Тепловой насос, работающий от водяной скважины – возражения, сомнения и плюсы

Постройка частного дома, коттеджа, да и вообще любого малоэтажного жилья заставляет задуматься о его отопительной системе. Актуальный способ – использование для отопления геотермального теплового насоса.

Существует несколько типов тепловых насосов, различающихся по способу производства тепла. К популярным способам относят ТН с применением горизонтального контура с забором воды с поверхности водоема или с водяным контуром с использованием водяной скважины.

Создание отопления с помощью теплового насоса на водяном контуре часто становится очень актуальным и выгодным по сравнению с геотермальным контуром. Почему? Ответ самый простой. Достаточно пробурить водяную скважину на глубину от 10 до 100 метров, где найдется водоносный пласт, и пользоваться скважиной для работы ТН. Вода считается более эффективным теплоносителем, чем просто использование тепла грунта.

Для создания горизонтального контура требуется наличие участка большой площади. Для геотермального контура может понадобиться пробурить достаточно большое количество скважин. Возможностей для их бурения может не оказаться. Элементарно, могут отсутствовать подъездные пути для доставки буровой установки. Для монтажа ТН с получением тепла от грунтовых вод или водоносного пласта требуется пробурить всего две скважины. Одну для забора воды, другую для сброса отработанной воды. Это намного более легкое и менее затратное в экономическом плане действие.

Существует ряд возражений, касающихся бытовых тепловых насосов. Попробуем развенчать их на примере использования тепловых насосов Ovanter.

Скептики утверждают, что грунтовая вода, используемая для тепловых насосов, не относится к возобновляемым источникам энергии.

Грунтовая вода – идеальная подпитка энергией теплового насоса. Температура грунтовой воды круглый год составляет примерно от +4 до +7 о С. Она соответствует большинству регионов в России и никогда не падает ниже этого значения. Помимо водяной скважины источником энергии для земляного теплового насоса с водяным контуром может считаться: поверхностная вода или, если присутствуют, сточные или биологические воды, поступающие от очистных сооружений или сбрасываемые жидкости из промышленных стоков.

Основные виды воды, способной служить источником тепловой энергии для ТН с водяным циклом.

• Подпочвенные воды – температура в разных географических районах от +4 до +10 о С;
• Морская вода – температура на глубине от 25 до 50 метров колеблется в пределах от +5 до +8 о С;
• Грунтовые воды – отличаются наиболее стабильной температурой;
• Ближайший водоем (река, озеро, глубокий пруд). Контур укладывается на дно водоема или притапливается на глубину до 2 метров. К слову, 1 метр трубопровода, используемого для такого контура, соответствует 30 Вт тепловой мощности.

Чем выше температура грунта, тем более повышается тепловой коэффициент (СОР), тем меньше электроэнергии тратится на работу теплового насоса на производство теплоты.

Для тепловых насосов с горизонтальным контуром необходимо учитывать фактор охлаждения грунта.

На самом деле интенсивное использование геотермального тепла грунта влечет остывание почвы вокруг регистра труб системы теплосбора. Например, в северных регионах за короткий летний период грунт не успевает набрать нужную температуру. Поэтому зачастую, на начало следующего зимнего периода грунт выходит с пониженным тепловым потенциалом.

Понижение температуры грунта носит экспоненциальный (возрастающий) характер. Поэтому примерно через 5 лет эксплуатации системы теплоснабжения, тепловое состояние грунта после понижения температуры улучшается и выходит на относительно устойчивый уровень. Однако он будет все равно меньше естественного на 1 – 2 о С. Выход из положения находится. При проектировании системы теплоснабжения важно учитывать возможное охлаждение грунта в процессе ее эксплуатации.

Существует еще такой выход. Тепловые насосы, потребляющие тепловую энергию из грунтовых вод и водоносных пластов или из открытых водоемов, создают более стабильную систему теплоснабжения с устойчивой температурой. Пример, использование российских тепловых насосов Ovanter. Насосы этой фирмы работают в открытых системах грунтовых вод, где происходит постоянный водообмен. Пополнение грунтовых вод происходит за счет следующих источников, представляющих собой:

1. Воду, просачивающуюся с поверхности почвы;
2. Воду, которая поступает из более глубоких грунтовых слоев.

Теплосодержание грунтовых вод практически никогда не иссякает и подпитывается и «сверху», и «снизу».

Таким образом, эффективность зависит от толщины и глубины нахождения водоносного слоя. Температура водоносного слоя остается постоянной и не изменяется в течение всего периода. Практика строительства подобных систем свидетельствует, что максимальный температурный градиент в общей толще грунта в течение всего времени эксплуатации не превышает, как правило, 8-10 град/м. Значит, перепады температур будут очень малы. Значение температурного градиента наблюдается по вертикали и именно в том направлении, в котором более всего наблюдается интенсивность потока жидкости. Она компенсирует миграцию влаги под воздействием термоградиентных сил. Таким образом, система сбора низкопотенциального тепла грунта под влиянием потоков влаги в грунтовых порах в общем массиве не нуждается в особой точности математических расчетов.

Получение воды из скважины нуждается в бурении и некоторого, зачастую большого, количества трубопровода. Если вода низкого качества, это влечет появление солевых отложений и коррозии на стенках труб.

Современные технологии позволили найти решение по защите трубопровода от коррозии. Эффективным способом борьбы с коррозией считается применение пластиковых труб. Это самый действенный вариант в создании отопительной системы с мощными тепловыми насосами, способными работать со скважинами глубиной до 70 и более метров. Для трубопровода используются дешевые пластиковые трубы.

Проблема сброса воды после того, как вода прошла через теплообменник.

У кого-то может возникнуть вопрос: куда девать сброшенную воду? Сбросная вода, например, промышленных объектов может также использоваться в качестве источника энергии для тепловых насосов.

Сбросная вода, используемая для ТН частного дома, согласно технологическим условиям обязательно должна уходить в соседнюю скважину, расположенную на расчетном расстоянии от основной скважины и обратно в пласт.

Рис. №1. Схема использования теплового насоса открытого типа с отбором теплоты грунтовых вод. На схеме хорошо видно скважину для сброса воды.

Законодательные акты в виде Федеральных норм и правил обусловливают условия сброса воды и подводят под действия частных лиц юридическое обоснование. Кроме того, сброс воды при использовании в системе ТН не считается экологически вредным. Выброс вредных примесей в окружающую среду отсутствует.

Зависимость работы ТН от дебета скважины и аккумуляция возобновляемых запасов воды в дополнительном баке.

Со временем количество воды в скважине может уменьшаться, а качество якобы ухудшается.

Однако даже со временем, доставая воду со скважины глубиной до 70 и более метров объемом 3 – 5 м 3 /час, количество воды не уменьшается. Свойства воды, благодаря протоке во многом улучшаются

Вода может аккумулироваться в дополнительном резервуаре (баке для хранения запаса воды). В этом случае вода может использоваться без применения теплообменника. Например, использование бака аккумулятора емкостью 300 литров дает возможность копить тепловую энергию и выравнивает скачкообразное использование воды. Кроме того, ряд необходимых и дополнительных элементов в системе повышают ее качество, надежность и безотказность.

Тепловой насос совместно со скважинным насосом представляют собой мощную установку для подъема воды. При подъеме на поверхность вода разделяется. Часть воды используется для отопления. Другая часть воды, проходя через систему механической фильтрации, применяется для бытовых нужд. Если дом входит в категорию малоэтажных строений, можно брать воду для внутреннего потребления даже без использования дополнительной насосной станции.

Завязка в системе геотермального теплового насоса таких элементов как испаритель, компрессор, конденсатор, дроссель и теплообменник служит для приготовления воды для ГВС. Они замкнуты с помощью стального трубопровода с циркулирующим по нему хладагентом.

Солнечный коллектор для подогрева воды в аккумуляторе увеличивает эффективность системы отопления и горячего водоснабжения. Он, как и электронагреватель может служить для покрытия пиковых нагрузок.

В частности, эффективным средством для этого считается использование системы такого теплообменника, как фанкойл.

Кто-то может сказать, что при использовании воды из скважины существует опасность загрязнения теплообменников, а расходники для очистки воды стоят дорого.

Проходя по трубопроводу при скорости протоки от 1,2 до 5 м 3 /ч, вода уже очищается. Превышения марганца и железа, которые могут вызвать закупорку и снизить эффективность процесса теплообмена контролируются. Вода, проходя через фильтр грубой очистки и теплообменник, не нагревается и не взаимодействует с кислородом, поэтому не дает осадка.

Фильтрация способствуют очищению воды. Расходные материалы для фильтра грубой очистки стоят не дорого и находятся в свободной продаже.

Использование ТН только для малоэтажных построек.

Это предубеждение, что тепловые насосы с использованием водяной скважины невозможно применять для производственных и складских помещений или для высоких построек. Якобы, существующая мощность тепловых насосов теряет свою эффективность после того, как вода поднята с глубины 100 м.

Забор тепловой энергии из глубокой скважины – да. Он способен снабдить теплом только малоэтажные строения. Однако, ведь существует возможность брать воду для контура и из открытого водоема. В этом случае КПД теплового насоса повышается в разы.

Вывод: Бытовой тепловой насос с использованием воды из скважины может считаться наиболее актуальным и эффективным устройством для частного малоэтажного домостроения, производственных объектов и достаточно крупных жилых комплексов. При использовании грунтовой воды эффективность коэффициента преобразователя (СОР) может достигать 5, что позволяет производить добавочные 3-4 кВт тепловой энергии. Пример: тепловые насосы Ovanter класса Премиум.

Тепловой насос – это естественный источник тепловой энергии с выгодными экономическими и экологическими качествами, отличающийся и не зависящий от традиционных видов отопления.

Выбор теплового насоса с определенным циклом, в нашем случае это вода, строится на основании расчетов при создании технико-экономического проекта и возможности полноценного использования предоставленных условий окружающей среды.

Как выбрать предохранительный клапан сброса давления в котле

Если не ограничить нагрев воды в котле, то она закипит и превратится в пар, что приведет к критическому росту давления в отопительной сети. Далее следует разрыв трубопровода или водяной рубашки теплогенератора. Во избежание описанной аварийной ситуации на выходе котла ставится предохранительный клапан для отопления, сбрасывающий избыточное давление из системы. Наша публикация посвящена выбору и установке этого важного элемента.

Принцип действия

Большинству рядовых пользователей, сталкивающихся с закрытыми системами водяного отопления, знаком только один вид предохранительной арматуры – простой пружинный клапан с фиксированной настройкой, изображенный на фото. Причина понятна – указанные элементы устанавливаются повсеместно на любые котлы, поскольку входят в состав группы безопасности вместе с манометром и воздухоотводчиком.

Примечание. Настенные генераторы тепла, функционирующие на электричестве и природном газе, оснащаются предохранительными элементами с завода. Они помещены внутрь корпуса и снаружи не видны.

Давайте разберемся, как работает обычный аварийный клапан, показанный выше на схеме:

1. В нормальных условиях мембрана, прикрепленная к штоку и подпираемая пружиной, плотно сидит в седле и герметично перекрывает проход.
2. Если происходит перегрев теплоносителя, он расширяется и создает в закрытой системе избыточное давление, частично компенсируемое расширительным баком.
3. Когда величина подпора воды достигает порога срабатывания клапана (обычно – 3 Бар), пружина под ее воздействием сжимается и мембрана открывает проход. Автоматический сброс закипающего теплоносителя производится до тех пор, пока пружине не хватит силы снова закрыть проходное сечение.
4. При возникновении аварийной ситуации хозяин дома может сам выполнить сброс избыточного давления, повернув рукоятку в верхней части изделия.

Несколько слов о том, где ставится сбросной клапан вместе с группой безопасности в закрытой системе отопления. Его место – на участке подающей магистрали в непосредственной близости от котла (рекомендуется не далее 0.5 м).

Узел безопасности всегда ставится на подающей линии отопителя

Важный момент. На трубопровод, ведущий от теплогенератора до элементов безопасности, запрещено устанавливать краны, вентили и прочие перекрывающие устройства.

Наглухо соединять патрубок изделия с канализацией не стоит – мокрые пятна либо лужицы укажут на срабатывание клапана и проблемы в отопительной сети. Например, вышел из строя расширительный бак или дал сбой циркуляционный насос при работе с твердотопливным котлом (возможно, отключали электричество). Нередко устройство начинает подтекать из-за попадания мусора между седлом и тарелкой. Больше о его работе рассказывается в видеосюжете:

Уточняющая информация. Сбросные пружинные клапаны мастера и монтажники называют подрывными, потому что напор теплоносителя сжимает пружину и вызывает подрыв мембраны. Не путайте их со взрывными элементами, устанавливаемыми на дымоходы промышленных котельных, сжигающих природный газ.

Виды предохранительных клапанов

Описанная выше традиционная подрывная конструкция несовершенна. Пружинный механизм, приводимый в действие чрезмерным давлением, не отличается точностью и может сработать с опозданием, когда температура в котловом баке достигла 100 °С и выше, то есть, началось кипение. Конечно, можно пытаться регулировать изделие винтом или менять настройки (есть версии с регулировочным колпачком), но это не всегда дает нужный эффект.

Момент второй: предохранительный клапан для котла защищает его от разрушения, но не от перегрева. Ведь сброс теплоносителя не позволяет охладить отопительный агрегат, если горение в топке продолжается. И последнее: в системах отопления открытого типа подобные устройства вообще бесполезны, поскольку вода в них может закипеть без повышения давления.

Ведущие производители отопительной арматуры предлагают изделия современной разработки, лишенные перечисленных недостатков, — клапаны теплового сброса. Эти защитные элементы реагируют не на увеличение напора воды в системе, а на повышение ее температуры до критического уровня. Есть 3 разновидности таких устройств:

• сбросные с выносным датчиком температуры;
• комбинированное устройство с температурным датчиком и контуром подпитки;
• то же с прямой установкой в трубопровод.

Для справки. Приведем названия надежных брендов, чью аварийную арматуру можно смело покупать и применять в частных домах. Это производители ICMA и CALEFFI (Италия), Herz Armaturen (Австрия) и всемирно известный европейский бренд Danfoss.

Принцип работы у всех разновидностей один: пружинный механизм с мембраной (или двумя) приводится в действие от сильфона с термочувствительной жидкостью, существенно расширяющейся при нагреве. Таким способом клапаны теплового сброса довольно точно реагируют на достижение критической температуры. Предлагаем рассмотреть каждый из них подробнее.

Элемент с выносным датчиком

Изделие представляет собой тот же пружинный механизм, встроенный в корпус с двумя патрубками для подключения к подающей магистрали и сбросу в канализацию. Шток, открывающий тарелку и дорогу теплоносителю, проводится в движение мехами (2 группы – основная и резервная). При перегреве воды (от 95 до 100 °С) на них нажимает термочувствительная жидкость, идущая из колбы датчика по капиллярной трубке. Конструкция элемента безопасности показана на рисунке:

Температурный клапан включается в обвязку твердотопливного котла тремя способами:

• с охлаждением через водяной контур теплогенератора;
• то же, через специальный аварийный теплообменник;
• сброс теплоносителя с автоматической подпиткой.

Первая схема, изображенная ниже, применяется для двухконтурных отопительных установок, подогревающих воду для ГВС. Когда датчик, вмонтированный под обшивку ТТ-котла, воздействует на механизм, то горячая вода из контура сливается в канализацию, а ее место занимает холодная из водопровода. Какие бы ни были причины аварии, такая проточная система быстро охладит котловую рубашку и предотвратит последствия.

Змеевик ГВС двухконтурного котла может служить как нагревателем, так и охладителем в случае перегрева. Для защиты достаточно подключить тепловой клапан по схеме

Примечание. В публикации использованы схемы от бренда CALEFFI, взятые с официального ресурса производителя.

Вторая схема предназначена для теплогенераторов со встроенным аварийным теплообменником для охлаждения в случае перегрева. Такие агрегаты выпускают европейские бренды Atmos, Di Dietrich и другие.

Пример подключения сбросного элемента через штатный теплообменник смотрите на видео:

Последняя схема реализуется только вместе с системой автоматической подпитки, поскольку здесь клапан сбрасывает теплоноситель, а не охлаждающую воду.

Как видите, производитель допускает установку двух аварийных устройств – по давлению (группа безопасности) и по температуре (сбросной клапан)

Предостережение. Не рекомендуется задействовать автоматическую подпитку для дровяных отопителей с топливником из чугуна. Последний боится перепадов температур и может треснуть от подачи большого количества холодной воды в обратку.

Комбинированные клапаны с подпиткой системы

Этот яркий представитель аварийной арматуры сходен по принципу работы с перепускными клапанами и выполняет сразу 3 функции:

1. Сброс перегретого теплоносителя из котлового бака по сигналу выносного датчика.
2. Эффективное охлаждение теплогенератора.
3. Автоматическая подпитка системы отопления холодной водой.

Выше на картинке показана конструкция изделия, где видно, что на одном штоке установлены 2 тарелки, одновременно открывающие 2 прохода: по первому сбрасывается закипающий теплоноситель, по второму в противоположном направлении идет вода и пополняет потери. Схема подключения комбинированного перепускного клапана с твердотопливным котлом выглядит так:

Примечание. Если необходимо задействовать подобное устройство для охлаждения ТТ-котла с чугунным теплообменником, то проток нужно организовать через открытый расширительный бак или бойлер косвенного нагрева.

Перепускной клапан с тройным выходом работает по такому же комбинированному принципу, только встраивается прямо в трубопровод подачи теплоносителя возле отопительного агрегата. Сильфон находится в части корпуса, помещенной в трубу. Сброс производится через нижний патрубок, а к двум верхним присоединяется водопровод и магистраль подпитки. Такие изделия используются при недостатке свободного места в котельной.

Такой сбрасывающий клапан предназначен для установки в трубопровод подачи

Как выбирать сбросной клапан

Конечно, по цене закупки и монтажа традиционный подрывной клапан обойдется дешевле температурных устройств. Он без проблем защитит закрытую систему отопления, завязанную с газовым, дизельным либо электрическим котлом, ведь в случае аварии они прекращают нагрев практически моментально. Другое дело – теплогенератор на дровах и угле, не способный потухнуть сходу.

Чтобы успешно подобрать клапан теплового сброса либо избыточного давления, руководствуйтесь следующими рекомендациями:

1. При использовании любых энергоносителей, кроме твердого топлива, смело покупайте обычное подрывное устройство.
2. Изучите документацию вашего источника тепла или бойлера (смотря что нужно защитить) и выбирайте арматуру безопасности по указанному в ней максимально допустимому давлению. Большая часть отопительной техники рассчитана на предел 3 Бар, хотя есть исключения – литовские котлы Stropuva выдерживают только 2 Бар, а некоторые российские агрегаты (из недорогих) – 1.5 Бар.
3. Для эффективного охлаждения дровяных теплогенераторов в случае аварии лучше поставить один из клапанов теплового сброса. Их максимальное рабочее давление составляет 10 Бар.
4. В открытых системах с ТТ-котлом сброс по давлению бесполезен. Подберите предохранительное изделие, срабатывающее при температуре теплоносителя 95—100 °С, подходящее к вашему агрегату и способу подпитки.

Совет. Воздержитесь от приобретения дешевой предохранительной арматуры родом из Китая. Мало того что она ненадежна, так еще и протекает после первого же подрыва.

Кроме моделей с фиксированными настройками в продаже есть клапаны с возможностью регулировки. Если вы не профессионал в сфере отопления, то покупать их не стоит, да и нет особой необходимости.

Советы напоследок

Если вы живо интересуетесь безопасностью котельной и надежной работой отопительного оборудования, то рекомендуем при покупке арматуры хорошенько изучить ассортимент. Дело в том, что на рынке появляются новые полезные продукты, которые невозможно обозреть в рамках данной статьи, а вам они могут пригодиться.

Эксплуатационный момент. Отслеживайте состояние предохранительных клапанов, чтобы вовремя засечь срабатывание и разобраться в причинах. Устройства для теплового сброса направляйте в канализационную воронку с разрывом струи – неожиданный плеск воды в котельной и мокрые следы дадут понять, что имела место аварийная ситуация.