Pompă de căldură “apă-apă”: structură, principiu de funcționare, reguli de amenajare a încălzirii pe baza acesteia

Pentru încălzirea și alimentarea cu apă caldă a caselor private, este recomandabil să se utilizeze o pompă de căldură apă-apă, care funcționează din surse naturale – ape subterane, râuri, lacuri etc. Sistemul se distinge printr-o siguranță ecologică absolută, nu necesită cheltuieli regulate pentru materiale consumabile, devenind astfel din ce în ce mai solicitată.

Vom vorbi despre variantele de construcție a pompei de căldură, care utilizează eco-energia apei pentru a o transfera sistemelor de încălzire menajere. Pentru meșterii casnici curioși, am descris principiile de funcționare ale variantelor populare de dispozitiv și tehnologia de construcție. La noi veți afla ce echipament este necesar pentru funcționarea sistemului.

Principiul de funcționare al pompei de căldură apă-apă

Pompa de căldură întruchipează principiul ciclului Carnot. Acesta constă în faptul că substanța în mișcare într-un sistem închis, care își schimbă starea de agregare din lichid în gaz sub influența factorilor chimici, fizici sau termici, eliberează și absoarbe o cantitate imensă de energie termică.

Ca substanță de lucru acționează purtătorul termic – apa din puț sau lac.

Chiar și iarna, în sursele naturale, la o anumită adâncime, se menține o temperatură pozitivă, astfel încât din ele se poate extrage energie termică pe tot parcursul anului. Singurul dezavantaj al instalației este consumul ridicat de energie electrică și necesitatea achiziționării de echipament suplimentar.

În schemă este ilustrată traiectoria de circulație a apei și a agentului frigorific. Sistemul permite obținerea de energie termică, indiferent de sezon.

Elementele principale ale pompei de căldură apă-apă:

• compresor;
• evaporator;
• condensator;
• ventil de expandare inductiv;
• sistem automat care efectuează controlul indicatorilor;
• magistrale multiple din țevi de cupru;
• substanță de lucru (agent frigorific).

Cu ajutorul unei pompe speciale, apa intră prin țevi din sursă în instalația termică, după care interacționează cu gazul (freonul), care fierbe la temperatura de +2-3 grade. Freonul absoarbe o parte din căldura apei și este aspirat de compresor, unde în timpul comprimării temperatura acestuia crește.

Echipamentul pompei de căldură ocupă mult spațiu, dar oferă posibilitatea de a scăpa de dependența de utilități

Apoi, agentul frigorific intră în condensator, după care substanța fierbinte încălzește apa până la temperatura setată (de la +40 la +80 de grade), care este transportată prin țevile sistemului de încălzire.

Apa răcită intră în evaporator, apoi este deversată în puțul de recepție. După ce trece prin condensator, agentul frigorific devine lichid și se adună pe fundul elementului, apoi prin ventilul de laminare revine la locul inițial. Apoi ciclul se repetă.

La ce să se țină cont la amenajarea unei astfel de încălziri?

Există un număr mare de modificări diferite ale pompelor de căldură, destinate încăperilor de orice destinație și dimensiune, precum și care funcționează în diferite condiții. Echipamentul este destinat încălzirii caselor cu suprafața totală de 50 până la 150 de metri pătrați.

Orientare nr.1 – duritatea apei

Calitatea apei din puț sau corp de apă joacă un rol important în alegerea echipamentului. Nu toate modelele sunt capabile să funcționeze cu apă dură, care conține cantități mari de mangan și fier.

Concentrația ridicată a acestor elemente dăunează sistemului – pe țevi se formează mai repede coroziunea, ceea ce duce la scăderea eficienței echipamentului și a duratei de exploatare a acestuia.

Prin urmare, înainte de achiziționarea pompei de căldură, se ia o probă de apă și se analizează prezența acestor și a altor microelemente – acid sulfhidric, amoniac, clor etc. De obicei, dacă temperatura lacului depășește +13 grade, atunci cu mare probabilitate, în apă există mulți ioni de fier și mangan.

Astfel, pompa de căldură apă-apă se selectează ținând cont de duritatea apei. Există sisteme ale căror elemente sunt protejate maxim împotriva coroziunii, dar costă mai mult.

Orientare nr.2 – regimul de funcționare

Pompa de căldură poate fi utilizată ca unică sursă de căldură sau poate interacționa cu alte sisteme. De aceea, înainte de alegerea modelului, este important să se determine în ce regim va funcționa dispozitivul.

Există în total două tipuri de funcționare a sistemului:

• Monovalent. Aparatele au o putere mare, sunt potrivite pentru încălzirea casei.
• Bivalent. Dispozitive mai puțin performante, completează echipamentul principal de încălzire.

Pentru realizarea unui sistem autonom cu un agregat principal de încălzire apă-apă, este necesar tipul monovalent.

Orientare nr.3 – puterea pompei

Puterea – un indicator important la alegerea pompei de căldură, deoarece de aceasta depinde performanța sistemului. Cu cât puterea este mai mare, cu atât randamentul echipamentului este mai ridicat, dar și consumul de energie electrică este mai mare.

Performanța pompei de căldură apă-apă se selectează în funcție de necesitățile reale

La alegerea unui dispozitiv cu putere insuficientă, eficiența sistemului va scădea în cazul în care pierderile de căldură ale casei depășesc cantitatea de energie furnizată de sistem. Pompa de căldură poate funcționa non-stop, dar nu va avea efect din cauza scăderii temperaturii apei.

Când pierderile de căldură ale clădirii sunt mai mici decât degajarea de căldură a sistemului, pompa pornește de obicei automat pentru câteva minute, încălzește apa la temperatura setată, o transportă prin sistem. Apoi se oprește până când temperatura scade cu câteva grade. Apoi ciclul se repetă.

Orientare nr.4 – funcționalitatea modelului specific

Pompele de căldură pot avea funcții suplimentare, acestea sunt:

• Sistem de control automat, care va permite reglarea microclimatului încăperii după preferințe. Controlul se realizează de obicei cu ajutorul unei telecomenzi.
• Funcția de încălzire a apei pentru alimentarea cu apă caldă.
• Carcasă fonoizolantă.
• Posibilitatea de conectare la alte sisteme de încălzire, colectoare solare, ceea ce va face echipamentul de încălzire complet autonom.

Durata de exploatare a pompelor de căldură apă-apă depășește de obicei 30 de ani.

Nu mai puțin important la alegerea echipamentului este considerat costul de instalare și montaj.

Calculul puterii necesare a pompei de căldură

Înainte de achiziționarea sistemului, este important să se întocmească în prealabil un proiect și să se calculeze puterea necesară a echipamentului. Performanța se calculează ținând cont de necesitățile reale de energie termică. Se iau în considerare consumul de căldură, pierderile de căldură ale casei și prezența sau absența circuitului ACM.

Algoritmul de calcul:

1. Se calculează suprafața totală a încăperilor încălzite.
2. Ne hotărâm asupra cantității necesare de energie pentru încălzire. Indicatorul optim pe 1 metru pătrat este de 0,07 kW.
3. Pentru a încălzi o casă de N metri pătrați, vor fi necesari N*0,07 kW.
4. Pentru ACM la numărul obținut se adaugă suplimentar 15-20%, adică N*0,07*0,85 sau N*0,07*0,80.

Acest calcul va fi optim pentru încăperi cu tavane care nu depășesc înălțimea de 2,7 m. Calcule mai precise vor fi efectuate de specialiști în timpul elaborării proiectului.

Lucrări pregătitoare înainte de exploatare

Pregătirea pentru asamblare, conectare și punere în funcțiune a pompei de căldură din seria apă-apă include o serie de etape standard, pe care le vom cunoaște în continuare.

Alegerea sursei optime de apă

Trebuie menționat că nu orice sursă deschisă sau foraj de apă este potrivită pentru funcționarea neîntreruptă a pompei de căldură. Calitatea apei joacă un rol important, dar filtrele pot ajuta la rezolvarea problemei poluării.

Este permisă utilizarea unui lac sau iaz situat pe o rază de 100 de metri de clădire. Dacă nu există o astfel de sursă, apare necesitatea forării de puțuri.

Alegerea sursei pentru pompa de căldură trebuie orientată spre simplitatea și costul de utilizare. În cazul unui corp de apă deschis situat în apropiere, este mai rațional să îl utilizați.

Comportamentul unei surse deschise este mai previzibil decât cel al apelor subterane, de aceea, atunci când este posibil, este mai bine să se acorde preferință corpurilor de apă.

Instalarea sistemului termic cu utilizarea unui puț

Pentru instalarea unui sistem care utilizează o pompă de căldură, vor fi necesare două puțuri. Unul dintre puțuri este denumit în mod obișnuit puț de producție. În acesta se scufundă o pompă specială, prin care se extrage apa pentru prelucrarea ulterioară în sistem. Cel de-al doilea puț este puțul de recepție. Apa răcită este deversată în acesta.

Puțurile de evacuare și de alimentare trebuie să se afle la o distanță de cel puțin 15 metri unul de celălalt

Adâncimea puțului de producție nu trebuie să depășească 50 de metri. Cu cât sursa de apă este mai adâncă, cu atât pompa necesară pentru alimentarea cu apă va fi mai puternică, ceea ce va crește cantitatea de energie consumată.

Construcția puțului de debit

Înainte de a începe exploatarea puțului de producție, este important să aflați câtă apă poate furniza și ce cantitate de lichid este necesară pentru a încălzi întreaga încăpere. Cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât va fi necesară mai puțină apă pentru încălzire.

Este important să calculați în prealabil volumul V care trebuie pompat din puț într-o oră pentru a încălzi încăperea. Să presupunem că există o pompă a cărei putere termică este egală cu un anumit număr Q kW, iar puterea consumată – cu numărul P kW. De asemenea, va fi necesar să aflați temperatura apei subterane (t1) și temperatura acesteia după schimbul de căldură (t2).

Atunci formula de calcul al volumului necesar de apă pe oră arată astfel:

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

Nu este posibil să se determine analitic capacitatea puțului de producție de a furniza volumul de apă necesar, prin urmare se efectuează testarea acestuia. Timp de 3 zile, pompa pompează apa din puț fără întrerupere. Astfel, se verifică și puțul de recepție pentru capacitatea de a primi cantitatea necesară de apă la sarcină ridicată.

Este important să înțelegeți că apele subterane se comportă imprevizibil, astfel încât cantitatea de apă din puțul de producție poate scădea în timp. De exemplu, primăvara se observă creșteri ale nivelului, iar iarna, dimpotrivă, apa scade. Dacă apa din puț este insuficientă, sistemul se oprește automat, iar încălzirea nu are loc.

Particularitățile puțului de recepție

Puțul tubular de recepție este amplasat în aval de cursul apelor subterane. Nu este posibil să se determine analitic direcția în care se deplasează apa. Prin urmare, în practică, se alege un puț arbitrar ca puț de producție și se introduce în acesta o pompă submersibilă.

Dacă în timpul exploatării sistemului nivelul apei nu scade, alegerea este corectă. Dacă nivelul a scăzut, iar temperatura apei a scăzut, atunci este necesar să schimbați puțurile între ele – să mutați pompa submersibilă în cealaltă deschidere.

Țeava de scurgere în puțul de recepție trebuie introdusă câțiva centimetri în apă, fără a ajunge la fund. Dacă se deversează lichidul uzat de sus, aceasta va duce la înmlăștinire. Puțul tubular poate înceta să mai primească apă și se poate înfunda.

Rezultatul amenință cu revărsarea, iar pe timp de iarnă cu posibila formare de gheață. Cea mai bună opțiune pentru sursa de recepție este un râu sau un iaz. Dacă nu există astfel de obiecte în apropiere, atunci apare necesitatea de a fora încă una sau mai multe puțuri de recepție, pentru a se asigura în caz de revărsare.

În figură este demonstrat un exemplu de utilizare a unui singur puț ca puț de recepție și de debit

Nu se poate afla dacă puțul va primi apă nici prin metode analitice, nici prin teste. Practica arată că un puț de scurgere poate absorbi apa fără întrerupere ani de zile, dar poate și să se defecteze complet într-un singur sezon.

Există tehnologii care permit utilizarea unui singur puț ca puț de debit și de recepție, dar această metodă nu este eficientă – exploatarea va fi însoțită de dificultăți, posibilă scădere a temperaturii apei, înmlăștinire și o serie de alte probleme.

Construcția sistemului cu utilizarea unui lac

Iazul ales trebuie să fie suficient de adânc, astfel încât straturile inferioare de apă să nu înghețe în timpul înghețurilor puternice. În regiunile sudice, adâncimea optimă va fi de aproximativ 1 metru, în cele nordice va fi necesară o sursă cu adâncimea de la 3 metri. De asemenea, iazul trebuie să fie stabil – nu sunt admise fluctuații ale nivelului apei sau scăderea acestuia.

La bazin se conduc două conducte – una de debit și una de recepție. În conducta de recepție se instalează o pompă submersibilă.

Ca țevi, se recomandă utilizarea modelelor din PEHD, care se disting prin durabilitate și fiabilitate. Este important să protejați țevile de îngheț, izolându-le suplimentar, și de spargeri.

Pregătirea casei pentru instalarea pompei de căldură

Pentru a interacționa cu pompa de căldură apă-apă, în casă trebuie să fie dotată un sistem de încălzire pe bază de apă, reprezentat de țevi, calorifere. Pentru o mai bună izolare, este permisă și montarea țevilor de încălzire în podea și pereți.

Dacă echipamentul va fi utilizat pentru furnizarea apei calde, atunci în casă trebuie să existe un sistem de colectare a acesteia. Pentru funcționarea pompei, va fi necesară conectarea la o rețea electrică cu alimentare nelimitată.

Fără măsuri suplimentare de termoizolare a casei (izolarea exterioară, instalarea ferestrelor cu geam termopan etc.), exploatarea pompei de căldură nu are sens.

Specialiștii recomandă instalarea suplimentară a unui sistem de ventilație de tip forțat cu mecanism de încălzire a aerului. Freonul utilizat în echipament este dăunător pentru om. Dacă în circuitul sistemului apar micro-rupturi, gazul se va elibera și va deplasa aerul din încăpere. Agentul frigorific poate provoca acutizarea bolilor pulmonare și crize de sufocare.

Pompa de căldură este un echipament greu, greutatea sa poate ajunge la o tonă (depinde de putere și dimensiuni), de aceea, pentru instalarea acesteia, în unele cazuri, este necesară construirea unui fundament propriu, neconectat de fundația cabanei.

Înainte de instalarea echipamentului, trebuie să se țină cont de dimensiunile admise ale încăperii și să se respecte distanța până la pereți, indicată în pașaportul produsului.

Echipament suplimentar

Alegerea echipamentului suplimentar pentru pompa de căldură este o sarcină responsabilă, a cărei rezolvare determină în mare măsură longevitatea serviciului sistemului de încălzire în ansamblu și absența problemelor în exploatare.

Submersibil pompă pentru puțuri și bazine de apă

Dacă în sistem pompa de căldură este utilizată pentru alimentarea cu apă caldă, un dispozitiv cu putere mică poate reduce presiunea la robinete. O pompă puternică va rezolva această problemă, dar consumă mai multă energie. Puterea minimă admisă la exploatarea ACM – 1 kW.

Există numeroase modificări ale pompelor submersibile. Alegerea se face ținând cont de trei criterii, și anume:

• Cantitatea de lichid utilizată pentru pompare (cu cât mai multă apă trebuie transportată, cu atât mai mare trebuie să fie puterea pompei).
• Adâncimea puțului (cu cât puțul este mai adânc, cu atât mai mare trebuie să fie puterea echipamentului);
• Diametrul puțului (tradițional se preferă puțurile de 4 țoli, deoarece pentru acestea există cel mai mare număr de pompe, spre deosebire de cele de 3 țoli).

Pentru a determina adâncimea puțului, este necesar să se fixeze o greutate pe o frânghie și să se coboare în puț. Partea umedă a frânghiei va indica adâncimea totală a puțului, iar partea uscată va determina distanța de la suprafața apei până la sol.

Pompa se introduce în tubul puțului la adâncimea indicată de producător. De obicei, în fișa tehnică se specifică câți metri trebuie să fie între oglinda apei și pompă, și între fundul excavației și pompă.

Pentru puțuri pot fi potrivite atât pompe universale, cât și echipament special creat pentru puțuri. Dacă excavarea puțului a fost realizată de profesioniști, acesta se înfundă mai puțin cu nisip, așa că se poate folosi cu încredere o pompă universală.

Pompele proiectate special pentru puțuri sunt mai scumpe, dar se descurcă excelent cu nisipul și murdăria, se înfundă mai puțin. Cele universale sunt sensibile la un conținut ridicat de substanțe organice, trebuie curățate regulat de murdărie, ceea ce duce la reducerea duratei lor de viață.

Ar trebui să se acorde preferință pompelor cu automatizare, deoarece în caz de supraîncălzire a motorului, înfundare excesivă sau lipsă de apă în puț, acestea se opresc automat, astfel încât motorul nu se supraîncălzește și nu se defectează.

După principiul de funcționare, se disting 2 tipuri de pompe submersibile:

• Centrifugale.
• Vibratoare.

Pentru funcționarea în puțuri care extrag apă din calcar, sunt preferabile modelele centrifuge de adâncime. Ele sunt sensibile la apa cu particule de nisip și suspensie argiloasă.

Dacă pompa de căldură va fi conectată la un bazin deschis, este mai bine să se utilizeze echipament de pompare de suprafață destinat pompării apei murdare sau un dispozitiv vibrator ieftin.

Schimbător de căldură intermediar al pompei de căldură

În pompele de căldură, în timpul circulației, freonul se poate răci insuficient, ceea ce duce la supraîncălzirea compresorului ca urmare a temperaturii excesive de refulare. Prin urmare, este important să se îmbunătățească răcirea substanței, reducând astfel presiunea în circuite.

Există încă o problemă caracteristică tuturor pompelor de căldură – agentul frigorific se poate amesteca cu vaporii de apă. Dacă lichidul pătrunde în compresor, poate apărea șoc hidraulic. În acest caz, va fi necesară repararea sau înlocuirea piesei. De asemenea, apa poate pătrunde în ulei, iar extragerea ei de acolo este dificilă.

Toate problemele descrise mai sus sunt rezolvate prin instalarea unui schimbător de căldură intermediar. Schimbătoarele de căldură sunt de trei tipuri – de tip deschis, tubulare și cu serpentină.

Modificarea de tip deschis neutralizează lichidul care a pătruns în freon în timpul circulației, ceea ce minimizează probabilitatea de șoc hidraulic al compresorului. Dispozitivul se caracterizează printr-o performanță ridicată la un consum minim de putere.

La instalarea unui schimbător de căldură de tip deschis, este important să se aleagă corect dimensiunea conductei de lichid pentru a asigura o compresie minimă a presiunii.

Țevile alese corect vor permite neutralizarea posibilității de fierbere a lichidului. În același timp, supapa trebuie să aibă o capacitate de debit suficientă pentru ca lichidul, la o diferență mică de presiune, să poată pătrunde în dispozitiv.

Schimbătorul de căldură tubular (cu manta și tub) este prezentat ca o construcție închisă. Schimbul de căldură are loc prin pereții țevilor, iar lichidul și agentul frigorific nu se amestecă în el, spre deosebire de cel deschis, ceea ce asigură o presiune ridicată pentru circulația aburului și a aerului.

Schimbătorul de căldură cu serpentină se diferențiază prin prezența unui regulator de debit, care controlează fluxul de freon lichid. Dimensiunea dispozitivului depinde direct de puterea pompei de căldură. Selectarea produsului trebuie făcută ținând cont de funcționalitate și de suma disponibilă. Este de preferat să se opteze pentru modele demontabile.

Filtre pentru pompa de căldură

Apa din puțuri sau lacuri nu vine în stare pură. Poate conține nisip, murdărie, diverse microelemente – fier, acid sulfhidric, mangan, clor, amoniac etc. Înainte de a intra în pompa de căldură, apa trebuie filtrată.

În primul rând, trebuie eliminate substanțele mari – pietre, nisip, murdărie, nămol. Pentru a le îndepărta din apă, este necesară instalarea unui hidrociclon.

Hidrociclonul – un dispozitiv necesar pentru curățarea grosieră a apei. Trebuie selectat ținând cont de puterea pompei.

Apoi, este important să se instaleze filtre care elimină fierul, acidul sulfhidric, manganul, amoniacul. Aceste microelemente reduc durata de viață a echipamentului și îl supun coroziunii.

Se pot utiliza filtre de osmoză inversă, dedurizatoare, deferizatoare și modificările acestora. Pentru asigurarea apei calde potabile, suplimentar, trebuie echipate filtre cu cărbune activ și un sterilizator UV, care distruge bacteriile și virusurile.

Electrogenerator pentru alimentare de rezervă

Pompele de căldură funcționează de la rețeaua electrică, prin urmare, dacă are loc o întrerupere a alimentării cu energie electrică, casa va rămâne fără încălzire. Este recomandabil să achiziționați suplimentar un generator electric care funcționează pe bază de substanțe combustibile.

Este important ca generatorul electric să poată produce puterea necesară pentru funcționarea compresorului pompei.

Particularități ale exploatării unei astfel de pompe de căldură

O dată pe an, este necesară efectuarea unei inspecții vizuale independente a componentelor pompei, respectarea recomandărilor de întreținere tehnică – ungerea la timp a pieselor, monitorizarea corectitudinii funcționării aparatului la pomparea apei.

Unele tipuri de echipamente necesită verificări regulate (de obicei de 1-2 ori pe an) de către specialiști ai centrului de service. În cadrul verificării se identifică:

• scurgeri de ulei de mașină prin fisuri în circuit;
• calitatea prinderilor și conexiunilor;
• nivelul presiunii în rezervoare și circuite;
• defecțiuni în funcționarea cablajului de alimentare.

Montajul pompei de căldură apă-apă trebuie încredințat unor specialiști instruiți. Ineficiența sistemului este cel mai adesea legată de instalarea sa incorectă. Echipamentul termic este adecvat pentru exploatare atât de către locuitorii regiunilor sudice, cât și nordice.

Concluzii și material video util pe această temă

Videoclipul vă va familiariza cu principiul de funcționare și caracteristicile dispozitivului:

Ca o concluzie, se poate afirma că pompa de căldură apă-apă este considerată un echipament eficient și ecologic, creat pentru încălzirea locuințelor cu o suprafață de până la 150 de metri pătrați. Pentru amenajarea unui spațiu mai mare, pot fi necesare studii inginerești destul de complexe.

Dacă aveți întrebări în timp ce parcurgeți informațiile prezentate, vă rugăm să le adresați în secțiunea de mai jos. Așteptăm comentariile, întrebările pe această temă, poveștile și fotografiile cu construirea propriei microcentrale hidroelectrice. Suntem interesați de părerea dumneavoastră.