Tepelné čerpadlo “voda-voda”: konštrukcia, princíp fungovania, pravidlá zriadenia vykurovania na jeho báze

Pre vykurovanie a zabezpečenie teplej vody v súkromných domoch je vhodné použiť tepelné čerpadlo voda-voda, ktoré funguje z prírodných zdrojov – podzemných vôd, riek, vodných nádrží atď. Systém sa vyznačuje absolútnou ekologickou bezpečnosťou, nevyžaduje pravidelné výdavky na spotrebný materiál, a preto je čoraz žiadanejší.

Povieme vám o variantoch zariadenia tepelného čerpadla, ktoré využíva ekologickú energiu vody na jej prenos do domácich vykurovacích systémov. Pre zvedavých domácich majstrov sme opísali princípy činnosti populárnych variantov zariadenia a technológiu výstavby. U nás sa dozviete, aké zariadenie bude potrebné na prevádzku systému.

Princíp činnosti tepelného čerpadla voda-voda

Tepelné čerpadlo stelesňuje princíp Carnotovho cyklu. Spočíva v tom, že pohybujúca sa látka v uzavretom systéme, ktorá mení svoje skupenstvo z kvapalného na plynné pod vplyvom chemických, fyzikálnych alebo tepelných faktorov, uvoľňuje a absorbuje obrovské množstvo tepelnej energie.

Ako pracovná látka slúži tepelný nosič – voda zo studne alebo vodnej nádrže.

Aj v zime sa v prírodných zdrojoch v určitej hĺbke udržuje kladná teplota, preto z nich možno celoročne získavať tepelnú energiu. Jedinou nevýhodou zariadenia je vysoká spotreba elektrickej energie a potreba nákupu dodatočného zariadenia.

Na schéme je zobrazená trajektória cirkulácie vody a chladiva. Systém umožňuje získavať tepelnú energiu nezávisle od ročného obdobia.

Základné prvky tepelného čerpadla voda-voda:

• kompresor;
• výparník;
• kondenzátor;
• expanzného indukčného ventilu;
• automatický systém vykonávajúci kontrolu ukazovateľov;
• viacnásobné vedenia z medených rúr;
• pracovná látka (chladivo).

Pomocou špeciálneho čerpadla voda prúdi potrubím zo zdroja do tepelného zariadenia, potom interaguje s plynom (freónom), ktorý vrie pri teplote +2-3 stupne. Freón absorbuje časť tepla vody a je nasávaný kompresorom, kde sa počas stláčania jeho teplota zvyšuje.

Zariadenie tepelného čerpadla zaberá dosť miesta, ale poskytuje možnosť zbaviť sa komunálnej závislosti

Ďalej chladivo vstupuje do kondenzátora, potom horúca látka ohrieva vodu na požadovanú teplotu (od +40 do +80 stupňov), ktorá je dopravovaná potrubím vykurovacieho systému.

Ochladená voda vstupuje do výparníka, potom sa vylieva do prijímacej studne. Po prechode kondenzátorom sa chladivo stáva tekutým a zhromažďuje sa na dne prvku, potom sa cez škrtiaci ventil vracia na pôvodné miesto. Potom sa cyklus opakuje.

Na čo sa zamerať pri usporiadaní takéhoto vykurovania?

Existuje veľké množstvo rôznych modifikácií tepelných čerpadiel určených pre priestory akéhokoľvek účelu a veľkosti, ako aj pracujúcich v rôznych podmienkach. Zariadenie je určené na vykurovanie domov s celkovou plochou 50 až 150 metrov štvorcových.

Orientačný bod č. 1 – tvrdosť vody

Kvalita vody zo studne alebo vodnej nádrže hrá dôležitú úlohu pri výbere zariadenia. Nie všetky modely sú schopné pracovať s tvrdou vodou obsahujúcou veľké množstvo mangánu a železa.

Vysoká koncentrácia týchto prvkov škodí systému – na rúrach sa rýchlejšie tvorí korózia, čo vedie k zníženiu účinnosti zariadenia a jeho životnosti.

Preto pred kúpou tepelného čerpadla odoberú vzorku vody a urobia jej analýzu na prítomnosť týchto a ďalších mikroprvkov – sírovodíka, amoniaku, chlóru atď. Zvyčajne, ak teplota v jazierku presahuje +13 stupňov, potom je s veľkou pravdepodobnosťou vo vode veľa iónov železa a mangánu.

Takto sa tepelné čerpadlo voda-voda vyberá s ohľadom na tvrdosť vody. Existujú systémy, ktorých prvky sú maximálne chránené pred koróziou, ale stoja viac.

Orientačný bod č. 2 – režim prevádzky

Tepelné čerpadlo môže byť použité ako jediný zdroj tepla alebo môže spolupracovať s inými systémami. Preto je pred výberom modelu dôležité určiť, v akom režime bude zariadenie pracovať.

Celkovo existujú dva typy fungovania systému:

• Monovalentný. Zariadenia majú veľký výkon, vhodné na vykurovanie domu.
• Bivalentný. Menej výkonné zariadenia dopĺňajú hlavné vykurovacie zariadenie.

Na vybudovanie autonómneho systému s hlavným vykurovacím agregátom voda-voda je potrebný monovalentný typ.

Orientačný bod č. 3 – výkon čerpadla

Výkon je dôležitý ukazovateľ pri výbere tepelného čerpadla, pretože od neho závisí výkonnosť systému. Čím vyšší je výkon, tým vyššia je účinnosť zariadenia, ale aj spotreba elektrickej energie je vyššia.

Výkonnosť tepelného čerpadla voda-voda sa vyberá na základe skutočných potrieb

Pri výbere zariadenia s nedostatočným výkonom účinnosť systému klesne v prípade, že tepelné straty domu presiahnu množstvo energie odovzdanej systémom. Tepelné čerpadlo môže pracovať nepretržite, ale nebude mať efekt kvôli zníženiu teploty vody.

Keď sú tepelné straty stavby nižšie ako tepelný výkon systému, čerpadlo sa zvyčajne automaticky spustí na niekoľko minút, ohreje vodu na nastavenú teplotu, prepraví ju po systéme. Potom sa vypne až do okamihu, keď teplota klesne o niekoľko stupňov. Potom sa cyklus opakuje.

Orientačný bod č. 4 – funkčnosť konkrétneho modelu

Tepelné čerpadlá môžu mať doplnkové funkcie, sú to:

• Systém automatického riadenia, ktorý umožní nastaviť mikroklimu miestnosti podľa želania. Ovládanie sa zvyčajne vykonáva pomocou diaľkového ovládača.
• Funkcia ohrevu vody pre teplú úžitkovú vodu.
• Hlukovo izolovaný kryt.
• Možnosť pripojenia k iným vykurovacím systémom, solárnym kolektorom, čo urobí vykurovacie zariadenie úplne autonómnym.

Životnosť tepelných čerpadiel voda-voda zvyčajne presahuje 30 rokov.

Nemenej dôležitým pri výbere zariadenia sa považuje cena inštalácie a montáže.

Výpočet potrebného výkonu tepelného čerpadla

Pred kúpou systému je dôležité vopred zostaviť projekt a vypočítať potrebný výkon zariadenia. Výkon sa počíta s ohľadom na skutočné potreby tepelnej energie. Zohľadňujú sa náklady na teplo, tepelné straty domu a prítomnosť alebo neprítomnosť okruhu TÚV.

Algoritmus výpočtu:

1. Vypočítame celkovú plochu vykurovaných miestností.
2. Určíme potrebné množstvo energie na vykurovanie. Optimálny ukazovateľ na 1 štvorcový meter – 0,07 kW.
3. Na vykúrenie domu o N štvorcových metroch bude potrebných N*0,07 kW.
4. Pre TÚV sa k získanému číslu pridáva dodatočne 15-20%, teda N*0,07*0,85 alebo N*0,07*0,80.

Tento výpočet bude optimálny pre miestnosti so stropmi nepresahujúcimi výšku 2,7 m. Presnejšie výpočty vykonajú špecialisti počas zostavovania projektu.

Prípravné práce pred prevádzkou

Príprava na montáž, pripojenie a uvedenie do prevádzky tepelného čerpadla zo série voda-voda zahŕňa rad štandardných krokov, s ktorými sa ďalej oboznámime.

Výber optimálneho zdroja vody

Treba poznamenať, že nie každý otvorený zdroj alebo vodný vrt bude vhodný na nepretržitú prevádzku tepelného čerpadla. Kvalita vody hrá dôležitú úlohu, ale problém znečistenia pomôžu vyriešiť filtre.

Je prípustné použiť vodnú nádrž alebo rybník nachádzajúci sa v okruhu 100 metrov od stavby. Ak takýto zdroj neexistuje, vzniká potreba vŕtania studní.

Výber zdroja pre tepelné čerpadlo by sa mal orientovať na jednoduchosť a náklady na používanie. V prípade blízko umiestnenej otvorenej vodnej plochy je rozumnejšie použiť ju.

Správanie otvoreného zdroja je predvídateľnejšie ako podzemnej vody, preto ak je to možné, je lepšie dať prednosť vodným plochám.

Inštalácia tepelného systému s využitím studne

Pre inštaláciu systému s využitím tepelného čerpadla budú potrebné dve studne. Jedna zo studní sa zvyčajne nazýva debetná. Práve do nej sa ponorí špeciálne čerpadlo, pomocou ktorého sa odoberá voda na následné spracovanie v systéme. Druhá studňa je prijímacia. Do nej sa vypúšťa ochladená voda.

Odtoková a napájacia studňa musia byť od seba vzdialené najmenej 15 metrov.

Hĺbka debetnej studne nesmie presiahnuť 50 metrov. Čím hlbšie je zdroj vody, tým výkonnejšie čerpadlo bude potrebné na jej dodávku, čo zvýši množstvo spotrebovanej energie.

Zariadenie debetnej studne

Pred začatím prevádzky debetnej studne je dôležité zistiť, koľko vody je schopná poskytnúť a aké množstvo kvapaliny je potrebné na vykúrenie celej miestnosti. Čím vyššia je teplota vody, tým menej jej bude potrebné na vykurovanie.

Je dôležité vopred vypočítať objem V, ktorý je potrebné odčerpať zo studne počas hodiny na vykúrenie miestnosti. Predpokladajme, že existuje čerpadlo, ktorého tepelný výkon sa rovná určitému číslu Q kW a príkon je číslo P kW. Tiež bude potrebné zistiť teplotu podzemnej vody (t1) a jej teplotu po tepelnej výmene (t2).

Potom vzorec na výpočet objemu potrebného množstva vody za hodinu vyzerá takto:

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

Určiť schopnosť debetnej studne poskytovať potrebný objem vody analyticky nie je možné, preto sa vykonáva jej testovanie. Počas 3 dní čerpadlo nepretržite prečerpáva vodu zo studne. Týmto spôsobom sa vykonáva aj kontrola prijímacej studne na možnosť prijímať potrebné množstvo vody pri vysokej záťaži.

Je dôležité si uvedomiť, že podzemné vody sa správajú nepredvídateľne, preto vody z debetnej studne môže časom ubúdať. Napríklad na jar pozorujeme prílivy, v zime naopak voda ubúda. Ak je v studni nedostatok vody, systém sa automaticky vypne a vykurovanie neprebieha.

Osobitosti prijímacej studne

Príjímacia rúrková studňa sa umiestňuje po prúde podzemnej vody. Určiť, ktorým smerom sa voda pohybuje, analyticky nie je možné. Preto sa v praxi vyberie ľubovoľná studňa ako debetná a spustí sa do nej ponorné čerpadlo.

Ak počas prevádzky systému hladina vody neklesne, výber bol správny. Ak hladina klesla a teplota vody sa znížila, je potrebné vymeniť studne miestami – premiestniť ponorné čerpadlo do iného otvoru.

Vypúšťaciu rúru do príjímacej studne je potrebné ponoriť niekoľko centimetrov do vody, bez dosiahnutia dna. Ak sa odpadová kvapalina vypúšťa zhora, povedie to k zamokreniu. Rúrková studňa môže prestať prijímať vodu a upchať sa.

Výsledok hrozí preliatím a v zime možným zamrznutím. Najlepšou možnosťou pre príjímací zdroj je rieka alebo rybník. Ak tieto objekty nie sú nablízku, vzniká potreba vŕtať ešte jednu alebo niekoľko príjímacích studní, aby ste sa poistili pre prípad preliatia.

Na obrázku je znázornený príklad použitia jednej studne ako príjímacej a debetnej

Zistiť, či bude studňa prijímať vodu, nie je možné ani analytickým, ani testovacím spôsobom. Prax ukazuje, že vypúšťacia studňa môže nepretržite vstrebávať vodu dlhé roky, ale môže tiež zlyhať počas jednej sezóny.

Existujú technológie, ktoré umožňujú používať jednu studňu ako debetnú a príjímaciu, ale táto metóda nie je účinná – prevádzka bude sprevádzaná ťažkosťami, možným znížením teploty vody, zamokrením a radom ďalších problémov.

Zariadenie systému s využitím vodnej nádrže

Vybratý rybník musí byť dostatočne hlboký, aby spodné vrstvy vody počas silných mrazov nezamŕzali. V južných regiónoch bude optimálna hĺbka približne 1 meter, v severných bude potrebný zdroj s hĺbkou od 3 metrov. Rybník musí byť tiež stabilný – neprípustné sú kolísanie hladiny vody a jej znižovanie.

K vodnému zdroju vedú dva potrubia – debetné a príjímacie. Do príjímacieho sa inštaluje ponorné čerpadlo

Ako rúry sa odporúča používať modely z HDPE, vyznačujúce sa trvanlivosťou a spoľahlivosťou. Dôležité je chrániť rúry pred zamrznutím, dodatočne ich izolovať, a pred pretrhnutím.

Príprava domu na inštaláciu tepelného čerpadla

Pre interakciu s tepelným čerpadlom voda-voda musí byť v dome vybavený vykurovací systém na vodnej báze, pozostávajúci z rúr a radiátorových telies. Pre lepšiu izoláciu je tiež prípustné inštalovať vykurovacie rúry do podlahy a stien.

Ak sa zariadenie bude používať na dodávku teplej vody, musí byť v dome prítomný systém jej zberu. Pre prevádzku čerpadla bude potrebné pripojenie k elektrickej sieti s neobmedzeným napájaním.

Bez dodatočných opatrení na tepelnú izoláciu domu (vonkajšieho zateplenia, inštalácie dvojkomorových okien atď.) nemá prevádzka tepelného čerpadla zmysel.

Odborníci odporúčajú dodatočne nainštalovať systém prívodného vetrania s mechanizmom ohrevu vzduchu. Freón používaný v zariadení je škodlivý pre človeka. Ak v okruhu systému dôjde k mikrotrhlinám, plyn sa uvoľní a tým vytlačí vzduch z miestnosti. Chladivo môže u človeka vyvolať zhoršenie pľúcnych ochorení, záchvaty dusenia.

Tepelné čerpadlo je ťažké zariadenie, jeho hmotnosť môže dosahovať tonu (závisí od výkonu a rozmerov), preto je v niektorých prípadoch na jeho inštaláciu potrebné vybudovať samostatný základ, ktorý nie je spojený so základom chaty.

Pred inštaláciou zariadenia je potrebné zohľadniť prípustné rozmery miestnosti a dodržať vzdialenosť od stien uvedenú v pasporte výrobku.

Dodatočné zariadenie

Výber dodatočného zariadenia pre tepelné čerpadlo je zodpovedná úloha, ktorej riešenie do značnej miery určuje dlhodobú životnosť vykurovacieho systému ako celku a absenciu problémov pri prevádzke.

Ponorný čerpadlo pre studne a nádrže

Ak sa v systéme tepelné čerpadlo používa na dodávku teplej vody, zariadenie s malým výkonom môže znižovať tlak v kohútikoch. Výkonné čerpadlo tento problém vyrieši, ale spotrebúva viac energie. Minimálny prípustný výkon pri prevádzke TÚV – 1 kW.

Existuje mnoho rôznych modifikácií ponorných čerpadiel. Výber sa uskutočňuje s ohľadom na tri kritériá, a to:

• Množstvo kvapaliny používanej na prečerpávanie (čím viac vody bude potrebné dopravovať, tým vyšší musí byť výkon čerpadla).
• Hĺbka studne (čím hlbšia studňa, tým väčší musí byť výkon zariadenia);
• Priemer studne (tradične sa uprednostňujú 4-palcové šachty, pretože pre ne bolo vytvorených najviac čerpadiel, na rozdiel od 3-palcových).

Na určenie hĺbky studne je potrebné na lano upevniť závažie a spustiť ho do šachty. Mokrá časť lana ukáže celkovú hĺbku studne, suchá časť určí vzdialenosť od hladiny vody po povrch.

Čerpadlo sa ponára do telesa studne do hĺbky uvedenej výrobcom zariadenia. V technickom liste je zvyčajne uvedené, koľko metrov by malo byť medzi hladinou vody a čerpadlom, dnom výkopu a čerpadlom.

Pre šachty môžu byť vhodné univerzálne čerpadlá aj zariadenia špeciálne vytvorenné pre studne. Ak sa vývojom šachty zaoberali profesionáli, je menej zanesená pieskom, preto je možné bez obáv použiť univerzálne čerpadlo.

Čerpadlá navrhtnuté špeciálne pre studne sú drahšie, ale výborne si poradia s pieskom a špinou, menej sa zanášajú. Univezálne sú citlivé na vysoký obsah organických látok, je potrebné ich pravidelne čistiť od nečistôt, v dôsledku čoho sa znižuje ich životnosť.

Prednosť by sa mala dať čerpadlám s automatikou, pretože pri prehratí motora, nadmernom zanesení alebo nedostatku voly v studni sa samy vypnú, v dôsledku čoho sa motor neprehriva a nezlyháva.

Podľa princípu činnosti rozlišeme 2 druhy ponorných čerpadiel:

• Ostredivé.
• Vibračné.

Pre prácu v studniach ťažiacich vodu vo vápenci sú vhodnejšie odstredivé hĺbkové modely. Sú citlivé na vodu s pieskovými zrnkami a ílovou suspenziou.

Ak bude tepelné čerpadlo pripojené k otvorenej vodnej ploche, je lepšie použiť povrchové čerpacie zariadenie určené na prečepávanie špinavej voly, alebo lacné vibračné zariadenie.

Medzivýmenník tepla tepelného čerpadla

V tepelých čerpadlá sa môže počas circuácie freón nedostatočne ochlaďovať, čo vedie k prehriatiu kompresora v dôsledku nadmernej teploty výtlaku. Preto je dôležité zlepšiť chladenie látky, čím sa zníži tlak v okrutoch.

Exstuje ešte jeden problem charateristický pre všetky tepelné čepadlá – chladivo sa môže miešať s parou voly. Ak sa kvapalina dostane do kompresora, môže dôjsť k hydraulickému rázu. V takom prípade bude potrebná oprava alebo výmena dielu. Voda sa tiež môže dostať do oleja a jej odstránenie je náročné.

Všetky vyššie popísané problémy rieši inštalácia medziľahlého výmenníka tepla. Výmeníky tepla sú troch druhov – otvoreného tyru, plášťoprúdové a hadovité.

Modifikácia otvoreného typu neutilizuje kvapalinu, ktorá sa dostala do freónu počas cirkulácie, čo minimalizuje ravdephodobnosť hydraulického rázu kompresora. Zariadenie sa vyznačuje vysokou výkonnosťou pri minimálnych nákladoch na energiu.

Pri inštalácii výmenníka tepla otvoreného typ je dôležité spvne zvoliť rozmer kvapalinového potrubia, aby sa zabepečilo minimalné stlačenie tlaku.

Správne zvolené rúry umožňa neutralizovať môžnosť varu kvapaliny. Pri tom by mal ventil mať dostatočnú prietokovú kapacitu, aby kvapalina pri nízkom rozdiele tlakov mola preniknúť do zariadenia.

Rúrkový výmenník tepla je prezentovaný ako uzavretá konštrukcia. Výmena tepla prebieha cez steny rúr, pričom kvapalina a chladivo sa v ňom nemiešajú, na rozdiel od otvoreného, čo zabezpečuje vysoký tlak pre cirkuláciu pary a vzduchu.

Špirálový výmenník tepla sa vyznačuje prítomnosťou regulátora prietoku, ktorý riadi tok kvapalného freónu. Veľkosť zariadenia priamo závisí od výkonu tepelného čerpadla. Výrobok je potrebné vybrať s ohľadom na funkcionalitu a disponibilnú sumu. Je vhodné uprednostniť rozoberateľné modely.

Filtre pre tepelné čerpadlo

Voda zo studní alebo nádrží neprichádza v čistej forme. Môže v nej byť piesok, špina, rôzne mikroprvky – železo, sírovodík, mangán, chlór, amoniak a iné. Pred vstupom do tepelného čerpadla musí byť voda prefiltrovaná.

V prvom rade je potrebné odstrániť veľké látky – kamene, piesok, špinu, bahno. Na ich odstránenie z vody je potrebná inštalácia hydrocyklónu.

Hydrocyklón – zariadenie potrebné na hrubé čistenie vody. Je potrebné ho vybrať s ohľadom na výkon čerpadla.

Ďalej je dôležité nainštalovať filtre, ktoré odstraňujú železo, sírovodík, mangán, amoniak. Tieto mikroprvky skracujú životnosť zariadenia a spôsobujú jeho koróziu.

Je možné použiť filtre reverznej osmózy, zmäkčovače, odželezňovače a ich modifikácie. Na zabezpečenie pitnej teplej vody je potrebné dodatočne vybaviť uhlíkové filtre a UV sterilizátor, ktorý ničí baktérie a vírusy.

Elektrický generátor pre záložné napájanie

Tepelné čerpadlá pracujú z elektrickej siete, preto ak dôjde k výpadku elektrického napájania, dom zostane bez vykurovania. Je vhodné dodatočne zakúpiť elektrocentrálu, ktorá pracuje na horľavé látky.

Je dôležité, aby elektrocentrála mohla vyrábať potrebný výkon pre prácu kompresora čerpadla.

Osobitosti prevádzky takéhoto tepelného čerpadla

Raz ročne je potrebné vykonať samostatnú vizuálnu kontrolu uzlov čerpadla, dodržiavať odporúčania pre technickú údržbu – včas mazať diely, sledovať správnosť činnosti prístroja pri prečerpávaní vody.

Niektoré typy zariadení potrebujú pravidelnú kontrolu (zvyčajne 1-2 krát ročne) odborníkmi servisného centra. Počas kontroly sa zisťujú:

• netesnosti strojového oleja cez trhliny v okruhu;
• kvalita upevnení a spojení;
• úroveň tlaku v nádržiach a okruhoch;
• poruchy v činnosti silového vedenia.

Montáž tepelného čerpadla voda-voda by mala byť zverená vyškoleným odborníkom. Neefektívnosť systému je najčastejšie spojená s jeho nesprávnou inštaláciou. Tepelné zariadenie je vhodné na prevádzku obyvateľmi južných aj severných regiónov.

Závery a užitočné video k téme

Video oboznámi s princípom činnosti a vlastnosťami zariadenia:

Ako záver možno konštatovať, že tepelné čerpadlo voda-voda je účinným ekologicky bezpečným zariadením určeným na vykurovanie domov s rozlohou do 150 metrov štvorcových. Na vybavenie priestoru väčšej plochy už môžu byť potrebné pomerne zložité inžinierske prieskumy.

Ak máte otázky pri oboznamovaní sa s uvedenými informáciami, pýtajte sa, prosím, v bloku umiestnenom nižšie. Tešíme sa na Vaše komentáre, otázky k téme, príbehy a fotografie o vlastnoručnom postavení mini-vodnej elektrárne. Zaujíma nás Váš názor.