Tepelné čerpadlo “voda-voda”: konstrukce, princip činnosti, pravidla pro vytvoření vytápění na jeho bázi

Pro vytápění a zajištění teplé vody v rodinných domech je vhodné použít tepelné čerpadlo voda-voda, které využívá přírodní zdroje – podzemní vody, řeky, vodní nádrže atd. Systém se vyznačuje absolutní ekologickou bezpečností, nevyžaduje pravidelné náklady na spotřební materiál, a proto je stále více žádaný.

Povíme vám o variantách zařízení tepelného čerpadla, které využívá ekologickou energii vody k přenosu do domácích otopných soustav. Pro zvídavé domácí kutily jsme popsali principy fungování oblíbených variant zařízení a technologii instalace. U nás se dozvíte, jaké vybavení bude pro provoz systému potřeba.

Princip fungování tepelného čerpadla voda-voda

Tepelné čerpadlo ztělesňuje princip Carnotova cyklu. Spočívá v tom, že pohybující se látka v uzavřeném systému, která mění své skupenství z kapalného na plynné pod vlivem chemických, fyzikálních nebo tepelných faktorů, uvolňuje a pohlcuje obrovské množství tepelné energie.

Jako pracovní látka slouží teplonosné médium – voda ze studny nebo vodní nádrže.

I v zimě se v přírodních zdrojích v určité hloubce udržuje kladná teplota, takže z nich lze celoročně čerpat tepelnou energii. Jedinou nevýhodou zařízení je vysoká spotřeba elektrické energie a nutnost nákupu dodatečného vybavení.

Na schématu je znázorněna trajektorie cirkulace vody a chladiva. Systém umožňuje získávat tepelnou energii nezávisle na ročním období.

Hlavní prvky tepelného čerpadla voda-voda:

• kompresor;
• výparník;
• kondenzátor;
• expanzní indukční ventil;
• automatický systém provádějící kontrolu parametrů;
• více hlavních vedení z měděných trubek;
• pracovní látka (chladivo).

Pomocí speciálního čerpadla voda proudí trubkami ze zdroje do tepelného zařízení, poté interaguje s plynem (freonem), který se vaří při teplotě +2-3 stupně. Freon absorbuje část tepla vody a je nasáván kompresorem, kde se během stlačení jeho teplota zvyšuje.

Zařízení tepelného čerpadla zabírá hodně místa, ale poskytuje možnost zbavit se komunální závislosti.

Dále chladivo vstupuje do kondenzátoru, načež horká látka ohřívá vodu na požadovanou teplotu (od +40 do +80 stupňů), která je dopravována potrubím topného systému.

Ochlazená voda vstupuje do výparníku, poté je vypouštěna do přijímací studny. Po průchodu kondenzátorem se chladivo stává kapalným a shromažďuje se na dně prvku, poté se přes škrtící ventil vrací na původní místo. Dále se cyklus opakuje.

Na co se zaměřit při instalaci takového vytápění?

Existuje velké množství různých modifikací tepelných čerpadel určených pro místnosti jakéhokoli účelu a velikosti, stejně jako pracujících v různých podmínkách. Zařízení je určeno k vytápění domů o celkové ploše od 50 do 150 metrů čtverečních.

Orientace č. 1 – tvrdost vody

Kvalita vody ze studny nebo vodní nádrže hraje důležitou roli při výběru zařízení. Ne všechny modely jsou schopny pracovat s tvrdou vodou obsahující velké množství manganu a železa.

Vysoká koncentrace těchto prvků poškozuje systém – na trubkách se rychleji tvoří koroze, což vede ke snížení účinnosti zařízení a jeho životnosti.

Proto před koupí tepelného čerpadla odeberou vzorek vody a provedou jeho analýzu na přítomnost těchto a dalších mikroelementů – sirovodíku, amoniaku, chloru atd. Obvykle pokud teplota v rybníku přesahuje +13 stupňů, pak s vysokou pravděpodobností je ve vodě mnoho iontů železa a manganu.

Tedy tepelné čerpadlo voda-voda se vybírá s ohledem na tvrdost vody. Existují systémy, jejichž prvky jsou maximálně chráněny proti korozi, ale stojí dráž.

Orientace č. 2 – režim provozu

Tepelné čerpadlo může být použito jako jediný zdroj tepla nebo spolupracovat s jinými systémy. Proto je před výběrem modelu důležité určit, v jakém režimu bude zařízení pracovat.

Celkem existují dva typy fungování systému:

• Monovalentní. Přístroje mají velký výkon, vhodné k vytápění domu.
• Bivalentní. Méně výkonná zařízení doplňují základní topné zařízení.

Pro vybudování autonomního systému s hlavním topným agregátem voda-voda je potřeba monovalentní typ.

Orientace č. 3 – výkon čerpadla

Výkon je důležitým ukazatelem při výběru tepelného čerpadla, protože na něm závisí výkonnost systému. Čím vyšší výkon, tím vyšší účinnost zařízení, ale také větší spotřeba elektrické energie.

Výkon tepelného čerpadla voda-voda se volí podle skutečných potřeb.

Při výběru zařízení s nedostatečným výkonem účinnost systému poklesne, pokud tepelné ztráty domu překročí množství energie dodávané systémem. Tepelné čerpadlo může pracovat nepřetržitě, ale nebude mít účinek kvůli poklesu teploty vody.

Když jsou tepelné ztráty budovy nižší než tepelný výkon systému, čerpadlo se obvykle automaticky spustí na několik minut, ohřeje vodu na nastavenou teplotu a dopraví ji do systému. Poté se vypne, dokud teplota neklesne o několik stupňů. Poté se cyklus opakuje.

Orientace č. 4 – funkce konkrétního modelu

Tepelná čerpadla mohou mít doplňkové funkce, a to:

• Systém automatického řízení, který umožní regulovat mikroklima místnosti podle chuti. Ovládání se obvykle provádí pomocí dálkového ovladače.
• Funkce ohřevu vody pro teplou vodu.
• Hlukově izolovaný kryt.
• Možnost připojení k jiným topným systémům, solárním kolektorům, což učiní zařízení pro vytápění zcela autonomním.

Životnost tepelných čerpadel voda-voda obvykle přesahuje 30 let.

Při výběru zařízení neméně důležitá je cena instalace a montáže.

Výpočet potřebného výkonu tepelného čerpadla

Před nákupem systému je důležité předem vypracovat projekt a vypočítat potřebný výkon zařízení. Výkon se vypočítává s ohledem na skutečné potřeby tepelné energie. Zohledňují se tepelné ztráty domu a přítomnost či nepřítomnost okruhu TUV.

Algoritmus výpočtu:

1. Vypočítáme celkovou plochu vytápěných místností.
2. Určujeme potřebné množství energie pro vytápění. Optimální hodnota na 1 metr čtvereční – 0,07 kW.
3. K protopení domu o N metrů čtverečních bude potřeba N*0,07 kW.
4. Pro TUV se k získanému číslu přidává dodatečných 15–20 %, tedy N*0,07*0,85 nebo N*0,07*0,80.

Tento výpočet bude optimální pro místnosti se stropy nepřesahujícími výšku 2,7 m. Přesnější výpočty provedou odborníci při sestavování projektu.

Přípravné práce před provozem

Příprava na montáž, připojení a uvedení do provozu tepelného čerpadla řady voda-voda zahrnuje řadu standardních kroků, se kterými se dále seznámíme.

Výběr optimálního zdroje vody

Je třeba poznamenat, že ne každý otevřený zdroj nebo vodní vrt bude vhodný pro nepřetržitý provoz tepelného čerpadla. Kvalita vody hraje důležitou roli, ale problém znečištění pomohou vyřešit filtry.

Je přípustné použít vodní nádrž nebo rybník umístěný v okruhu 100 metrů od stavby. Pokud takový zdroj neexistuje, vzniká potřeba vrtání studní.

Výběr zdroje pro tepelné čerpadlo by se měl zaměřit na jednoduchost a náklady na použití. V případě blízko umístěné otevřené vodní nádrže je rozumnější ji použít.

Chování otevřeného zdroje je předvídatelnější než chování podzemních vod, proto je při možnosti lepší dát přednost vodním nádržím.

Instalace tepelného systému s využitím studny

Pro instalaci systému s tepelným čerpadlem budou potřeba dva vrty. Jeden z vrtů se nazývá debetní. Do něj se ponoří speciální čerpadlo, které odebírá vodu k následnému zpracování v systému. Druhý vrt je přijímací. Do něj se vypouští ochlazená voda.

Odtokový a přívodní vrt musí být od sebe vzdáleny nejméně 15 metrů.

Hloubka debetního vrtu by neměla přesáhnout 50 metrů. Čím hlouběji se zdroj vody nachází, tím výkonnější čerpadlo bude potřeba pro její čerpání, což zvýší množství spotřebované energie.

Uspořádání odběrné studny

Před zahájením provozu debetního vrtu je důležité zjistit, kolik vody je schopen poskytnout a jaké množství kapaliny je potřeba k zajištění tepla pro celou místnost. Čím vyšší je teplota vody, tím méně jí bude potřeba k vytápění.

Je důležité předem vypočítat objem V, který je třeba ze studny vyčerpat za hodinu pro vytápění místnosti. Předpokládejme, že existuje čerpadlo, jehož tepelný výkon se rovná určitému číslu Q kW a příkon je číslo P kW. Dále je třeba zjistit teplotu podzemní vody (t1) a její teplotu po výměně tepla (t2).

Potom vzorec pro výpočet objemu potřebného množství vody za hodinu vypadá takto:

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

Určit schopnost debetního vrtu vydávat potřebný objem vody analyticky není možné, proto se provádí jeho testování. Po dobu 3 dnů čerpadlo nepřetržitě čerpá vodu z vrtu. Tímto způsobem se prověřuje i přijímací vrt, zda je schopen přijímat potřebné množství vody při vysokém zatížení.

Je důležité si uvědomit, že podzemní vody se chovají nepředvídatelně, proto může vody v debetním vrtu časem ubývat. Například na jaře dochází k přílivům, v zimě naopak vody ubývá. Pokud je ve vrtu nedostatek vody, systém se automaticky vypne a vytápění neprobíhá.

Specifika vsakovací studny

Trubkový přijímací vrt se umísťuje níže po proudu podzemní vody. Zjistit, kterým směrem se voda pohybuje, analyticky nelze. Proto se v praxi vybere libovolný vrt jako debetní a spustí se do něj ponorné čerpadlo.

Pokud během provozu systému hladina vody neklesá, je volba správná. Pokud hladina klesla a teplota vody se snížila, je nutné vrty vyměnit – přemístit ponorné čerpadlo do jiného otvoru.

Odtokovou trubku do přijímací studny je nutné ponořit několik centimetrů do vody, aniž by dosáhla dna. Pokud se odpadní kapalina vypouští shora, povede to k zamokření. Trubková studna může přestat přijímat vodu a ucpat se.

Výsledek hrozí přepadem a v zimě možným namrzáním. Nejlepší volbou pro přijímací zdroj je řeka nebo rybník. Pokud tyto objekty nejsou v blízkosti, vzniká potřeba vyvrtat jednu nebo více přijímacích studní, aby se zajistila ochrana pro případ přepadu.

Na obrázku je ukázán příklad použití jedné studny jako přijímací i jímací

Zjistit, zda bude studna přijímat vodu, není možné ani analytickým, ani testovacím způsobem. Praxe ukazuje, že odtoková studna může bez problémů pohlcovat vodu po mnoho let, nebo může zcela selhat během jedné sezóny.

Existují technologie, které umožňují použít jednu studnu jako jímací i přijímací, ale tato metoda není účinná – provoz bude provázen obtížemi, možným poklesem teploty vody, zamokřením a řadou dalších problémů.

Uspořádání systému s využitím vodní plochy

Vybraný rybník musí být dostatečně hluboký, aby spodní vrstvy vody během silných mrazů nezamrzaly. V jižních oblastech bude optimální hloubka přibližně 1 metr, v severních bude potřeba zdroj s hloubkou od 3 metrů. Rybník musí být také stabilní – nepřípustné jsou výkyvy hladiny vody a její úbytek.

K vodní ploše vedou dvě potrubí – jímací a přijímací. Do přijímacího je instalováno ponorné čerpadlo.

Jako potrubí se doporučují modely z HDPE, které se vyznačují trvanlivostí a spolehlivostí. Je důležité chránit potrubí před zamrznutím dodatečným zateplením a před průrazy.

Příprava domu na instalaci tepelného čerpadla

Pro součinnost s tepelným čerpadlem voda-voda musí být v domě vybaven vodní otopný systém, tvořený potrubím a radiátory. Pro lepší izolaci je také možné instalovat topné trubky do podlahy a stěn.

Pokud bude zařízení používáno k dodávce teplé vody, musí v domě existovat systém jejího odběru. Pro provoz čerpadla bude nutné připojení k elektrické síti s neomezeným napájením.

Bez dodatečných opatření tepelné izolace domu (vnějšího zateplení, instalace dvojitých oken atd.) nemá provoz tepelného čerpadla smysl.

Odborníci doporučují dodatečně nainstalovat systém přívodního větrání s mechanismem ohřevu vzduchu. Používané chladivo freon je škodlivé pro člověka. Pokud dojde v okruhu systému k mikropřetržením, uvolní se plyn a tím vytlačí vzduch z místnosti. Chladivo může u člověka vyvolat zhoršení plicních onemocnění, záchvaty dušení.

Tepelné čerpadlo je těžké zařízení, jeho hmotnost může dosahovat tuny (závisí na výkonu a rozměrech), proto je v některých případech nutné pro jeho instalaci vybudovat vlastní základ, který není spojen se základem chaty.

Před instalací zařízení je třeba zohlednit přípustné rozměry místnosti, dodržet vzdálenost ke stěnám uvedenou v pasu výrobku.

Doplňkové vybavení

Výběr doplňkového vybavení pro tepelné čerpadlo je odpovědný úkol, jehož řešení do značné míry určuje dlouhodobou životnost topného systému jako celku a bezproblémový provoz.

Ponorný čerpadlo pro studny a vodní nádrže

Pokud se v systému tepelné čerpadlo používá pro dodávku teplé vody, může zařízení s malým výkonem snižovat tlak v kohoutcích. Výkonné čerpadlo tento problém vyřeší, ale spotřebovává více energie. Minimální přípustný výkon při provozu TUV – 1 kW.

Existuje mnoho různých modifikací ponorných čerpadel. Výběr se provádí s ohledem na tři kritéria, a to:

• Množství kapaliny používané k přečerpávání (čím více vody bude třeba dopravit, tím vyšší musí být výkon čerpadla).
• Hloubka studny (čím hlubší studna, tím větší musí být výkon zařízení);
• Průměr studny (tradičně se dává přednost 4palcovým šachtám, protože pro ně bylo vytvořeno nejvíce čerpadel, na rozdíl od 3palcových).

Pro určení hloubky studny je nutné na lano připevnit závaží a spustit do šachty. Mokrá část lana ukáže celkovou hloubku studny, suchá určí vzdálenost od hladiny vody k povrchu.

Čerpadlo se ponoří do šachty studny do hloubky uvedené výrobcem zařízení. Obvykle je v technickém pasu uvedeno, kolik metrů by mělo být mezi hladinou vody a čerpadlem, dnem vrtu a čerpadlem

Pro šachty mohou být vhodná jak univerzální čerpadla, tak zařízení speciálně vytvořená pro studny. Pokud se na vývoji šachty podíleli profesionálové, je méně zanesená pískem, takže lze bez obav použít univerzální čerpadlo.

Čerpadla navržená speciálně pro studny jsou dražší, ale dobře si poradí s pískem a nečistotami, méně se zanášejí. Univerzální jsou citlivá na vysoký obsah organických látek, je nutné je pravidelně čistit od nečistot, což zkracuje jejich životnost.

Přednost byste měli dát čerpadlům s automatickým ovládáním, protože při přehřátí motoru, nadměrném zanesení nebo nedostatku vody ve studni se samostatně vypnou, v důsledku čehož se motor nepřehřívá a nepoškodí se.

Podle principu činnosti rozlišujeme 2 druhy ponorných čerpadel:

• Odstředivá.
• Vibrační.

Pro práci ve studnách, které těží vodu z vápence, jsou vhodnější odstředivé hlubinné modely. Jsou citlivé na vodu s pískovými zrnky a jílovitou suspenzí.

Pokud bude tepelné čerpadlo připojeno k otevřené vodní nádrži, je lepší použít povrchové čerpací zařízení určené pro čerpání znečištěné vody nebo levné vibrační zařízení.

Mezilehlý tepelný výměník tepelného čerpadla

U tepelných čerpadel se během cirkulace může chladivo nedostatečně ochlazovat, což vede k přehřívání kompresoru v důsledku nadměrné teploty výtlaku. Proto je důležité zlepšit chlazení látky, a tím snížit tlak v okruzích.

Existuje ještě jeden problém charakteristický pro všechna tepelná čerpadla – chladivo se může mísit s vodními parami. Pokud kapalina vnikne do kompresoru, může dojít k vodnímu rázu. V tom případě bude nutná oprava nebo výměna součásti. Také se voda může dostat do oleje a její odstranění je obtížné.

Všechny výše popsané problémy řeší instalace mezilehlého výměníku tepla. Výměníky tepla bývají tří typů – otevřeného typu, trubkové v plášti a hadovité.

Modifikace otevřeného typu neutralizuje kapalinu, která se dostala do chladiva během cirkulace, což minimalizuje pravděpodobnost vodního rázu kompresoru. Zařízení se vyznačuje vysokou výkonností při minimální spotřebě energie.

Při instalaci výměníku tepla otevřeného typu je důležité správně zvolit velikost kapalinového potrubí, aby bylo zajištěno minimální stlačení tlaku

Správně zvolené trubky umožní neutralizovat možnost varu kapaliny. Přitom musí mít ventil dostatečnou průtočnost, aby kapalina při nízkém tlakovém rozdílu mohla proniknout do zařízení.

Trubkový výměník tepla v plášti je představen jako uzavřená konstrukce. K přenosu tepla dochází přes stěny trubek, a kapalina a chladivo se v něm nemísí, na rozdíl od otevřeného typu, což zajišťuje vysoký tlak pro cirkulaci páry a vzduchu.

Spiralový výměník tepla se vyznačuje přítomností regulátoru průtoku, který řídí tok kapalného freonu. Velikost zařízení přímo závisí na výkonu tepelného čerpadla. Výrobek je nutné vybrat s ohledem na funkčnost a disponibilní částku. Je vhodné dát přednost rozebíratelným modelům.

Filtry pro tepelné čerpadlo

Voda ze studní nebo nádrží nepřichází v čisté formě. Může v ní být písek, nečistoty, různé mikroelementy – železo, sirovodík, mangan, chlór, amoniak atd. Před vstupem do tepelného čerpadla musí být voda filtrována.

Především je nutné odstranit hrubé látky – kameny, písek, nečistoty, bahno. K jejich odstranění z vody je nutná instalace hydrocyklonu.

Hydrocyklon – zařízení potřebné pro hrubé čištění vody. Je nutné jej vybrat s ohledem na výkon čerpadla.

Dále je důležité nainstalovat filtry odstraňující železo, sirovodík, mangan, amoniak. Tyto mikroelementy zkracují životnost zařízení a způsobují jeho korozi.

Lze použít filtry reverzní osmózy, změkčovače, odželezňovače a jejich modifikace. Pro zajištění pitné teplé vody je třeba dodatečně vybavit uhlíkové filtry a UV-sterilizátor, který ničí bakterie a viry.

Elektrický generátor pro záložní napájení

Tepelná čerpadla pracují z elektrické sítě, takže pokud dojde k výpadku napájení, dům zůstane bez vytápění. Je vhodné dodatečně zakoupit elektrický generátor pracující na hořlavé látky.

Je důležité, aby elektrický generátor byl schopen vyrábět potřebný výkon pro provoz kompresoru čerpadla.

Specifika provozu takového tepelného čerpadla

Jednou ročně je nutné provádět samostatnou vizuální kontrolu uzlů čerpadla, dodržovat doporučení pro údržbu – včas mazat díly, sledovat správnost chodu zařízení při čerpání vody.

Některé typy zařízení vyžadují pravidelnou kontrolu (obvykle 1-2krát ročně) odborníky servisního střediska. Během kontroly se zjišťuje:

• úniky strojního oleje skrz trhliny v okruhu;
• kvalita upevnění a spojů;
• úroveň tlaku v nádržích a okruzích;
• poruchy v činnosti silového vedení.

Montáž tepelného čerpadla voda-voda by měla být svěřena proškoleným odborníkům. Neefektivnost systému je nejčastěji spojena s jeho nesprávnou instalací. Tepelné zařízení je vhodné pro provoz jak obyvateli jižních regionů, tak severních.

Závěry a užitečné video k tématu

Video seznámí s principem činnosti a zvláštnostmi zařízení:

Jako závěr lze konstatovat, že tepelné čerpadlo voda-voda je považováno za účinné ekologicky bezpečné zařízení určené k vytápění domů o ploše až 150 m². Pro zařízení místnosti o větší ploše již mohou být zapotřebí poměrně složité inženýrské průzkumy.

Pokud vám během seznamování s předloženými informacemi vznikly dotazy, pokládejte je prosím v bloku umístěném níže. Těšíme se na vaše komentáře, dotazy k tématu, příběhy a fotografie o vlastnoruční stavbě mini-vodní elektrárny. Zajímá nás váš názor.