Pompa ciepła “woda-woda”: urządzenie, zasada działania, zasady organizacji ogrzewania na jego podstawie

Do ogrzewania i zapewnienia ciepłej wody w domach jednorodzinnych celowe jest stosowanie pompy ciepła woda-woda, działającej z naturalnych źródeł – wód podziemnych, rzek, zbiorników wodnych itp. System charakteryzuje się absolutnym bezpieczeństwem ekologicznym, nie wymaga regularnych wydatków na materiały eksploatacyjne, dlatego staje się coraz bardziej popularny.

Opowiemy o wariantach budowy pompy ciepła, wykorzystującej eko-energię wody do przekazywania jej domowym systemom grzewczym. Dla ciekawskich majsterkowiczów opisaliśmy zasady działania popularnych wariantów urządzenia i technologię budowy. U nas dowiedzą się Państwo, jakie wyposażenie będzie potrzebne do pracy systemu.

Zasada działania pompy ciepła woda-woda

Pompa ciepła ucieleśnia zasadę cyklu Carnota. Polega ona na tym, że poruszająca się substancja w zamkniętym układzie, zmieniająca pod wpływem czynników chemicznych, fizycznych lub termicznych swój stan skupienia z ciekłego na gazowy, uwalnia i pochłania ogromne ilości energii cieplnej.

W roli substancji roboczej występuje nośnik ciepła – woda ze studni lub zbiornika wodnego.

Nawet zimą w naturalnych źródłach na pewnej głębokości utrzymuje się dodatnia temperatura, dlatego z nich przez cały rok można pozyskiwać energię cieplną. Jedyną wadą instalacji jest wysoki pobór energii elektrycznej i konieczność zakupu dodatkowego wyposażenia.

Na schemacie przedstawiono trajektorię cyrkulacji wody i czynnika chłodniczego. System pozwala uzyskiwać energię cieplną niezależnie od pory roku.

Podstawowe elementy pompy ciepła woda-woda:

• kompresor;
• parownik;
• skraplacz;
• zawór rozprężny indukcyjny;
• automatyczny system monitorujący parametry;
• liczne magistrale z miedzianych rur;
• czynnik roboczy (chłodziwo).

Za pomocą specjalnej pompy woda przepływa rurami ze źródła do instalacji grzewczej, a następnie wchodzi w interakcję z gazem (freonem), który wrze w temperaturze +2–3 stopnie. Freon pochłania część ciepła z wody i jest zasysany przez sprężarkę, gdzie podczas sprężania jego temperatura wzrasta.

Wyposażenie pompy ciepła zajmuje sporo miejsca, ale daje możliwość uwolnienia się od zależności od sieci komunalnej.

Następnie chłodziwo trafia do skraplacza, po czym gorący czynnik podgrzewa wodę do zadanej temperatury (od +40 do +80 stopni), która jest transportowana rurami systemu grzewczego.

Schłodzona woda trafia do parownika, a następnie jest odprowadzana do studni odbiorczej. Po przejściu przez skraplacz chłodziwo staje się ciekłe i zbiera się na dnie elementu, a następnie przez zawór dławiący wraca do miejsca początkowego. Cykl się powtarza.

Na co zwracać uwagę przy instalacji takiego ogrzewania?

Istnieje wiele różnych modyfikacji pomp ciepła, przeznaczonych do pomieszczeń dowolnego przeznaczenia i wielkości, a także działających w różnych warunkach. Urządzenie jest przeznaczone do ogrzewania domów o powierzchni całkowitej od 50 do 150 metrów kwadratowych.

Wytyczna nr 1 – twardość wody

Jakość wody ze studni lub zbiornika odgrywa ważną rolę przy wyborze urządzenia. Nie wszystkie modele są w stanie pracować na twardej wodzie zawierającej duże ilości manganu i żelaza.

Wysokie stężenie tych pierwiastków szkodzi systemowi – na rurach szybciej tworzy się korozja, co prowadzi do zmniejszenia wydajności urządzenia i skrócenia jego żywotności.

Dlatego przed zakupem pompy ciepła pobiera się próbkę wody i wykonuje jej analizę na obecność tych i innych mikroelementów – siarkowodoru, amoniaku, chloru itp. Zazwyczaj jeśli temperatura w stawie przekracza +13 stopni, to z dużym prawdopodobieństwem w wodzie jest dużo jonów żelaza i manganu.

W związku z tym, pompa ciepła woda-woda jest dobierana z uwzględnieniem twardości wody. Istnieją systemy, których elementy są maksymalnie zabezpieczone przed korozją, ale są one droższe.

Wytyczna nr 2 – tryb pracy

Pompa ciepła może być używana jako jedyne źródło ciepła lub współpracować z innymi systemami. Dlatego przed wyborem modelu ważne jest określenie, w jakim trybie urządzenie będzie pracować.

Istnieją dwa typy funkcjonowania systemu:

• Monowalentny. Urządzenia posiadają dużą moc, nadają się do ogrzewania domu.
• Biwalentny. Mniej wydajne urządzenia, uzupełniają główne urządzenie grzewcze.

Do budowy autonomicznego systemu z głównym agregatem grzewczym woda-woda, potrzebny jest typ monowalentny.

Wytyczna nr 3 – moc pompy

Moc – ważny wskaźnik przy wyborze pompy ciepła, ponieważ od niej zależy wydajność systemu. Im wyższa moc, tym wyższa sprawność urządzenia, ale także większe zużycie energii elektrycznej.

Wydajność pompy ciepła woda-woda jest dobierana na podstawie rzeczywistych potrzeb

Przy wyborze urządzenia o niewystarczającej mocy, efektywność systemu spadnie, jeśli straty ciepła domu przekroczą ilość energii dostarczanej przez system. Pompa ciepła może pracować całą dobę, ale nie przyniesie efektu z powodu obniżenia temperatury wody.

Gdy straty ciepła budynku są niższe niż wydajność cieplna systemu, pompa zwykle automatycznie uruchamia się na kilka minut, podgrzewa wodę do zadanej temperatury, transportuje ją po systemie. Następnie wyłącza się, dopóki temperatura nie spadnie o kilka stopni. Potem cykl się powtarza.

Wytyczna nr 4 – funkcjonalność konkretnego modelu

Pompy ciepła mogą posiadać dodatkowe funkcje, są to:

• System automatycznego sterowania, który pozwoli regulować mikroklimat pomieszczenia według uznania. Sterowanie odbywa się zazwyczaj za pomocą pilota zdalnego sterowania.
• Funkcja podgrzewania wody do ciepłej wody użytkowej.
• Obudowa dźwiękochłonna.
• Możliwość podłączenia do innych systemów grzewczych, kolektorów słonecznych, co uczyni urządzenie grzewcze całkowicie autonomicznym.

Okres eksploatacji pomp ciepła woda-woda zwykle przekracza 30 lat.

Nie mniej ważnym przy wyborze urządzenia jest koszt instalacji i montażu.

Obliczenie wymaganej mocy pompy ciepła

Przed zakupem systemu ważne jest wcześniejsze sporządzenie projektu i obliczenie wymaganej mocy urządzenia. Wydajność oblicza się z uwzględnieniem rzeczywistych potrzeb na energię cieplną. Brane są pod uwagę straty ciepła, straty ciepła domu oraz obecność lub brak obiegu CWU.

Algorytm obliczeń:

1. Obliczamy całkowitą powierzchnię ogrzewanych pomieszczeń.
2. Określamy niezbędną ilość energii do ogrzewania. Optymalny wskaźnik na 1 metr kwadratowy – 0,07 kW.
3. Aby ogrzać dom o powierzchni N metrów kwadratowych, potrzebne będzie N*0,07 kW.
4. Dla CWU do otrzymanej liczby dodaje się dodatkowo 15-20%, czyli N*0,07*0,85 lub N*0,07*0,80.

Ten obliczenie będzie optymalne dla pomieszczeń z sufitami o wysokości nieprzekraczającej 2,7 m. Dokładniejsze wyliczenia wykonają specjaliści podczas opracowywania projektu.

Prace przygotowawcze przed eksploatacją

Przygotowanie do montażu, podłączenia i uruchomienia pompy ciepła z serii woda-woda obejmuje szereg standardowych etapów, z którymi zapoznamy się dalej.

Wybór optymalnego źródła wody

Należy zauważyć, że nie każde otwarte źródło lub studnia wodna nadają się do niezawodnego funkcjonowania pompy ciepła. Jakość wody odgrywa ważną rolę, ale problem zanieczyszczeń pomogą rozwiązać filtry.

Dopuszczalne jest użycie zbiornika wodnego lub stawu znajdującego się w promieniu 100 metrów od budynku. Jeśli takiego źródła nie ma, to pojawia się konieczność wiercenia studni.

Wybór źródła dla pompy ciepła należy orientować na prostotę i koszt użytkowania. W przypadku położonego obok otwartego zbiornika wodnego rozsądniej jest go użyć.

Zachowanie otwartego źródła jest bardziej przewidywalne niż wód gruntowych, dlatego jeśli to możliwe, lepiej dać pierwszeństwo zbiornikom wodnym.

Instalacja systemu grzewczego z wykorzystaniem studni

Do instalacji systemu z pompą ciepła potrzebne będą dwie studnie. Jedną z nich nazywa się studnią produkcyjną. To w niej zanurza się specjalną pompę, która pobiera wodę do dalszego przetwarzania w systemie. Druga studnia to studnia odbiorcza. Do niej odprowadza się schłodzoną wodę.

Studnia odprowadzająca i zasilająca powinny znajdować się w odległości co najmniej 15 metrów od siebie

Głębokość studni produkcyjnej nie powinna przekraczać 50 metrów. Im głębiej znajduje się źródło wody, tym mocniejsza będzie potrzebna pompa do jej podawania, co zwiększy zużycie energii.

Budowa studni czerpalnej

Przed rozpoczęciem eksploatacji studni produkcyjnej ważne jest, aby dowiedzieć się, ile wody jest w stanie dostarczyć i jaka ilość cieczy jest potrzebna do ogrzania całego pomieszczenia. Im wyższa temperatura wody, tym mniej jej będzie potrzebne do ogrzewania.

Ważne jest, aby wstępnie obliczyć objętość V, którą należy wypompowywać ze studni w ciągu godziny, aby ogrzać pomieszczenie. Załóżmy, że istnieje pompa, której moc cieplna wynosi pewną liczbę Q kW, a pobór mocy to liczba P kW. Konieczne będzie również poznanie temperatury wód gruntowych (t1) oraz ich temperatury po wymianie ciepła (t2).

Wtedy wzór na obliczenie objętości potrzebnej ilości wody na godzinę wygląda następująco:

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

Nie można analitycznie określić zdolności studni produkcyjnej do dostarczenia wymaganej objętości wody, dlatego przeprowadza się jej testowanie. Przez 3 dni pompa nieprzerwanie pompuje wodę ze studni. W ten sposób sprawdza się również studnię odbiorczą pod kątem możliwości przyjęcia wymaganej ilości wody przy dużym obciążeniu.

Należy pamiętać, że wody gruntowe zachowują się nieprzewidywalnie, dlatego z czasem może być mniej wody ze studni produkcyjnej. Na przykład wiosną obserwuje się przypływy, a zimą wręcz przeciwnie – woda ubywa. Jeśli w studni brakuje wody, system automatycznie się wyłącza i ogrzewanie nie następuje.

Specyfika studni chłonnej

Studnię rurową odbiorczą umieszcza się niżej w kierunku przepływu wód podziemnych. Nie można analitycznie określić, w którym kierunku porusza się woda. Dlatego w praktyce wybiera się dowolną studnię jako produkcyjną i uruchamia w niej pompę zanurzeniową.

Jeśli podczas eksploatacji systemu poziom wody nie spada, wybór był prawidłowy. Jeśli poziom spadł, a temperatura wody się obniżyła, należy zamienić studnie miejscami – przenieść pompę zanurzeniową do innego otworu.

Rurę odpływową do studni odbiorczej należy zanurzyć na kilka centymetrów w wodzie, nie sięgając dna. Jeśli zrzucać zużytą ciecz z góry, doprowadzi to do zabagnienia. Studnia rurowa może przestać przyjmować wodę i ulec zapchaniu.

Rezultat grozi przelewem, a zimą możliwym oblodzeniem. Najlepszym rozwiązaniem dla źródła odbiorczego jest rzeka lub staw. Jeśli takich obiektów w pobliżu nie ma, pojawia się konieczność wywiercenia jeszcze jednej lub kilku studni odbiorczych, aby zabezpieczyć się na wypadek przelewu.

Na rysunku przedstawiono przykład wykorzystania jednej studni jako odbiorczej i produkcyjnej

Dowiedzenie się, czy studnia będzie przyjmować wodę, nie jest możliwe ani metodą analityczną, ani testową. Praktyka pokazuje, że studnia odpływowa może niezawodnie pochłaniać wodę przez długie lata, ale może też całkowicie ulec awarii w ciągu jednego sezonu.

Istnieją technologie pozwalające na wykorzystanie jednej studni jako produkcyjnej i odbiorczej, ale ta metoda nie jest skuteczna – eksploatacja będzie wiązała się z trudnościami, możliwym obniżeniem temperatury wody, zabagnieniem i szeregiem innych problemów.

Budowa systemu z wykorzystaniem zbiornika wodnego

Wybrany staw powinien być wystarczająco głęboki, aby dolne warstwy wody nie zamarzały podczas silnych mrozów. W regionach południowych optymalna głębokość wyniesie około 1 metra, w północnych potrzebne będzie źródło o głębokości co najmniej 3 metrów. Ponadto staw musi być stabilny – niedopuszczalne są wahania poziomu wody ani jej obniżenie.

Do zbiornika wodnego prowadzone są dwa rurociągi – produkcyjny i odbiorczy. W rurociągu odbiorczym instaluje się pompę zatapialną.

W przypadku rur zaleca się stosowanie modeli z HDPE, które charakteryzują się trwałością i niezawodnością. Ważne jest zabezpieczenie rur przed zamarzaniem poprzez dodatkowe zaizolowanie ich oraz przed pęknięciami.

Przygotowanie domu do instalacji pompy ciepła

Do współpracy z pompą ciepła woda-woda w domu musi być zainstalowany system grzewczy oparty na wodzie, reprezentowany przez rury i grzejniki. Dla lepszego ocieplenia w podłodze i ścianach można również zamontować rury grzewcze.

Jeśli urządzenie będzie używane do dostarczania ciepłej wody, w domu musi istnieć system jej gromadzenia. Do pracy pompy potrzebne będzie podłączenie do sieci elektrycznej z nieograniczonym zasilaniem.

Bez dodatkowych działań w zakresie izolacji termicznej domu (ocieplenia zewnętrznego, montażu okien dwuszybowych itp.) eksploatacja pompy ciepła nie ma sensu.

Specjaliści zalecają dodatkowo zainstalować system wentylacji nawiewnej z mechanizmem podgrzewania powietrza. Freon używany w urządzeniu jest szkodliwy dla człowieka. Jeśli w obiegu systemu wystąpią mikropęknięcia, gaz uwolni się i tym samym wyprze powietrze z pomieszczenia. Czynnik chłodniczy może u człowieka wywołać zaostrzenie chorób płuc i ataki uduszenia.

Pompa ciepła jest ciężkim urządzeniem, jej waga może sięgać tony (zależy od mocy i rozmiarów), dlatego do jej montażu w niektórych przypadkach konieczne jest wzniesienie własnego fundamentu, niepołączonego z fundamentem budynku.

Przed montażem urządzenia należy uwzględnić dopuszczalne wymiary pomieszczenia, zachować odległość od ścian, określoną w karcie produktu.

Dodatkowe wyposażenie

Wybór dodatkowego wyposażenia dla pompy ciepła – odpowiedzialne zadanie, którego rozwiązanie w dużej mierze decyduje o długoterminowej żywotności całego systemu grzewczego i braku problemów w eksploatacji.

Zanurzeniowy pompa do studni i zbiorników wodnych

Jeśli w systemie pompa ciepła jest używana do dostarczania ciepłej wody, to urządzenie o małej mocy może obniżać ciśnienie w kranach. Wydajna pompa rozwiąże ten problem, ale zużywa więcej energii. Minimalna dopuszczalna moc przy eksploatacji CWU – 1 kW.

Istnieje wiele różnych modyfikacji zanurzeniowych pomp. Wyboru dokonuje się z uwzględnieniem trzech kryteriów, a mianowicie:

• Ilość cieczy używanej do pompowania (im więcej wody trzeba będzie transportować, tym wyższa musi być moc pompy).
• Głębokość studni (im głębsza studnia, tym większa powinna być moc urządzenia);
• Średnica studni (tradycyjnie preferuje się szyby 4-calowe, ponieważ dla nich stworzono najwięcej pomp, w przeciwieństwie do 3-calowych).

Aby określić głębokość studni, należy na sznurze zamocować obciążnik i opuścić go do szybu. Mokra część sznura wskaże całkowitą głębokość studni, sucha określi odległość od początku wody do powierzchni.

Pompę zanurza się w trzonie studni na głębokość wskazaną przez producenta urządzenia. Zazwyczaj w dokumentacji technicznej określono, ile metrów powinno być między lustrem wody a pompą, dnem wyrobiska a pompą.

Dla szybów mogą pasować zarówno pompy uniwersalne, jak i urządzenia specjalnie stworzone do studni. Jeśli wykonaniem szybu zajmowali się profesjonaliści, to jest on mniej zanieczyszczany piaskiem, dlatego można śmiało używać pompy uniwersalnej.

Pompy zaprojektowane specjalnie do odwiertów są droższe, ale doskonale radzą sobie z piaskiem i brudem, mniej się zapychają. Uniwersalne są wrażliwe na dużą zawartość organiczną, należy je regularnie czyścić z brudu, w wyniku czego ich żywotność się zmniejsza.

Warto preferować pompy z automatyką, ponieważ przy przegrzaniu silnika, nadmiernym zapchaniu lub braku wody w odwiercie wyłączają się samodzielnie, w wyniku czego silnik się nie przegrzewa i nie ulega awarii.

Ze względu na zasadę działania wyróżnia się 2 rodzaje zanurzeniowych pomp:

• Odśrodkowe.
• Wibracyjne.

Do pracy w odwiertach wydobywających wodę z wapienia, korzystniejsze są odśrodkowe modele głębinowe. Są wrażliwe na wodę z ziarnami piasku i zawiesiną gliniastą.

Jeśli pompa ciepła będzie podłączona do otwartego zbiornika wodnego, lepiej użyć powierzchniowego urządzenia pompowego przeznaczonego do przepompowywania brudnej wody lub niedrogiego urządzenia wibracyjnego.

Pośredni wymiennik ciepła pompy ciepła

W pompach ciepła podczas cyrkulacji freon może nie być wystarczająco dobrze chłodzony, co prowadzi do przegrzania sprężarki w wyniku nadmiernej temperatury tłoczenia. Dlatego ważne jest poprawienie chłodzenia czynnika, obniżając w ten sposób ciśnienie w obwodach.

Istnieje jeszcze jeden problem charakterystyczny dla wszystkich pomp ciepła – czynnik chłodniczy może mieszać się z parą wodną. Jeśli ciecz dostanie się do sprężarki, może wystąpić uderzenie hydrauliczne. W takim przypadku konieczna będzie naprawa lub wymiana elementu. Woda może również dostać się do oleju, a wydobycie jej stamtąd jest utrudnione.

Wszystkie opisane powyżej problemy rozwiązuje instalacja pośredniego wymiennika ciepła. Wymienniki ciepła są trzech rodzajów – typu otwartego, płaszczowo-rurowe i wężownicowe.

Modyfikacja typu otwartego neutralizuje ciecz, która dostała się do freonu podczas cyrkulacji, minimalizując prawdopodobieństwo uderzenia hydraulicznego sprężarki. Urządzenie charakteryzuje się wysoką wydajnością przy minimalnym zużyciu mocy.

Przy instalacji wymiennika ciepła typu otwartego ważne jest odpowiednie dobranie rozmiaru rurociągu cieczowego, aby zapewnić minimalne sprężenie ciśnienia

Odpowiednio dobrane rury pozwolą zneutralizować możliwość wrzenia cieczy. Przy tym zawór powinien mieć wystarczającą przepustowość, aby ciecz przy niskiej różnicy ciśnień mogła przedostać się do urządzenia.

Wymiennik płaszczowo-rurowy występuje w formie zamkniętej konstrukcji. Wymiana ciepła odbywa się przez ścianki rur, a ciecz i czynnik chłodniczy nie mieszają się, w przeciwieństwie do otwartego, co zapewnia wysokie ciśnienie do cyrkulacji pary i powietrza.

Wymiennik ciepła z wężownicą różni się obecnością regulatora przepływu, który steruje przepływem ciekłego freonu. Rozmiar urządzenia zależy bezpośrednio od mocy pompy ciepła. Należy wybrać produkt, biorąc pod uwagę funkcjonalność i dostępną kwotę. Wskazane jest preferowanie modeli rozbieralnych.

Filtry do pompy ciepła

Woda ze studni lub zbiorników nie dociera w czystej postaci. Może zawierać piasek, brud, różne mikroelementy – żelazo, siarkowodór, mangan, chlor, amoniak i inne. Przed doprowadzeniem do pompy ciepła woda musi być przefiltrowana.

Przede wszystkim należy usunąć duże substancje – kamienie, piasek, brud, muł. Aby usunąć je z wody, konieczny jest montaż hydrocyklonu.

Hydrocyklon – urządzenie potrzebne do wstępnego oczyszczania wody. Należy go wybrać, biorąc pod uwagę moc pompy.

Następnie ważne jest zainstalowanie filtrów usuwających żelazo, siarkowodór, mangan, amoniak. Te mikroelementy skracają żywotność urządzeń i powodują ich korozję.

Można skorzystać z filtrów odwróconej osmozy, zmiękczaczy, odżelaziaczy i ich modyfikacji. Aby zapewnić pitną ciepłą wodę, dodatkowo należy wyposażyć w filtry węglowe i sterylizator UV, który niszczy bakterie i wirusy.

Elektrogenerator do zasilania rezerwowego

Pompy ciepła działają z sieci elektrycznej, dlatego w przypadku awarii zasilania dom pozostanie bez ogrzewania. Wskazane jest dodatkowe nabycie generatora elektrycznego działającego na paliwach łatwopalnych.

Ważne, aby generator elektryczny mógł wytwarzać wymaganą moc do pracy sprężarki pompy.

Specyfika eksploatacji takiej pompy ciepła

Raz w roku należy przeprowadzić samodzielną kontrolę wzrokową podzespołów pompy, wykonać zalecenia dotyczące konserwacji – na czas smarować części, monitorować poprawność działania urządzenia przy przepompowywaniu wody.

Niektóre rodzaje urządzeń wymagają regularnej kontroli (zwykle 1-2 razy w roku) przez specjalistów z centrum serwisowego. Podczas kontroli stwierdza się:

• wycieki oleju maszynowego przez pęknięcia w obwodzie;
• jakość mocowań i połączeń;
• poziom ciśnienia w zbiornikach i obwodach;
• usterki w działaniu przewodów zasilających.

Montaż pompy ciepła woda-woda należy powierzyć przeszkolonym specjalistom. Nieefektywność systemu najczęściej wiąże się z jego nieprawidłową instalacją. Urządzenie grzewcze nadaje się do eksploatacji zarówno przez mieszkańców regionów południowych, jak i północnych.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film zapozna z zasadą działania i cechami urządzenia:

Podsumowując, można stwierdzić, że pompa ciepła woda-woda jest uważana za efektywne i ekologiczne urządzenie przeznaczone do ogrzewania domów o powierzchni do 150 m². W przypadku większych powierzchni mogą być już potrzebne dość skomplikowane badania inżynieryjne.

Jeśli podczas zapoznawania się z przedstawionymi informacjami pojawiły się pytania, prosimy zadawać je w bloku znajdującym się poniżej. Czekamy na Państwa komentarze, pytania na ten temat, opowieści i zdjęcia dotyczące samodzielnej budowy małej elektrowni wodnej. Jesteśmy ciekawi Państwa opinii.