Toplotna črpalka “voda-voda”: zgradba, princip delovanja, pravila za ureditev ogrevanja na njeni osnovi

Za ogrevanje in oskrbo s toplo vodo v zasebnih hišah je priporočljiva uporaba toplotne črpalke voda-voda, ki črpa energijo iz naravnih virov – podzemne vode, reke, vodna telesa itd. Sistem je popolnoma okoljsko varen, ne zahteva rednih stroškov za potrošni material, zato postaja vse bolj priljubljen.

Povedali vam bomo o možnostih namestitve toplotne črpalke, ki uporablja eko energijo vode za prenos v gospodinjske ogrevalne sisteme. Za radovedne domače mojstre smo opisali načela delovanja priljubljenih variant naprave in tehnologijo gradnje. Pri nas boste izvedeli, kakšna oprema bo potrebna za delovanje sistema.

Načelo delovanja toplotne črpalke voda-voda

Toplotna črpalka uteleša načelo Carnotovega cikla. To načelo temelji na tem, da snov, ki kroži v zaprtem sistemu in pod vplivom kemičnih, fizikalnih ali toplotnih dejavnikov spreminja svoje agregatno stanje iz tekočega v plinasto, sprošča in absorbira ogromne količine toplotne energije.

V vlogi delovne snovi nastopa toplotni nosilec – voda iz vrtine ali vodnega telesa.

Tudi pozimi v naravnih virih na določeni globini ostaja pozitivna temperatura, zato lahko iz njih vse leto črpamo toplotno energijo. Edina pomanjkljivost naprave je visoka poraba električne energije in potreba po nakupu dodatne opreme.

Na shemi je prikazana pot kroženja vode in hladilnega sredstva. Sistem omogoča pridobivanje toplotne energije ne glede na sezono.

Glavni elementi toplotne črpalke voda-voda:

• kompresor;
• uparjalnik;
• kondenzator;
• ekspanzijski ventil;
• avtomatski sistem, ki nadzoruje parametre;
• več glavnih vodov iz bakrenih cevi;
• delovno sredstvo (hladilno sredstvo).

S pomočjo posebne črpalke voda po cevkah teče iz vira v toplotno napravo, nato pa pride v stik s plinom (freonom), ki vre pri temperaturi +2-3 stopinje. Freon absorbira del toplote vode in ga sesa kompresor, kjer se med stiskanjem njegova temperatura dvigne.

Oprema toplotne črpalke zavzame precej prostora, vendar omogoča, da se znebite komunalne odvisnosti

Nato hladilno sredstvo vstopi v kondenzator, nato pa vroča snov segreje vodo na nastavljeno temperaturo (od +40 do +80 stopinj), ki se po ceveh ogrevalnega sistema prenaša.

Ohlajena voda vstopi v uparjalnik, nato pa odteče v sprejemno vrtino. Po prehodu skozi kondenzator hladilno sredstvo postane tekoče in se nabere na dnu elementa, nato se skozi dušilni ventil vrne na prvotno mesto. Nato se cikel ponovi.

Na kaj paziti pri ureditvi takšnega ogrevanja?

Obstaja veliko število različnih modifikacij toplotnih črpalk, namenjenih prostorom katerega koli namena in velikosti ter delujočih v različnih pogojih. Oprema je namenjena ogrevanju hiš s skupno površino od 50 do 150 kvadratnih metrov.

Orientir št. 1 – trdota vode

Kakovost vode iz vrtine ali vodnega telesa igra pomembno vlogo pri izbiri opreme. Niso vsi modeli sposobni delovati s trdo vodo, ki vsebuje veliko količino mangana in železa.

Visoka koncentracija teh elementov škoduje sistemu – na ceveh hitreje nastane korozija, kar vodi do zmanjšanja izkoristka opreme in njene življenjske dobe.

Zato pred nakupom toplotne črpalke vzamejo vzorec vode in opravijo analizo na prisotnost teh in drugih mikroelementov – vodikovega sulfida, amoniaka, klora itd. Običajno, če temperatura v ribniku preseže +13 stopinj, je z večjo verjetnostjo v vodi veliko ionov železa in mangana.

Tako se toplotna črpalka voda-voda izbere glede na trdoto vode. Obstajajo sistemi, katerih elementi so maksimalno zaščiteni pred korozijo, vendar so dražji.

Orientir št. 2 – način delovanja

Toplotna črpalka se lahko uporablja kot edini vir toplote ali pa sodeluje z drugimi sistemi. Zato je pred izbiro modela pomembno določiti, v katerem načinu bo naprava delovala.

Obstajata dva tipa delovanja sistema:

• Monovalentni. Naprave imajo veliko moč in so primerne za ogrevanje hiše.
• Bivalentni. Manj zmogljive naprave dopolnjujejo osnovno ogrevalno opremo.

Za izgradnjo avtonomnega sistema z glavnim ogrevalnim agregatom voda-voda je potreben monovalentni tip.

Orientir št. 3 – moč črpalke

Moč je pomemben kazalnik pri izbiri toplotne črpalke, saj je od nje odvisna zmogljivost sistema. Višja kot je moč, višji je izkoristek opreme, vendar je večja tudi poraba električne energije.

Zmogljivost toplotne črpalke voda-voda se izbere glede na dejanske potrebe

Pri izbiri naprave s premajhno močjo bo učinkovitost sistema padla v primeru, da bodo toplotne izgube hiše presegle količino energije, ki jo sistem oddaja. Toplotna črpalka lahko deluje 24 ur na dan, vendar zaradi znižanja temperature vode ne bo učinka.

Ko so toplotne izgube stavbe nižje od toplotne oddaje sistema, se črpalka običajno samodejno zažene za nekaj minut, segreje vodo na nastavljeno temperaturo, jo prenese po sistemu. Nato se izklopi, dokler temperatura ne pade za nekaj stopinj. Nato se cikel ponovi.

Orientir št. 4 – funkcionalnost posameznega modela

Toplotne črpalke imajo lahko dodatne funkcije, in sicer:

• Sistem samodejnega upravljanja, ki omogoča uravnavanje mikroklime prostora po okusu. Upravljanje običajno poteka z daljinskim upravljalnikom.
• Funkcija ogrevanja vode za toplo vodo.
• Zvočno izolirano ohišje.
• Možnost priključitve na druge ogrevalne sisteme, sončne kolektorje, kar bo ogrevalno opremo naredilo popolnoma avtonomno.

Življenjska doba toplotnih črpalk voda-voda običajno presega 30 let.

Pri izbiri opreme prav tako štejemo stroške namestitve in montaže kot pomembne.

Izračun potrebne moči toplotne črpalke

Pred nakupom sistema je pomembno, da vnaprej pripravite projekt in izračunate potrebno moč opreme. Zmogljivost se izračuna ob upoštevanju dejanskih potreb po toplotni energiji. Upoštevajo se toplotne izgube hiše ter prisotnost ali odsotnost kroga STV.

Algoritem izračuna:

1. Izračunamo skupno površino ogrevanih prostorov.
2. Določimo potrebno količino energije za ogrevanje. Optimalni kazalnik na 1 kvadratni meter je 0,07 kW.
3. Za ogrevanje hiše velikosti N kvadratnih metrov bo potrebno N*0,07 kW.
4. Za STV dobljenemu številu dodamo dodatnih 15–20 %, torej N*0,07*0,85 ali N*0,07*0,80.

Ta izračun bo optimalen za prostore s stropi, ki ne presegajo višine 2,7 m. Natančnejše izračune bodo opravili strokovnjaki med pripravo projekta.

Pripravljalna dela pred obratovanjem

Priprava na montažo, priključitev in zagon toplotne črpalke iz serije voda–voda vključuje vrsto standardnih korakov, s katerimi se bomo seznanili v nadaljevanju.

Izbira optimalnega vira vode

Opozoriti je treba, da vsak odprti vir ali vodna vrtina ni primeren za nemoteno delovanje toplotne črpalke. Kakovost vode igra pomembno vlogo, vendar lahko težavo z onesnaženostjo pomagajo rešiti filtri.

Dovoljeno je uporabiti vodno telo ali ribnik, ki se nahaja v radiju 100 metrov od stavbe. Če takega vira ni, se pojavi potreba po vrtanju vrtin.

Izbira vira za toplotno črpalko naj temelji na preprostosti in strošku uporabe. V primeru bližnjega odprtega vodnega telesa je pametneje uporabiti njega.

Obnašanje odprtega vira je bolj predvidljivo kot podtalnice, zato je treba, če je mogoče, dati prednost vodnim telesom.

Namestitev toplotnega sistema z uporabo vrtine

Za namestitev sistema z uporabo toplotne črpalke bosta potrebni dve vrtini. Eno vrtino običajno imenujemo črpalna (debetna). Vanjo se spusti posebna črpalka, s katero se odvzema voda za nadaljnjo obdelavo v sistemu. Druga vrtina je sprejemna. Vanjo se izliva ohlajena voda.

Sprejemna in dovodna vrtina morata biti med seboj oddaljeni najmanj 15 metrov.

Globina črpalne (debetne) vrtine ne sme presegati 50 metrov. Globlje kot je vodni vir, močnejša bo potrebna črpalka za njegovo dovajanje, kar bo povečalo porabo energije.

Ureditev dovodne vrtine

Pred začetkom uporabe črpalne (debetne) vrtine je pomembno ugotoviti, koliko vode lahko daje in kakšna količina tekočine je potrebna za ogrevanje celotnega prostora. Višja kot je temperatura vode, manj je bo potrebno za ogrevanje.

Pomembno je vnaprej izračunati prostornino V, ki jo je treba v eni uri črpati iz vrtine za ogrevanje prostora. Recimo, da imamo črpalko s toplotno močjo Q kW in porabo električne energije P kW. Prav tako je treba poznati temperaturo podtalnice (t1) in njeno temperaturo po toplotni izmenjavi (t2).

Formula za izračun potrebne količine vode na uro je naslednja:

V = (Q – P) / (t1 – t2).

Analitično ni mogoče določiti sposobnosti črpalne (debetne) vrtine za zagotavljanje potrebne količine vode, zato se izvede njeno testiranje. Črpalka 3 dni neprekinjeno črpa vodo iz vrtine. Na ta način se preveri tudi sprejemna vrtina glede možnosti sprejemanja potrebne količine vode pri visoki obremenitvi.

Pomembno je razumeti, da se podtalnica obnaša nepredvidljivo, zato lahko vode v črpalni (debetni) vrtini s časom postane manj. Spomladi na primer opazimo dvig vode, pozimi pa voda nasprotno upada. Če v vrtini ni dovolj vode, se sistem samodejno izklopi in ogrevanje ne poteka.

Posebnosti sprejemne vrtine

Sprejemni cevni vodnjak se nahaja nižje po toku podtalnice. Analitično ni mogoče določiti, v katero smer teče voda. Zato v praksi izberejo poljubno vrtino kot črpalno (debetno) in vanjo spustijo potopno črpalko.

Če med delovanjem sistema gladina vode ne pade, je bila izbira pravilna. Če se gladina zniža in temperatura vode pade, je treba zamenjati vrtini – prestaviti potopno črpalko v drugo odprtino.

Odvodno cev je treba v sprejemno vrtino potopiti za nekaj centimetrov v vodo, ne da bi dosegli dno. Če odpadno tekočino odvajate od zgoraj, bo to povzročilo zamakanje. Cevni vodnjak lahko preneha sprejemati vodo in se zamaši.

Rezultat grozi s prelivanjem, pozimi pa z možnim poledenitvijo. Najboljša možnost za sprejemni vir je reka ali ribnik. Če teh objektov v bližini ni, se pojavi potreba po vrtanju še ene ali več sprejemnih vrtin, da se zavarujete v primeru prelivanja.

Na sliki je prikazan primer uporabe ene vrtine kot sprejemne in črpalne.

Ugotoviti, ali bo vrtina sprejemala vodo, ni mogoče niti z analitično niti s testno metodo. Praksa kaže, da lahko odvodna vrtina neprekinjeno sprejema vodo več let, lahko pa popolnoma odpove v eni sezoni.

Obstajajo tehnologije, ki omogočajo uporabo ene vrtine kot črpalne in sprejemne, vendar ta metoda ni učinkovita – obratovanje bo spremljalo težave, možno je znižanje temperature vode, zamakanje in vrsta drugih težav.

Ureditev sistema z uporabo vodnega telesa

Izbrani ribnik mora biti dovolj globok, da spodnje plasti vode ne zmrznejo med hudimi zmrzalmi. V južnih regijah bo optimalna globina približno 1 meter, v severnih pa bo potreben vir z globino od 3 metrov. Prav tako mora biti ribnik stabilen – nihanje vodne gladine in njeno zmanjšanje nista dopustna.

K vodnemu telesu vodita dva cevovoda – črpalni in sprejemni. V sprejemni cevovod se vgradi potopna črpalka.

Kot cevi priporočamo uporabo modelov iz HDPE, ki se odlikujejo po trajnosti in zanesljivosti. Pomembno je zaščititi cevi pred zmrzovanjem, jih dodatno izolirati in pred preboji.

Priprava hiše na namestitev toplotne črpalke

Za sodelovanje s toplotno črpalko voda-voda mora biti v hiši nameščen vodni ogrevalni sistem, ki ga predstavljajo cevi in radiatorji. Za boljšo izolacijo je v tla in stene prav tako dovoljeno vgraditi ogrevalne cevi.

Če se bo oprema uporabljala za dovajanje tople vode, mora biti v hiši prisoten sistem za njeno zbiranje. Za delovanje črpalke bo potrebna priključitev na električno omrežje z neomejenim napajanjem.

Brez dodatnih ukrepov za toplotno izolacijo hiše (zunanje izolacije, namestitve dvoslojnih oken itd.) obratovanje toplotne črpalke ni smiselno.

Strokovnjaki priporočajo dodatno namestitev pretočnega prezračevalnega sistema z mehanizmom za ogrevanje zraka. Freon, ki se uporablja v opremi, je škodljiv za človeka. Če v krogu sistema pride do mikrorazpok, se plin sprosti in tako izpodrine zrak iz prostora. Hladilno sredstvo lahko pri človeku povzroči poslabšanje pljučnih bolezni, napade zadušitve.

Toplotna črpalka je težka oprema, njena teža lahko doseže tono (odvisno od moči in velikosti), zato je za njeno namestitev v nekaterih primerih potrebna izgradnja lastnega temelja, ki ni povezan s temeljem koče.

Pred namestitvijo opreme je treba upoštevati dopustne dimenzije prostora, upoštevati razdaljo do sten, kot je navedeno v potnem listu izdelka.

Dodatna oprema

Izbira dodatne opreme za toplotno črpalko je odgovorna naloga, katere rešitev v veliki meri določa dolgoročno delovanje ogrevalnega sistema kot celote in odsotnost težav pri uporabi.

Potopni črpalka za vrtine in vodna telesa

Če se toplotna črpalka v sistemu uporablja za dovod tople vode, lahko naprava z majhno močjo znižuje pritisk v pipah. Močna črpalka bo rešila ta problem, vendar porabi več energije. Minimalna dovoljena moč pri delovanju sistema tople vode – 1 kW.

Obstaja veliko različnih modifikacij potopnih črpalk. Izbira se izvaja ob upoštevanju treh meril, in sicer:

• Količina tekočine, ki se uporablja za prečrpavanje (več vode kot bo treba prenesti, višja mora biti moč črpalke).
• Globina vrtine (globlja kot je vrtina, večja mora biti moč opreme);
• Premer vrtine (tradicionalno dajejo prednost 4-palčnim jaškom, saj je zanje ustvarjeno največje število črpalk, v nasprotju s 3-palčnimi).

Za določitev globine vrtine je treba na vrv pritrditi utež in jo spustiti v jašek. Mokri del vrvi bo pokazal polno globino vrtine, suhi del bo določil razdaljo od začetka vode do površine.

Črpalko potopijo v cev vrtine na globino, ki jo določi proizvajalec naprave. Običajno je v tehničnem listu navedeno, koliko metrov naj bo med vodno gladino in črpalko, med dnom izkopa in črpalko.

Za jaške so lahko primerne tako univerzalne črpalke kot oprema, posebej ustvarjena za vrtine. Če so se z razvojem jaška ukvarjali strokovnjaki, se ta manj zamaši s peskom, zato lahko brez skrbi uporabljate univerzalno črpalko.

Črpalke, posebej zasnovane za vrtine, so dražje, vendar odlično opravljajo s peskom in umazanijo, manj se mašijo. Univerzalne so občutljive na visoko vsebnost organskih snovi, zato jih je treba redno čistiti umazanije, zaradi česar se njihova življenjska doba skrajša.

Prednost je treba dati črpalkam z avtomatiko, saj se ob pregrevanju motorja, preveliki zamašenosti ali pomanjkanju vode v vrtini samodejno izklopijo, zaradi česar se motor ne pregreje in ne odpove.

Po načelu delovanja ločimo dve vrsti potopnih črpalk:

• Centrifugalne.
• Vibracijske.

Za delo v vrtinah, ki črpajo vodo iz apnenca, so bolj zaželeni centrifugalni globinski modeli. So občutljivi na vodo s peskom in glinenimi delci.

Če bo toplotna črpalka priključena na odprto vodno telo, je bolje uporabiti površinsko črpalno opremo, namenjeno črpanju umazane vode, ali poceni vibracijsko napravo.

Vmesni toplotni izmenjevalec toplotne črpalke

Pri toplotnih črpalkah se med kroženjem freon morda ne ohladi dovolj dobro, kar povzroči pregrevanje kompresorja zaradi previsoke temperature tlačenja. Zato je pomembno izboljšati hlajenje snovi, s čimer se zniža tlak v tokokrogih.

Obstaja še en problem, značilen za vse toplotne črpalke – hladilno sredstvo se lahko meša z vodno paro. Če tekočina pride v kompresor, lahko pride do vodnega udara. V tem primeru bo potrebno popravilo ali zamenjava dela. Prav tako lahko voda pride v olje, od tam pa jo je težko odstraniti.

Vse zgoraj opisane težave rešuje namestitev vmesnega toplotnega izmenjevalnika. Toplotni izmenjevalniki so treh vrst – odprtega tipa, plaščno-cevni in serpentinasti.

Modifikacija odprtega tipa nevtralizira tekočino, ki je med kroženjem prišla v freon, kar zmanjša verjetnost vodnega udara kompresorja. Naprava se odlikuje po visoki učinkovitosti ob minimalni porabi moči.

Pri namestitvi toplotnega izmenjevalnika odprtega tipa je pomembno pravilno izbrati velikost cevovoda za tekočino, da se zagotovi minimalno stiskanje tlaka.

Pravilno izbrane cevi bodo omogočile nevtralizacijo možnosti vrenja tekočine. Hkrati mora imeti ventil zadostno pretočno zmogljivost, da tekočina pri nizki razliki tlakov lahko prodre v napravo.

Plaščno-cevni toplotni izmenjevalnik je zasnovan kot zaprta konstrukcija. Prenos toplote poteka skozi stene cevi, tekočina in hladilno sredstvo pa se v njem ne mešata, za razliko od odprtega, kar zagotavlja visok tlak za kroženje pare in zraka.

Tuljavni toplotni izmenjevalnik se odlikuje po prisotnosti regulatorja pretoka, ki upravlja pretok tekočega freona. Velikost naprave je neposredno odvisna od moči toplotne črpalke. Izdelek je treba izbrati glede na funkcionalnost in razpoložljivi znesek. Priporočljivo je dati prednost razstavljivim modelom.

Filtri za toplotno črpalko

Voda iz vodnjakov ali vodnih teles ne prihaja v čisti obliki. V njej so lahko pesek, umazanija, različni mikroelementi – železo, vodikov sulfid, mangan, klor, amoniak in drugi. Pred vstopom v toplotno črpalko mora biti voda filtrirana.

Najprej je treba odstraniti grobe snovi – kamenje, pesek, umazanijo, mulj. Za njihovo odstranitev iz vode je potrebna namestitev hidrociklona.

Hidrociklon – naprava, potrebna za grobo čiščenje vode. Izbirati ga je treba glede na moč črpalke.

Nato je pomembno namestiti filtre, ki odstranjujejo železo, vodikov sulfid, mangan, amoniak. Ti mikroelementi skrajšajo življenjsko dobo opreme in jo izpostavljajo koroziji.

Lahko uporabite filtre za reverzno osmozo, mehčalce, odstranjevalce železa in njihove modifikacije. Za zagotavljanje pitne tople vode je treba dodatno opremiti z ogljenimi filtri in UV-sterilizatorjem, ki uničuje bakterije in viruse.

Električni generator za rezervno napajanje

Toplotne črpalke delujejo iz električnega omrežja, zato bo ob izpadu električnega napajanja hiša ostala brez ogrevanja. Smiselno je dodatno kupiti električni generator, ki deluje na gorljive snovi.

Pomembno je, da lahko električni generator proizvaja potrebno moč za delovanje kompresorja črpalke.

Posebnosti obratovanja takšne toplotne črpalke

Enkrat letno je treba opraviti samostojen vizualni pregled sestavnih delov črpalke, upoštevati priporočila za vzdrževanje – pravočasno mazati dele, spremljati pravilnost delovanja naprave pri črpanju vode.

Nekatere vrste opreme potrebujejo redne preglede (običajno 1-2 krat na leto) pri strokovnjakih servisnega centra. Med pregledom se ugotavlja:

• puščanje strojnega olja skozi razpoke v tokokrogu;
• kakovost pritrditev in povezav;
• raven tlaka v rezervoarjih in tokokrogih;
• napake v delovanju električne napeljave.

Montažo toplotne črpalke voda-voda je treba prepustiti usposobljenim strokovnjakom. Neučinkovitost sistema je najpogosteje povezana z nepravilno namestitvijo. Toplotna oprema je primerna za uporabo tako za prebivalce južnih regij kot severnih.

Zaključki in koristen video na to temo

Video vas bo seznanil z načelom delovanja in značilnostmi naprave:

Kot zaključek lahko ugotovimo, da je toplotna črpalka voda-voda učinkovita in okolju prijazna naprava, namenjena ogrevanju hiš do 150 kvadratnih metrov. Za večje prostore pa so lahko potrebne precej zahtevne inženirske raziskave.

Če imate vprašanja med seznanjanjem z informacijami, jih postavite v spodnjem okvirju. Pričakujemo vaše komentarje, vprašanja na to temo, zgodbe in fotografije o lastnoročni izgradnji male hidroelektrarne. Zanima nas vaše mnenje.