Тепловой насос вода-вода

Устройство теплообменников и теплового насоса «вода – вода»

Для получения тепла из окружающей среды используется тепловой насос с двумя теплообменными контурами. В устройство теплового насоса входят:

• Компрессор — устройство, нагнетающее давление в герметичном контуре. При появлении избыточного давления хладагент преобразуется в газообразное состояние, что сопровождается увеличением температуры.
• Конденсатор — теплообменник, обеспечивающий передачу тепловой энергии от нагретого хладагента на жидкость в системе отопления.
• Испаритель — теплообменник, позволяющий преобразовать хладагент из газообразного состояния в жидкостное после передачи тепла на конденсатор. Перед попаданием в испаритель хладагент проходит через дроссель, позволяющий снизить давление в системе.
• Циркуляционные насосы — необходимы для ротации жидкости во внешнем и внутреннем контурах. Мощность насосов зависит от общей длины магистралей, а также глубины расположения теплообменника в водоеме.

Конденсатор, как и испаритель, представляют собой буферный бак, где находится жидкость из внешнего или внутреннего контура, которая нагревает или охлаждает хладагент, проходящий внутри системы по герметичному змеевику. Контроль давления в системе осуществляется с помощью расширительных индукционных клапанов и режима работы компрессора. Устройство внешнего контура может быть как открытого типа с забором воды из водоема, так и закрытого с циркуляцией антифриза в герметичном теплообменнике.

Принцип работы ТН «вода – вода»

Тепловые насосы работают по принципу цикла Карно и представляют собой систему из 3 герметичных контуров, передающих между собой тепловую энергию через рабочую жидкость. Внешний контур ТН закладывается в скважину или водоем — закачиваемая вода в систему передает тепло хладагенту в контуре компрессора. Далее компрессор создает давление в рабочем контуре, что приводит к преобразованию хладагента в газообразное состояние, сопровождаемое увеличением температуры. Хладагент под давлением проходит по змеевику в расширительном баке, отдавая тепло жидкости во внутреннем контуре и конденсируется до жидкого состояния в испарителе. Отдав тепло, вода из внешнего контура откачивается обратно в водоем, нагретая вода во внутреннем контуре — передается по системе отопления и ГВС. Компрессорный контур полностью герметичный, хладагент циркулирует по кругу между конденсатором и испарителем. Для работы компрессора и циркуляционных насосов во внешнем и внутреннем контуре требуется электроэнергия.

Что нужно учесть перед установкой системы?

На практике системы «вода — вода» используются для отопления жилых и производственных помещений общей площадью 50–250 м2. Для эффективной работы системы требуется наличие рядом с местом установки естественного водоема или подземного горизонта, в котором можно пробурить глубинные скважины. При расчете проекта отопления с системой ТН «вода — вода», требуется учесть жесткость воды, рассчитать режим работы и мощность оборудования, определить общую функциональность системы. Разберем каждый параметр более подробно.

Жесткость воды

Показатель жесткости влияет на срок службы системы и стоимость оборудования. Не все тепловые насосы могут работать с жесткой водой, в которой превышено содержание железа или марганца. Это приводит к ускоренной коррозии труб и засорению магистралей внешнего контура с теплообменником. При разработке проекта водяного отопления требуется провести химический анализ воды. При размещении системы в естественном водоеме с постоянной температурой более 13 градусов, либо в скважине глубиной более 40 м, проверка на жесткость воды обязательна. Модели с антикоррозийным покрытием магистралей теплообменника стоят на порядок дороже классических ТН — в некоторых случаях при разработке проекта есть смысл сменить источник забора воды. Например, отказаться от установки в естественном водоеме и рассмотреть вариант размещения системы в скважине.

Режим работы

Тепловой насос «вода – вода» может работать в автономном режиме, либо совместно с другими системами отопления. Классифицируют следующие типы:

• Моновалентные ТН — система большой мощности, в которой отопление и ГВС происходит только за счет восполняемых источников энергии. Как правило, моновалентные ТН устанавливают для обогрева помещений с площадью от 100 м2.
• Бивалентные ТН — менее производительные системы, используемые как альтернативное или дополнительное отопление. Могут подключаться к классическому твердотопливному или газовому отоплению для снижения коммунальных расходов при сильных заморозках.

Кроме того, на бивалентные тепловые насосы может устанавливаться электрический ТЭН, который будет нагревать жидкость в системе отопления при сильных заморозках. Этот вариант позволяет при необходимости увеличить эффективность отопления без подключения к установке дополнительного оборудования или подвода центрального газопровода.

Мощность оборудования

Производительность теплового насоса подбирается исходя из реальных теплопотерь помещения. Как правило, график работу ТН определяет терморегулятор, который запускает систему несколько раз в сутки для нагрева воды в ГВС и контура отопления, а затем отключает. Круглосуточная работа теплового насоса может привести к снижению температуры воды в заборном водоеме, что снизит общую эффективность системы. При расчете мощности ТН нужно учитывать общие теплопотери здания и объем нагреваемой воды для ГВС. На практике рекомендуется выбирать системы с мощностью на 10–20% больше, чем реальные потребности. Если теплопотери помещения выше, чем теплоотдача системы, желательно дополнительно провести утепление здания.

Функциональность и комплектация

Заключительным этапом при разработке проекта считается выбор комплектации теплового насоса. При выборе требуется обращать внимание на следующие параметры:

1. Электропитание — ТН могут работать от одно- или трехфазной сети. Для отопления помещения площадью от 100 м2, либо в случае удаленного местоположения источника для забора воды, рекомендуется использовать модели, работающие от трехфазной сети.
2. Тип компрессора — самый дорогой элемент в устройстве ТН. Большинство моделей оснащается компрессорами инверторного типа, характеризующимся малым энергопотреблением. Для обогрева больших помещений используются модели с более шумными компрессорами винтового типа, имеющим больший КПД. Для моделей премиум сегмента используются спиральные компрессоры, предполагающие больший срок службы, чем у инверторного типа.
3. Шумоизоляция — в зависимости от мощности оборудования, уровень шума ТН может достигать 75 дБ. При размещении системы в котельной или подвальном помещении может потребоваться установка дополнительной шумоизоляции.
4. Нагрев воды для ГВС — модели с возможностью нагрева воды для ГВС стоят больше классических вариантов ТН, однако позволяют получить автономный источник горячей воды и сократить расходы по коммунальным платежам.

Отдельно при выборе модели водяного насоса учитываются общие габариты системы и возможность удаленного управления через Wi-Fi или устройства по типу «умный дом».

Расчет мощности: как правильно определить?

Теплоотдача ТН «вода – вода» зависит от температуры воды в водоеме и скважины, в среднем показатель составляет +4–8 градусов. Из этого можно определить формулу, по которой рассчитывается мощность теплового насоса. Для расчетов используется формула R = (k x V x ∆ T) / 860, где:

• R – расчетная мощность, необходимая для отопления помещения.
• K – коэффициент теплопотерь помещения. Для классического дома с двойной кирпичной кладкой показатель равен единице, при наличии теплоизоляции – 0.9–0.6.
• V – объем всех помещений в здание. Объем рассчитывается умножением площади всех комнат на высоту потолков.
• ∆ T – максимальный перепад температур внутри и снаружи здания в холодные дни. Для расчета берется температура, которую требуется достичь при обогреве помещения и наименьшая температура за окном.

Далее полученная тепловая энергия преобразуется в мощность исходя из пропорции 1 кВт/ч = 860 ккал.

Наглядный пример

Рассмотрим вариант отопления на живом примере. Возьмем здание без теплоизоляции с общей площадью помещений 200 м2 и высотой потолков 2.7 м. Для жилых помещений комфортная температура — +22–25 градусов, при этом средняя температура в самый холодный день года для России в среднем составляет -26, для Москвы — -30. Таким образом, R = (1 x (200 x 2.7) x (25-(-26) = 27 540 ккал/ч. Переведя сумму в киловатты, получим необходимую мощность теплового насоса – 27 540 / 860 = 32.02 кВт/ч. При выборе ТН нужно закладывать до 10–15% мощности про запас, при подключении системы для получения ГВС расчетную мощность также требуется увеличить.

Установка системы «вода — вода»

Для корректной работы системы с водяным ТН важно учитывать расстояние отапливаемого объекта к водоему, в котором будет размещен внешний контур теплообменника. Допустимое максимальное расстояние составляет 100 м, в противном случае требуется бурение скважины до горизонта с грунтовыми или подземными водами.

Погружение в естественный водоем

Контролировать состояние открытого источника проще, чем глубинную скважину, поэтому желательно выбрать вариант размещения в естественном водоеме. При этом размещение контура с теплообменником проводится в нижних слоях водоема, которые не промерзают в морозы. Для южных регионов показатель составляет около 1 м, для северных широт — до 3 м. Также важно, чтобы водоем имел стабильный источник снабжения, предупреждающий занижение температуры или обмеление в течение года. Внешний теплообменник состоит из дебетового и приемного контура, в приемный устанавливается циркуляционный насос и система фильтрации. Дистанция от приемной и дебетовой скважины должна быть 20 или более метров, а объем водоема — достаточный для продолжительного забора воды через дебетовую скважину. Дебет определяется опытным путем при тестовом выкачивании воды погружным насосом. Для прокладки внешнего контура рекомендуется использовать ПНД трубы — данный материал имеет наибольший срок службы. Для защиты от промерзания трубы дополнительно требуется утеплить.  

Монтаж в скважине

При глубинном размещении проводится бурение 2 скважин – дебетовой и сливной. Глубина приемной должна быть не больше 50 м – установка на большей глубине серьезно увеличивает стоимость оборудования и счет за электричество. При бурении минимальное расстояние между дебетовой и сливной скважины составляет 5 м. При глубинном размещении невозможно определить течение подземных вод. На практике дебетовая скважина определяется в произвольном формате — если со временем наблюдается снижение уровня и понижение температуры воды, погружной насос требуется установить в другую скважину, либо провести дополнительное  углубление скважины. Сливная труба размещается ниже уровня забора воды в дебетовой скважине, за несколько сантиметром до дна. Если точка сброса воды из теплообменника будет выше точки забора, возможно заболачивание подземного водоема или обледенение системы в зимнее время. В случае установки мощного ТН для обогрева помещения от 150 м2 дополнительно проводится бурение нескольких скважин для исключения риска перелива. Размещение системы в одной скважине возможно для отопления небольших помещений, однако не эффективно и трудозатратно.

Стоимость ТН «вода – вода» в РФ

На российском рынке чаще всего встречаются модели тепловых насосов 4 производителей:

• Meeting — бренд производит бюджетные ТН, производство находится в КНР. Стоимость агрегата мощностью 7 кВт/ч начинается от 100 000 рублей.
• Mammoth — американский бренд, производство основано на комплектующих из КНР. Цена ТН мощностью 8 кВт/ч составляет 216 000 рублей.
• AlterTeplo — производство на импортных комплектующих, гарантия Х лет. Купить тепловой насос с мощностью Х кВт/ч можно от 400 000 рублей.
• Stiebel Eltron — производится в Германии. Модели мощностью до 10 кВт/ч для обогрева помещения 50 м2 обойдутся в районе 645 000 рублей.

Стоимость установки и пусконаладочных работ составляет 200–450 000 рублей, в зависимости от сложности проекта и способа размещения внешнего теплообменника. При установке внешнего контура в естественном водоеме, стоимость установки сокращается в среднем на 100–150 000 рублей.

Что нужно знать при установке водяного ТН в частный дом?

После расчета мощности системы и выбора подходящей модели ТН требуется позаботиться о дополнительных мерах предосторожности. Это позволит увеличить срок службы системы и получить максимум от установки ТН.

Вспомогательный теплообменник

Для мощных или высоконагруженных ТН, предназначенных для обогрева больших помещений, рекомендуется установка вспомогательного теплообменника. Это необходимо для понижения давления и дополнительного охлаждения хладагента в компрессорном контуре на пути от конденсатора к испарителю. Установка дополнительного теплообменника снижает риск перегрева компрессора при высоких нагрузках. Пассивным методом профилактики является выбор ТН с мощностью на 15–20% большей, чем это необходимо для отопления и ГВС. Это позволит работать компрессору не в полную мощность при пиковых нагрузках, что снижает температурный режим всей системы.

Система фильтрации

Для функционирования водяного ТН требуется установка системы фильтрации на внешнем контуре. Фильтры грубой и тонкой очистки устанавливаются перед погружным насосом и необходимы для предотвращения деформации крыльчатки циркуляционного насоса и накопления ссора внутри контура теплообменника. Для грубой фильтрации и удаления абразивных частиц из воды при заборе используется гидроциклонные фильтры. Устройства тонкой очистки устанавливаются опционально и необходимы при высокой концентрации в водоеме железа, марганца, аммиака или хлора. Отдельно производится монтаж обезжиривателей и умягчителей воды для продления срока эксплуатации трубопровода внешнего контура. При подключении ГВС и проведения питьевой воды дополнительно требуется установка обратного осмоса или ультрафиолетовой обработки, использование угольных фильтров, т. д.

Аварийное электропитание

При установке системы с водяным ТН рекомендуется наличие автономного электрогенератора с автозапуском. Мощность генератора должна покрывать сумму пусковых токов компрессора и циркуляционных насосов. После перезапуска ТН освободится более 40% мощности, чего будет достаточно для электропитания других потребителей – освещения, домашней техники и т. д. Установленная система работает в автоматическом или ручном режиме, внимание владельца минимальное. Тепловые насосы «вода – вода» неприхотливы в обслуживании, сервисное ТО проводится 1 раз в год и заключается в проверке автоматики, а также состояния контура компрессора и теплообменников.

Что в итоге?

Использование инверторных тепловых насосов – эффективный способ организовать отопление и ГВС в частном доме или для производственных помещений. Водяные насосы характеризуются высоким КПД и позволяют получать до 70–80% энергии из возобновляемых источников энергии. При этом установка водяного ТН позволяет организовать автономное горячее водоснабжение, а также предполагает возможность работы на отопление или охлаждение помещения в зависимости от поры года.