідну кількість води при високому навантаженні.
Важливо розуміти, що грунтові води поводяться непередбачувано, тому води з дебетової свердловини може з часом стати менше. Наприклад, навесні спостерігаються припливи, а взимку, навпаки, вода спадає. Якщо води в свердловині не вистачає, то система автоматично відключається, опалення не відбувається.
Особливості приймальні свердловини
Приймальний трубчастий колодязь розташовують нижче за течією підземних вод. Визначити, в якому напрямку рухається вода, аналітично неможливо. Тому на практиці вибирають довільну свердловину в якості дебетової і запускають в неї погружной насос.
Якщо під час експлуатації системи рівень води не опускається, то вибір зроблений правильно. Якщо рівень опустився, а температура води знизилася, то необхідно поміняти свердловини місцями - перенести погружной насос в інший отвір.
Зливну трубу в приймальню свердловину необхідно занурити на кілька сантиметрів в воду, не доходячи до дна. Якщо скидати відпрацьовану рідину зверху, то це призведе до заболочування. Трубчастий колодязь може припинити приймати воду і забитися.
Результат загрожує переливом, а в зимовий час можливим зледенінням. Кращим варіантів для приємного джерела є річка або ставок. Якщо даних об'єктів поруч немає, то виникає необхідність бурити ще одну або кілька прийомних свердловин, щоб підстрахуватися на випадок переливу.
На малюнку продемонстрований приклад використання однієї свердловини в якості приймальні і дебетової
Дізнатися, чи буде свердловина приймати воду, неможливо ні аналітичним, ні тестовим способом. Практика показується, що зливна свердловина може безперебійно поглинати воду довгі роки, а може і зовсім вийти з ладу за один сезон.
Існують технології, що дозволяють використовувати одну свердловину в якості дебетової і приймальні, але цей метод не ефективний - експлуатація буде супроводжуватися труднощами, можливе зниження температури води, заболочування і ряд інших проблем.
Пристрій системи з використанням водойми
Обраний ставок повинен бути досить глибоким, щоб нижні шари води не промерзали під час сильних морозів. У Південних регіонах оптимальна глибина складе приблизно 1 метр, в Північних потрібно джерело з глибиною від 3 метрів. Також ставок повинен бути стабільним - неприпустимі коливання рівня води, її зменшення.
До водойми ведеться два трубопроводи - дебетовий і приймальний. У приймальний встановлюється погружной насос
Як труб рекомендується використовувати моделі з ПНД, що відрізняються довговічністю і надійністю. Важливо захистити труби від промерзання, додатково утепливши їх, і від проривів.
Підготовка будинку до установки теплового насоса
Для взаємодії з тепловим насосом вода-вода в будинку повинна бути обладнана система опалення на водній основі, представлена у вигляді труб, радіаторних батарей. Для кращого утеплення в підлогу і стіни також допустимо монтувати опалювальні труби.
Якщо обладнання буде використовуватися для подачі гарячої води, то в будинку має бути присутня система її збору. Для роботи насоса знадобитися підключення до електричної мережі з необмеженим харчуванням.
Без додаткових заходів по теплоізоляції будинку (утеплення зовні, установки двокамерних вікон і т.д.) експлуатація теплового насоса не має сенсу.
Фахівці рекомендують додатково встановити систему вентиляції припливного типу з механізмом обігріву повітря. Використовуваний в обладнанні фреон шкідливий для людини. Якщо в контурі системи відбудуться мікророзриви, то газ вивільнитися і тим самим витіснить з приміщення повітря. Холодоагент може викликати у людини загострення захворювань легких, напади задухи.
Тепловий насос є важким обладнанням, його вага може досягати тонни (залежить від потужності і розмірів), тому для його установки в деяких випадках необхідне зведення власного фундаменту, що не сполученого з фундаментом котеджу.
Перед встановленням обладнання необхідно враховувати допустимі розміри приміщення, витримати відстань до стін, вказане в паспорті виробу.
Додаткове обладнання
Вибір додаткового обладнання для теплового насоса - відповідальне завдання, вирішення якої багато в чому визначає довгостроковість служби опалювальної системи в цілому і відсутність проблем в експлуатації.
Насос для свердловин і водойм
Якщо в системі тепловий насос використовується для подачі гарячої води, то пристрій з невеликою потужністю може знижувати тиск в кранах. Потужний насос вирішить цю проблему, але він споживає більше енергії. Мінімальна допустима потужність при експлуатації ГСВ - 1 кВт.
Існує безліч різних модифікацій заглибних насосів. Вибір здійснюється з урахуванням трьох критеріїв, це:
- Кількість рідини, використовуваної для перекачування (чим більше води доведеться транспортувати, тим вище повинна бути потужність насоса).
- Глибина свердловини (чим глибше свердловина, тим більшою повинна бути потужність обладнання);
- Діаметр свердловини (традиційно віддають перевагу 4-дюймовим шахтам, оскільки для них створено найбільшу кількість насосів, на відміну від 3-дюймових).
Щоб визначити глибину свердловини, необхідно на мотузку закріпити вантаж і опустити в шахту. Мокра частина мотузки вкаже на повну глибину свердловини, суха визначить відстань від початку води до поверхні.
Насос занурюють в стовбур свердловини на глибину, зазначену виробником пристрою. Зазвичай в техпаспорті зазначено, скільки повинно бути метрів між дзеркалом води і насосом, дном вироблення і насосом
Для шахт можуть підійти як універсальні насоси, так і обладнання, спеціально створене для свердловин. Якщо розробкою шахти займалися професіонали, то вона менше засмічується піском, тому можна сміливо використовувати універсальний насос.
Насоси, спроектовані спеціально під свердловини, коштують дорожче, але вони відмінно справляються з піском і брудом, менше засмічуються. 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.
Висновки і корисне відео по темі
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 цікава ваша думка.