Выбор и правильное размещение гидромодуля (насосной станции) в системах холодоснабжения

Гидромодуль (или насосная станция) системы холодоснабжения – это устройство для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости. Как правило, в составе таких устройств применяются циркуляционные насосы центробежного типа, один из которых рабочий, а второй резервный.

Основная цель данной статьи — рассказать читателю про особенности выбора типа и места расположения насосной станции на объекте в ходе проектирования системы холодоснабжения. При этом нужно ответить на три главных вопроса:

1. Какой гидромодуль выбрать, встроенный или внешний
2. Где установить насосы — до чиллера или после
3. Где установить насосы — в нижней точке системы или в верхней

Встроенный гидромодуль или внешний

В системах холодоснабжения применяется два вида насосных станций:

• Внешняя (подбирается и проектируется отдельно),
• Встроенная (как правило, входит в комплект поставки чиллера).

Внешний гидромодуль

Гидромодуль устанавливаемый отдельно от чиллера проектируется в составе системы холодоснабжения вместе с насосами, трубопроводами, запорной арматурой, расширительным баком, фильтрами, устройствами удаления воздуха, средствами автоматизации и энергообеспечения, что дает возможность индивидуального подбора компонентов, учитывая возможности и требования потребителя (рисунок 1).

Рисунок 1. Внешний гидромодуль на крыше здания

В отдельных случаях в качестве внешнего гидромодуля может использоваться заводская укомплектованная насосная станция со средствами автоматизации (рисунок 2), но купленная отдельно от чиллера.

Рисунок 2. Насосная станция в заводском блоке

К преимуществам внешней насосной станции относят:

1. Низкая стоимость. Самостоятельно подобранная станция всегда заметно дешевле готовых заводских изделий.
2. Гибкость подбора. Безусловно, встроенный гидромодуль тоже можно подобрать под заданные условия, но разнообразие их не так велико.

Среди недостатков выделяют следующие:

1. Необходимость подготовки отдельного помещения (помещения Насосной) или площадки для размещения всех элементов обвязки.
2. Увеличение времени монтажа и наладки оборудования (сборка, монтаж модуля на объекте, интеграция в систему автоматизации).

Встроенный гидромодуль

Встроенный гидромодуль изготавливается на производстве, поставляется в комплекте с чиллером и средствами автоматизации прошедшими заводские испытания, что исключает необходимость проектирования и позволяет уменьшить время монтажных работ, предотвращая скрытые затраты на пусконаладочные работы и эксплуатационное обслуживание.

В то же время встроенные гидромодули имеют ограниченную мощность, которая является препятствием в развитии системы холодоснабжения, одновременно с высокой стоимостью в отличие от внешнего гидромодуля.

Рисунок 3. Встроенный в чиллер гидромодуль

Где лучше установить насосы — до чиллера или после него

Место установки циркуляционных насосов выбирается при проектировании системы охлаждения воздуха. При этом часто возникает вопрос, где их лучше запроектировать — перед чиллером или после него. Рассмотрим обе ситуации.

Установка насоса перед чиллером

Размещение насосной станции перед чиллером обеспечивает избыточное давление на входе в испаритель и унос пузырьков воздуха из него. Также испаритель оказывается под защитой фильтра, установленного перед насосом. Благодаря ему в испаритель не попадает грязь и окалины из сети трубопроводов.

Отметим еще пару важных преимуществ:

1. Насос мало-мальски нагревает холодосноситель, и если он установлен после чиллера, то в фанкойлы или промежуточный теплообменник попадет слегка подогретый холодосноситель. Это снижает эффективность их работы, поэтому насосу лучше установить до чиллера.
2. С понижением температуры повышается вязкость жидкости, плюс температура теплого потока хладоносителя ближе к оптимальным параметрам работы насосы. Эти пункты также за то, чтобы насос был установлен перед чиллером.

Рисунок 4. Установка гидромодуля перед чиллером

Установка насоса после чиллера

При размещении насоса после чиллера в испарителе возникают условия (высокая температура и самое низкое давление в системе) для возникновения пузырьков воздуха в верхней части испарителя. Это отрицательно влияет на интенсивность теплообмена и приводит к закупорке каналов с последующим их размораживанием. Кроме того, снижение подпора жидкости на входе в насос может вызвать процесс кавитации.

Рисунок 5. Установка насосов после чиллера

Итак, установка насосов после чиллера не рекомендуется. Однако такую схему иногда применяют в высотных зданиях, для которых характерно высокое избыточное давление от столба жидкости.

Где лучше установить насосную группу — в верхней точке системы или в нижней

Строгих требований, где именно установить насосную группу, в подвале здания или на чердаке (техническом этаже) — нет. Но стоит учитывать следующие требования:

• Значение максимального и минимального подпора на входе в насос согласно заводской документации (обычно не менее 2 метров),
• Расположение насоса позволяет обеспечить свободный доступ для осмотра, технического обслуживания и ремонта,
• Температурный режим помещения с гидромодулем предотвращает замерзание жидкости в случае остановки системы с рабочей средой (круглогодично отапливаемое помещение),
• Давление и температура рабочей среды обеспечивает работу без кавитации,
• Поддержание низкого уровня шума в помещениях с постоянным пребыванием людей.

Необходимо отметить, что на место установки насосов могут повлиять дополнительные требования установленные нормативными документами. К примеру в СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003» указаны требования к отводу охлаждающей воды в систему канализации. Это означает необходимость проектирования дополнительных коммуникаций, которые может быть затруднительно сделать на верхних этажах.

И ещё один момент. Место установки насоса (в нижней или верхней точке) не влияет на расчет насоса. Иногда проектировщики стараются установить насосы в верхней точке, чтобы сэкономить на напоре насоса, то есть чтобы насос “не поднимал холодоноситель наверх”.

Эти рассуждения в корне не верны: давление для поднятия жидкости наверх нивелируется давлением при спуске жидкости вниз. Перепад между нижней и верхней точкой системы не влияет на напор насоса. В расчете учитывается только сопротивление труб и арматуры.

Обвязка насосов

Обвязка насосов определяется техническими требованиями к системе и, как правило, включает в себя:

• Циркуляционный насос – обеспечивает перекачку охлаждающей жидкости в контуре циркуляции (подробнее читайте в статье подбор насоса),
• Расширительный бак – компенсирует температурные изменения рабочей среды при увеличении или уменьшении объема жидкости,
• Обратный клапан – предотвращает обратный поток жидкости в системе,
• Затвор (краны, задвижки) – перекрывает поток жидкости в системе, дисковые затворы дополнительно выполняют функцию регулирования объема жидкости,
• Фильтр – предотвращает попадание загрязнений в элементы системы,
• Виброкомпенсатор – выполнят функцию снижения вибрации, шума и осевых смещений трубопроводов,
• Предохранительный клапан – защищает систему от превышения давления,
• Шкаф управления – запускает и останавливает насосы в ручном и автоматическом режиме, а также является средством коммутации электрических цепей.

Виды и порядок подбора элементов, входящих в обвязку насоса, будут рассмотрены в отдельной статье.

Заключение

Итак, при проектировании насосной станции проектировщик должен задать себе два основных вопроса: какой гидромодуль выбрать и где его установить. В рамках этой статьи мы рассмотрели преимущества и недостатки встроенных и внешних гидромодулей, а также различных мест установки — до чиллера или после; в нижней точке системы или в верхней.

Отопление дома тепловым насосом — как это работает и сколько стоит

Реально ли до 70% снизить затраты на отопление загородного дома? Ответ можно найти в весьма нестандартном источнике энергии — недрах земли. Мы расскажем об устройстве и принципе работы тепловых насосов, а также поможем сделать правильный выбор отопительной системы.

Постоянный рост цен на энергоресурсы дает отличный повод задуматься над более современными и экономичными средствами получения тепла и горячей воды. На сегодняшний день уже существуют десятки инновационных способов обустроить эффективные схемы отопления , сделав его абсолютно бесплатным.

Тепловые насосы и устройства геотермального кондиционирования

Почти четверть энергии, вырабатываемой в мире сегодня, является экологически чистой, а одну восьмую часть получают без сжигания биологических масс. Наиболее эффективным и практически неисчерпаемым источником энергии можно по праву считать ресурс, скрытый в недрах нашей планеты — геотермальную теплоту. Примечательно, что направление передачи энергии можно обратить: в жаркое время года почва может эффективно поглощать теплоту. Этот двухсторонний процесс принято называть геотермальным кондиционированием.

Для сбора и преобразования тепловой энергии применяются специальные установки — так называемые тепловые насосы. Благодаря высокому КПД и незначительным энергозатратам при работе они приобретают все большую популярность.

Сама идея работы таких установок далеко не нова. В 50-х годах XIX века уже был сконструирован и запатентован первый прототип, ориентированный на массовое производство. Идея лорда Кельвина в то время не получила практического применения из-за того, что понятие энергетического кризиса было еще неведомо, но спустя почти одно столетие Роберт Вебер (Robert C. Webber) начал успешно применять такие системы в быту и промышленности. Поразительно, что еще в далеком 1931 году в знаменитом небоскребе Эмпайр-Стейт-билдинг была применена технология геотермального отопления, основанная на работе тепловых насосов. В России и на постсоветском пространстве геотермальные источники энергии используются еще со времен СССР, а производственные комплексы позволяют выпускать необходимое оборудование без привлечения иностранных партнеров.

Тепловая энергия низкого потенциала. Принцип действия

Второе правило термодинамики гласит, что передача тепловой энергии возможна только от более нагретого тела к менее нагретому. Но если между двумя средами с небольшой разницей температур поместить вещество с изменяемыми физическими свойствами, оно может послужить посредником, способным обратить естественный процесс передачи теплоты. Цепь таких преобразований осуществляется в процессе работы теплового насоса. При сильном сжатии газов выделяется большое количество теплоты, а сам газ охлаждается и переходит в жидкое состояние. Это называется компрессией, и конечным результатом этого процесса является тепло в доме. Чтобы цикл компрессии можно было повторять бесконечно долго, в качестве газа используется хладагент с очень низкой температурой кипения. Его можно вернуть в газообразное состояние в процессе испарения при температуре до +10 °С. Тепловая энергия с низким потенциалом, как правило, добывается из грунта ниже глубины промерзания, но может быть получена и любым другим способом. В целом, принцип работы теплового насоса прямо противоположен действию холодильной установки, хотя и основывается на идентичных процессах.

Современные тепловые насосы

Подобные системы, применяемые в современном мире, являются более продвинутыми, в сравнении с их предшественниками. В качестве хладагента применяются сложные соединения газов, все элементы конструкции и исполнительные механизмы выполняются с большим запасом износостойкости и надежности. Развитие точного машиностроения дало возможность воссоздать геотермальные установки в миниатюре. Портативные тепловые насосы не отличаются ничем от своих промышленных родственников, а низкая цена и возрастающая конкуренция делают установки доступными широкому кругу потребителей.

Особенность тепловых насосов, отличающая их от традиционных отопительных приборов, — возможность работы в четко заданном диапазоне уличных температур, который определяется физическими свойствами вещества-хладагента и типом системы. Воздушные тепловые насосы могут извлекать тепловую энергию из воздуха положительной температуры, но плохо работают при отрицательной. Геотермальные насосы способны обогреть дом даже в сильный мороз, но их применение в осенне-зимний период не всегда является оправданным. Для каждой климатической зоны выбор оборудования осуществляется индивидуально. В домашнем хозяйстве наилучшим образом себя рекомендует комбинация разных типов устройств.

Шесть главных вопросов о тепловых насосах

Хотя тепловые насосы и получили широкую известность, многим свойственно сомневаться в их экономической выгоде. Тем не менее, существует всего шесть вопросов, ответы на которые дадут полное представление о преимуществах тепловых насосов.

Что представляет собой геотермальная система в частном доме

В загородном доме система занимает столько же места, сколько заняла бы обычная газовая котельная. Можно разделить установку на две части: видимую и скрытую. На виду у владельца будут функциональные элементы: тепловой и циркуляционные насосы, обвязка, краны, фильтры, измерительные приборы и автоматика. Скрытым от человеческих глаз останется первичный теплообменник, спрятанный глубоко под землей. Система полностью бесшумна и может быть размещена даже на улице. Сборка и наладка могут быть произведены самостоятельно, но при желании можно обратиться в специализированную монтажную компанию, полный спектр услуг будет стоить от $1000.

Насколько эффективна работа насоса

Для обеспечения комфортного климата в жилых помещениях достаточно температуры воды в контуре отопления 40–45 °C. Если газовые котлы нагревают воду с избытком, а их автоматика рассчитана на значительно больший диапазон температур при срабатывании, то тепловые насосы поддерживают постоянную температуру, работая непрерывно. Если помещения закрытые и только периодически проветриваются — можно быть уверенным, что температура внутри них будет достигать 30 градусов. С использованием более мощных установок становится возможным как наличие проточной горячей воды для бытовых нужд, так и подогрев бассейнов.

Варианты размещения теплообменников

Многих людей, столкнувшихся с ГТО-системами, интересует вопрос о размещении первичного теплообменника. Он может быть расположен на глубине до трех метров под землей и иметь горизонтальную ориентацию. При этом на прилегающем к дому участке роется глубокий котлован, в котором размещается кольцевой змеевик теплообменника.

Современные системы способны работать и с вертикальным размещением первичного контура. Этот вариант более предпочтителен с точки зрения сохранности ландшафта приусадебного участка, хотя и требует наличия дополнительного оборудования — циркуляционных насосов высокого давления. При вертикальном расположении первичного контура на участке бурят от трех скважин, глубина которых может достигать в отдельных случаях100 м. В скважину помещается петля трубопровода (зонд), которая соединяется с общим коллектором. Бурение скважин нельзя произвести без специального оборудования, а потому следует прибегнуть к помощи профессионалов. Стоимость такой услуги зависит от условий проведения работ и глубины бурения, но менее чем на $450 за устройство одной скважины рассчитывать не стоит.

Обслуживание оборудования

Принцип действия и устройство систем автоматики в тепловых насосах сильно отличаются от их аналогов, применяемых в тандеме с газовым оборудованием. Характеризуется высокой технической сложностью и ряд функциональных агрегатов: испарителей, компрессоров и систем промежуточного теплообмена. Несмотря на очевидную сложность, тепловые насосы не требуют обслуживания в процессе эксплуатации. Единственный подверженный сильному износу элемент — компрессор, который имеет срок эксплуатации более 30 лет и легко заменяется. Сам же насос фабричной сборки может служить до ста лет без плановых ремонтов. Система автоматики также не требует специального обслуживания и легко управляется через единый цифровой контроллер.

Сколько стоит производство энергии таким методом

Системы отопления, основанные на тепловых насосах, отличаются крайне низким потреблением электроэнергии. При наибольшей разнице температур в первичном и вторичном теплообменниках, система выдает тепловую мощность втрое большую, чем потребляемая электрическая. При минимальной разнице температур воздуха и источника тепла (до 12–14 градусов) потребление энергии будет в семь раз меньше, чем производимое количество теплоты. При желании потребителя пойти дальше, обеспечив полную автономность системы и избежав материальных затрат на электричество, можно прибегнуть к помощи солнечной энергии: установка на 3 кВт будет компактной и не потребует больших денежных вложений.

С какими инстанциями нужно согласовывать установку подобных приборов

На установку теплового насоса не требуется каких либо специальных разрешений или проектной документации. Единственным исключением могут стать коммерческие объекты и муниципальные заведения, оснащение которых таким отоплением должно сопровождаться актами экологического соответствия и сертификатами на используемое оборудование. К счастью, тепловые насосы любого типа являются экологически безопасными и соответствуют всем нормам производственной и бытовой санитарии.

Производители тепловых насосов

Мировой и отечественный рынки тепловых насосов активно развиваются, что создает высокую конкуренцию и ощутимый демпинг цен. Нельзя сказать, что некоторые производители обладают абсолютным превосходством над другими: каждый имеет свои преимущества и недостатки. Однако можно разбить рынок оборудования на три сегмента.

Тепловые насосы европейского производства

Одним из основных поставщиков геотермального оборудования является Европа, где такие установки применяются очень давно, а технология их изготовления тщательно отработана. Особых отличий между европейскими брендами нет, разве что некоторые компании стремятся сделать установки более компактными и бесшумными. Отлично сочетаются технические характеристики тепловых насосов у швейцарского концерна NIBE.

К достоинствам данного производителя можно отнести огромный опыт в массовом производстве теплового оборудования. Компания специализируется именно на создании и совершенствовании установок, работающих на экологически безопасных источниках энергии. Начиная с 1949 года NIBE купила более двадцати крупнейших производителей высокоточного оборудования в Европе, Азии и Северной Америке. Это позволило предприятию обеспечить своим агрегатам наибольший срок службы за счет использования компонентов от самых известных мировых производителей. Но и цена за такое приобретение будет соответствующей: от 7 тысяч евро для насоса тепловой мощностью в 5 кВт.

Российские производители тепловых насосов

Российский рынок также не стоит на месте. Всего за пару десятков лет в России появились и получили развитие несколько крупных компаний, специализирующихся на производстве тепловых насосов.

Наиболее крупные и активно совершенствующие свою продукцию — компании ПЭА, ALTAL и Henk. Главная особенность отечественного производителя — наилучшее соотношение цены и качества. При обеспечении срока эксплуатации оборудования от 50 лет и предоставлении гарантийного и сервисного обслуживания, насосы малой мощности будут иметь цену в диапазоне 2,6–3,7 тысяч долларов.

Большинство русских компаний производят оборудование по заграничным патентам и франшизе, а это дает гарантию того, что оборудование является качественным и пригодным для использования в отечественных условиях.

Тепловые насосы, произведенные в Китае

Самой низкой стоимостью обладают тепловые насосы китайского производства. Компаний-производителей, как таковых, в Китае не наблюдается: каждый насос имеет узкий модельный ряд, который назван короткой аббревиатурой.

Отличительная черта китайских производителей — очень низкая цена и сомнительное качество. Так, тепловой насос с полезной мощностью в 12 кВт обойдется в 1100–1300 долларов без учета таможенной пошлины и затрат на перевозку. Относительно качества продукции нельзя дать однозначного заключения: некоторые агрегаты работают по году и выходят из строя, но есть и такие, которые уже 5 или 7 лет продолжают исправно вырабатывать тепло. К счастью, китайские насосы имеют блочное устройство и все комплектующие могут быть легко заменены.

По заявлениям многих энергетических компаний, в течение следующего десятилетия 95% используемого в индивидуальных хозяйствах отопительного оборудования будут составлять тепловые насосы. Этому способствует их безопасность и неприхотливость, а также возрастающее стремление человечества сохранить природные ресурсы. Но все же главным аргументом остается постоянно растущая цена на газ и электричество, что заставляет потребителей искать альтернативные, менее дорогостоящие варианты отопления.