Varmepumpe “vand-til-vand”: konstruktion, funktionsprincip, regler for installation af opvarmning baseret herpå

Til opvarmning og varmtvandsforsyning af private huse er det hensigtsmæssigt at bruge en vand-til-vand varmepumpe, der arbejder med naturlige kilder – grundvand, floder, vandreservoirer osv. Systemet er absolut miljøvenligt, kræver ingen regelmæssige udgifter til forbrugsmaterialer og bliver derfor mere og mere efterspurgt.

Vi fortæller om mulighederne for at opsætte en varmepumpe, der bruger øko-energi fra vand til at overføre den til husholdningers varmesystemer. For nysgerrige gør-det-selv-mestre har vi beskrevet funktionsprincipperne for populære enhedsvariants og konstruktionsteknologien. Hos os får du at vide, hvilket udstyr der kræves til systemets drift.

Funktionsprincip for vand-til-vand varmepumpe

Varmepumpen legemliggør princippet i Carnot-cyklussen. Det indebærer, at et stof, der bevæger sig i et lukket system og ændrer sin aggregeringstilstand fra flydende til gasformig under påvirkning af kemiske, fysiske eller termiske faktorer, frigiver og absorberer store mængder varmeenergi.

Arbejdsstoffet er en varmebærer – vand fra boring eller vandreservoir.

Selv om vinteren holder naturlige kilder en positiv temperatur i en vis dybde, så varmeenergien kan udvindes året rundt. Den eneste ulempe ved installationen er det høje elforbrug og behovet for at købe ekstraudstyr.

Diagrammet viser cirkulationsbanen for vand og kølemiddel. Systemet gør det muligt at opnå varmeenergi uanset årstid.

Hovedelementer i en vand-til-vand varmepumpe:

• kompressor;
• fordamper;
• kondensator;
• ekspansionsinduktionsventil;
• automatisk system til overvågning af parametre;
• flere hovedledninger af kobberrør;
• arbejdsmiddel (kølemiddel).

Ved hjælp af en specialpumpe strømmer vandet gennem rør fra kilden til varmeinstallationen, hvorefter det interagerer med gas (freon), som koger ved en temperatur på +2-3 grader. Freon absorberer en del af vandets varme og suges ind af kompressoren, hvor temperaturen stiger under kompressionen.

Udstyret til varmepumpen fylder en del, men giver mulighed for at slippe af med afhængigheden af forsyningsselskaber.

Derefter går kølemidlet ind i kondensatoren, hvorefter det varme stof opvarmer vandet til den ønskede temperatur (fra +40 til +80 grader), som transporteres gennem varmesystemets rør.

Det afkølede vand går ind i fordamperen, og derefter tømmes det i modtagebrønden. Efter at have passeret kondensatoren bliver kølemidlet flydende og samler sig i bunden af elementet, og derefter vender det tilbage til udgangspunktet gennem en drosleventil. Derefter gentages cyklussen.

Hvad skal man se efter ved etablering af sådan opvarmning?

Der findes et stort antal forskellige modifikationer af varmepumper, designet til rum af enhver art og størrelse, samt som fungerer under forskellige forhold. Udstyret er beregnet til opvarmning af huse med et samlet areal på 50 til 150 kvadratmeter.

Retningslinje #1 – vandhårdhed

Kvaliteten af vandet fra brønden eller vandområdet spiller en vigtig rolle ved valg af udstyr. Ikke alle modeller er i stand til at arbejde med hårdt vand, der indeholder store mængder mangan og jern.

Høj koncentration af disse elementer skader systemet – korrosion dannes hurtigere på rørene, hvilket fører til nedsat effektivitet og levetid for udstyret.

Derfor tager man før køb af en varmepumpe en vandprøve og analyserer den for tilstedeværelsen af disse og andre mikroelementer – svovlbrinte, ammoniak, klor osv. Normalt, hvis temperaturen i dammen overstiger +13 grader, er der stor sandsynlighed for, at vandet indeholder mange jern- og manganioner.

Således vælges en vand-til-vand varmepumpe med hensyn til vandets hårdhed. Der er systemer, hvor komponenterne er maksimalt beskyttet mod korrosion, men de er dyrere.

Retningslinje #2 – driftstilstand

En varmepumpe kan bruges som eneste varmekilde eller interagere med andre systemer. Derfor er det vigtigt før valg af model at bestemme, i hvilken driftstilstand enheden skal arbejde.

Der findes i alt to funktionstyper for systemet:

• Monovalent. Apparaterne har stor effekt og er velegnede til opvarmning af huset.
• Bivalent. Mindre effektive enheder supplerer det primære varmeudstyr.

Til opbygning af et autonomt system med en primær vand-til-vand varmeenhed er en monovalent type nødvendig.

Retningslinje #3 – pumpekapacitet

Effekt er en vigtig parameter ved valg af varmepumpe, da systemets ydeevne afhænger af den. Jo højere effekt, jo højere virkningsgrad, men også højere elforbrug.

Ydeevnen for en vand-til-vand varmepumpe vælges ud fra de faktiske behov

Hvis man vælger en enhed med utilstrækkelig effekt, vil systemets effektivitet falde, hvis husets varmetab overstiger den energi, systemet afgiver. Varmepumpen kan køre døgnet rundt, men der vil ikke være effekt på grund af fald i vandtemperaturen.

Når bygningens varmetab er lavere end systemets varmeafgivelse, starter pumpen normalt automatisk i nogle minutter, opvarmer vandet til den indstillede temperatur og transporterer det rundt i systemet. Derefter slukker den, indtil temperaturen falder et par grader. Derefter gentages cyklussen.

Retningslinje #4 – specifikke modelfunktioner

Varmepumper kan have yderligere funktioner, såsom:

• Et automatisk styringssystem, der gør det muligt at regulere rummets mikroklima efter ønske. Styringen foregår normalt via en fjernbetjening.
• Funktion til opvarmning af vand til varmt brugsvand.
• Lydisoleret kabinet.
• Mulighed for tilslutning til andre varmesystemer, solfangere, hvilket gør varmeudstyret fuldstændig autonomt.

Levetiden for vand-til-vand varmepumper er normalt over 30 år.

Mindst lige så vigtigt ved valg af udstyr anses omkostningerne til installation og montering.

Beregning af nødvendig varmepumpekapacitet

Før køb af systemet er det vigtigt på forhånd at udarbejde et projekt og beregne den nødvendige effekt af udstyret. Ydeevnen beregnes under hensyntagen til de faktiske behov for varmeenergi. Der tages hensyn til varmeforbrug, husets varmetab og tilstedeværelsen eller fraværet af et brugsvand.

Beregningsalgoritme:

1. Beregn det samlede areal af opvarmede rum.
2. Vi bestemmer den nødvendige mængde energi til opvarmning. Den optimale værdi per kvadratmeter er 0,07 kW.
3. For at opvarme et hus på N kvadratmeter kræves N*0,07 kW.
4. For Varmt brugsvand tilføjer man yderligere 15-20% til det opnåede tal, dvs. N*0,07*0,85 eller N*0,07*0,80.

Denne beregning er optimal for rum med lofter, der ikke overstiger 2,7 m. Mere præcise beregninger foretages af specialister under udarbejdelsen af projektet.

Forberedende arbejde før drift

Forberedelse til montering, tilslutning og idriftsættelse af en vand-til-vand varmepumpe omfatter en række standardtrin, som vi vil gennemgå nedenfor.

Valg af optimal vandkilde

Det skal bemærkes, at ikke enhver åben kilde eller vandboring er egnet til uafbrudt drift af en varmepumpe. Vandkvaliteten spiller en vigtig rolle, men filtre kan hjælpe med at løse problemet med forurening.

Det er tilladt at bruge en sø eller dam, der ligger inden for 100 meter fra bygningen. Hvis en sådan kilde ikke findes, opstår behovet for at bore brønde.

Valget af kilde til varmepumpen bør baseres på enkelhed og brugsomkostninger. Hvis der ligger en åben vandkilde tæt på, er det mest fornuftigt at bruge den.

En åben kildes adfærd er mere forudsigelig end grundvand, så hvis muligt, bør man foretrække vandområder.

Installation af varmesystem ved brug af boring

Til installation af systemet med varmepumpe kræves to boringer. Den ene boring kaldes sædvanligvis for produktionsboringen. I denne nedsænkes en speciel pumpe, der anvendes til at opsamle vand til efterfølgende behandling i systemet. Den anden boring er modtagerboringen. I den hældes det afkølede vand.

Afløbs- og tilførselsboringer skal være placeret mindst 15 meter fra hinanden

Dybden på produktionsboringen må ikke overstige 50 meter. Jo dybere vandkilden befinder sig, jo kraftigere pumpe kræves der for at pumpe vandet op, hvilket øger energiforbruget.

Opsætning af produktionsboring

Før idriftsættelse af produktionsboringen er det vigtigt at vide, hvor meget vand den kan levere, og hvor meget væske der er nødvendig for at opvarme hele rummet. Jo højere vandtemperaturen er, jo mindre vand kræves der til opvarmning.

Det er vigtigt på forhånd at beregne volumen V, som skal pumpes op fra boringen i løbet af en time for at opvarme rummet. Antag, at der er en pumpe, hvis varmeydelse er lig med et tal Q kW, og det forbrugte effekt er tallet P kW. Det er også nødvendigt at kende grundvandets temperatur (t1) og dets temperatur efter varmeveksling (t2).

Formlen til beregning af det nødvendige vandvolumen i timen ser således ud:

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

Det er analytisk umuligt at bestemme produktionsboringens evne til at levere den nødvendige vandmængde, derfor foretages en test. I 3 dage pumper pumpen uafbrudt vand fra boringen. På denne måde kontrolleres også modtagerboringens evne til at modtage den nødvendige vandmængde under høj belastning.

Det er vigtigt at forstå, at grundvandet opfører sig uforudsigeligt, så vandmængden fra produktionsboringen kan med tiden blive mindre. For eksempel om foråret observeres højvande, og om vinteren aftager vandet. Hvis der ikke er nok vand i boringen, slukker systemet automatisk, og opvarmningen finder ikke sted.

Funktioner for modtageboring

Modtagerrørbrønden placeres nedstrøms i grundvandets strømningsretning. Det er analytisk umuligt at bestemme, i hvilken retning vandet bevæger sig. Derfor vælges i praksis en tilfældig boring som produktionsboring, og der installeres en nedsænkningspumpe i den.

Hvis vandstanden under systemets drift ikke falder, er valget korrekt. Hvis vandstanden falder, og vandtemperaturen falder, skal boringerne byttes om – flyt nedsænkningspumpen til et andet hul.

Du skal sænke afløbsrøret i modtagebrønden et par centimeter ned i vandet, uden at nå bunden. Hvis du hælder spildvæske ned ovenfra, vil det føre til forsumpning. Rørbrønden kan stoppe med at modtage vand og blive tilstoppet.

Resultatet truer med overløb, og om vinteren med mulig isdannelse. Det bedste valg for en modtagekilde er en flod eller en dam. Hvis du ikke har sådanne objekter i nærheden, er det nødvendigt at bore en eller flere modtagebrønde for at være sikker i tilfælde af overløb.

Figuren viser et eksempel på brug af én brønd som både modtage- og produktionsbrønd

Det er umuligt at afgøre, om brønden vil modtage vand, hverken analytisk eller ved test. Praksis viser, at en drænbrønd kan absorbere vand uafbrudt i mange år, eller den kan helt svigte på én sæson.

Der findes teknologier, der gør det muligt at bruge én brønd som både produktions- og modtagebrønd, men denne metode er ikke effektiv – driften vil være forbundet med vanskeligheder, muligvis et fald i vandtemperaturen, forsumpning og en række andre problemer.

Opsætning af system ved brug af vandreservoir

Den valgte dam skal være dyb nok, så de nederste vandlag ikke fryser til under streng frost. I sydlige regioner er den optimale dybde cirka 1 meter, i nordlige regioner kræves en kilde med en dybde på mindst 3 meter. Dammen skal også være stabil – svingninger i vandstanden eller et fald i vandmængden er uacceptabelt.

Der føres to rørledninger til vandområdet – en produktionsledning og en modtageledning. I modtageledningen installeres en dykpumpe.

Det anbefales at bruge rør af HDPE, som er kendetegnet ved holdbarhed og pålidelighed. Det er vigtigt at beskytte rørene mod frost ved at isolere dem yderligere og mod brud.

Forberedelse af huset til installation af varmepumpe

Dit hus skal have et vandbaseret varmesystem bestående af rør og radiatorer for at fungere sammen med en vand-til-vand varmepumpe. For bedre isolering kan du også installere varmerør i gulv og vægge.

Hvis udstyret skal bruges til at levere varmt vand, skal der være et system til opsamling af varmt vand i huset. For at pumpen kan fungere, kræves en tilslutning til elnettet med ubegrænset strømforsyning.

Uden yderligere tiltag til isolering af huset (udvendig isolering, installation af termoruder osv.) giver det ikke mening at drive en varmepumpe.

Specialister anbefaler yderligere at installere et tilførselsventilationssystem med en luftopvarmningsmekanisme. Freon, der anvendes i udstyret, er skadeligt for mennesker. Hvis der opstår mikrobrud i systemets kredsløb, vil gassen frigives og dermed fortrænge luften fra rummet. Kølemidlet kan forårsage forværring af lungesygdomme og kvælningsanfald hos mennesker.

Varmepumpen er tungt udstyr; dens vægt kan nå op på et ton (afhængigt af effekt og størrelse), derfor er det i nogle tilfælde nødvendigt at bygge et separat fundament, der ikke er forbundet med husets fundament.

Før installation af udstyret skal man tage højde for rummets tilladte dimensioner og overholde afstanden til væggene, som angivet i produktets datablad.

Ekstraudstyr

Valget af ekstraudstyr til varmepumpen er en ansvarlig opgave, hvis løsning i høj grad bestemmer varmesystemets samlede levetid og fraværet af driftsproblemer.

Nedsænket pumpe til brønde og vandhuller

Hvis varmepumpen i systemet bruges til at levere varmt vand, kan en enhed med lav effekt reducere trykket i hanerne. En kraftig pumpe løser dette problem, men den bruger mere energi. Den mindst tilladte effekt ved drift af varmtvandsforsyningen – 1 kW.

Der findes mange forskellige varianter af nedsænkede pumper. Valget foretages ud fra tre kriterier, nemlig:

• Mængden af væske, der anvendes til pumpning (jo mere vand der skal transporteres, desto højere skal pumpens effekt være).
• Brøndens dybde (jo dybere brønden er, desto større skal udstyrets effekt være);
• Brøndens diameter (traditionelt foretrækkes 4-tommers brønde, da der er flest pumper designet til dem, i modsætning til 3-tommers).

For at bestemme brøndens dybde skal du fastgøre en vægt til et reb og sænke det ned i brønden. Den våde del af rebet angiver brøndens fulde dybde, og den tørre del bestemmer afstanden fra vandoverfladen til jordoverfladen.

Pumpen nedsænkes i brøndskakten til den dybde, som producenten af enheden angiver. Normalt står der i databladet, hvor mange meter der skal være mellem vandspejlet og pumpen, og mellem borebund og pumpen.

Til brønde kan både universelle pumper og udstyr, der er specialdesignet til boringer, være velegnede. Hvis brønden er udviklet af professionelle, er den mindre tilbøjelig til at blive tilstoppet med sand, så man trygt kan bruge en universel pumpe.

Pumper, der er specialdesignet til boringer, koster mere, men de håndterer sand og snavs godt og bliver mindre tilstoppet. Universelle pumper er følsomme over for højt organisk indhold, de skal rengøres regelmæssigt, hvilket forkorter deres levetid.

Foretræk pumper med automatik, da de slukker selv ved motoroverophedning, for meget tilstopning eller manglende vand i boringen, så motoren ikke overophedes og går i stykker.

Efter funktionsprincip skelnes der mellem 2 typer dykpumper:

• Centrifugale.
• Vibrationspumper.

Til boringer, der udvinder vand i kalksten, foretrækkes centrifugale dybmodeller. De er følsomme over for vand med sandkorn og lersuspension.

Hvis varmepumpen skal tilsluttes et åbent vandområde, er det bedre at bruge overfladepumpeudstyr beregnet til beskidt vand eller en billig vibrationspumpe.

Mellemliggende varmeveksler til varmepumpe

I varmepumper kan kølemidlet (freon) under cirkulation ikke køle tilstrækkeligt, hvilket fører til overophedning af kompressoren på grund af for høj afgangstemperatur. Derfor er det vigtigt at forbedre kølingen af mediet og dermed sænke trykket i kredsløbene.

Der er endnu et problem, der er typisk for alle varmepumper – kølemidlet kan blandes med vanddamp. Hvis væsken kommer ind i kompressoren, kan der opstå vandslag. I så fald kræves reparation eller udskiftning af delen. Vand kan også komme i olien, og det er svært at fjerne det derfra.

Alle ovennævnte problemer løses ved installation af en mellemliggende varmeveksler. Varmevekslere findes i tre typer – åben type, rør- og kappetype og spiraltype.

Den åbne type neutraliserer væske, der er kommet ind i kølemidlet under cirkulation, hvilket minimerer risikoen for vandslag i kompressoren. Enheden har høj ydeevne med minimalt effektforbrug.

Ved installation af en varmeveksler af åben type er det vigtigt at vælge den rigtige størrelse på væskerøret for at sikre minimalt tryktab.

Veltilpassede rør vil neutralisere muligheden for væskekogning. Ventilen skal have tilstrækkelig kapacitet, så væsken kan trænge ind i enheden ved lav trykforskel.

Rør- og kappevarmeveksleren er en lukket konstruktion. Varmeudveksling sker gennem rørvæggene, og væske og kølemiddel blandes ikke, i modsætning til den åbne type, hvilket giver højt tryk til cirkulation af damp og luft.

Spiralvarmeveksleren er kendetegnet ved en flowregulator, der styrer strømmen af flydende freon. Enhedens størrelse afhænger direkte af varmepumpens effekt. Vælg produktet ud fra funktionalitet og det beløb, du har til rådighed. Det anbefales at vælge modeller, der kan skilles ad.

Filtre til varmepumpe

Vand fra boringer eller søer kommer ikke i ren form. Det kan indeholde sand, snavs, forskellige mikroelementer – jern, svovlbrinte, mangan, klor, ammoniak osv. Inden vandet kommer ind i varmepumpen, skal det filtreres.

Først og fremmest skal store stoffer fjernes – sten, sand, snavs, slam. For at fjerne dem fra vandet er det nødvendigt at installere en hydrocyklon.

Hydrocyklon – en enhed, der kræves til grov rensning af vand. Den skal vælges under hensyntagen til pumpens effekt.

Dernæst er det vigtigt at installere filtre, der fjerner jern, svovlbrinte, mangan, ammoniak. Disse mikroelementer forkorter udstyrets levetid og udsætter det for korrosion.

Man kan bruge omvendt osmose-filtre, blødgørere, jernfjernere og deres varianter. For at sikre drikkevarmt vand skal der desuden installeres kulfiltre og en UV-sterilisator, der dræber bakterier og vira.

Elgenerator til reserve strømforsyning

Varmepumper kører på elnettet, så hvis der opstår et strømsvigt, vil huset stå uden opvarmning. Det er hensigtsmæssigt også at købe en elgenerator, der kører på brændstof.

Det er vigtigt, at generatoren kan producere den nødvendige strøm til pumpens kompressor.

Funktioner ved drift af sådan varmepumpe

En gang om året skal du foretage en egen visuel inspektion af pumpens komponenter, følge vedligeholdelsesanbefalingerne – smøre delene rettidigt, overvåge at enheden fungerer korrekt ved pumpning af vand.

Nogle typer udstyr kræver regelmæssig kontrol (normalt 1-2 gange om året) af specialister fra servicecenter. Under kontrollen afslører de:

• lækage af maskinolie gennem revner i kredsløbet;
• kvaliteten af fastgørelser og samlinger;
• trykniveauet i tanke og kredsløb;
• fejl i strømledningerne.

Montering af vand-til-vand varmepumpe bør overlades til uddannede specialister. Ineffektivitet af systemet skyldes oftest forkert installation. Varmeudstyret er egnet til brug af både beboere i sydlige og nordlige regioner.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Videoen introducerer til driftsprincippet og enhedens funktioner:

Som en konklusion kan man sige, at en vand-til-vand varmepumpe anses for at være et effektivt og miljøvenligt udstyr designet til opvarmning af huse op til 150 kvadratmeter. For større rum kan der kræves ret komplekse ingeniørundersøgelser.

Hvis du har spørgsmål under gennemgangen af de præsenterede oplysninger, er du velkommen til at stille dem i blokken nedenfor. Vi ser frem til dine kommentarer, spørgsmål om emnet, historier og billeder af din egenbyggede mini-vandkraftstation. Vi er interesserede i din mening.