Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

За последние годы технология производства тепловых насосов значительно усовершенствовалась. Первые варианты могли лишь частично удовлетворить потребности в тепловой энергии. Современные разновидности более эффективны и могут применяться для систем отопления. Именно поэтому смонтировать тепловой насос своими руками пытаются многие домовладельцы.

Содержание статьи:

• Функциональные особенности и критерии классификации
  • Основные элементы конструкции тепловых насосов
  • Терморегулирующая арматура теплового насоса
• Выбор типа теплового насоса
• Оценка эффективности тепловых насосов
  • Самостоятельная сборка теплового насоса
• Видео о самодельных тепловых насосах

Функциональные особенности и критерии классификации

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1? и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника — воздух, вода, земля.

Тепловые насосы «черпают» энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщиков энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием , по которым классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре. Так различают следующие виды тепловых насосов:

• Воздух — вода.
• Грунт — вода.
• Вода — воздух.
• Вода — вода.
• Грунт — воздух.
• Вода — вода.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода — вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Тепловые насосы по конструктивному типу являются парокомпрессионными установками. Они извлекают тепло из природных источников, обрабатывают и транспортируют его к потребителям (+)

Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии. Это — грунт, вода и воздушная среду. Самый простой из этих вариантов — воздушный тепловой насос. Популярность таких систем связана с их довольно не сложной конструкцией и простотой монтажа.

Однако несмотря на такую популярность, эти разновидности имеют довольно низкую производительность. К тому же КПД нестабилен и зависим сезонных колебаний температурного режима. С понижением температуры их производительность значительно падает. Такие варианты тепловых насосов можно рассматривать как дополнение к имеющемуся основному источнику тепловой энергии.

Варианты оборудования, использующие тепло грунта, считаются более эффективными. Грунт получает и аккумулирует тепловую энергию не только от Солнца, он постоянно подогревается за счет энергии земного ядра. То есть, грунт является своеобразным тепловым аккумулятором, мощность которого, практически, не ограничена. Причем, температура грунта, особенно на некоторой глубине, постоянна и колеблется в незначительных пределах.

Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида климатического оборудования. Аналогичными характеристиками обладают системы, в которых водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллектор таких насосов располагают либо в скважине, где он оказывается в водоносном слое, либо в водоеме.

Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7? до + 12? С. Такой температуры вполне достаточно для того, чтобы обеспечить эффективную работу системы.

Наиболее эффективными считаются тепловые насосы, извлекающие тепловую энергию из источников со стабильными температурными показателями, т.е. из воды и грунта

Основные элементы конструкции тепловых насосов

Для того, чтобы установка получения энергии работала согласно принципам работы теплового насоса, в его конструкции должны присутствовать 4 основных агрегата, это:

• Компрессор.
• Испаритель.
• Конденсатор.
• Дроссельный клапан.

Важным элементом конструкции теплового насоса является компрессор. Его основная функция — повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. Для климатической техники, и тепловых насосов, в частности, применяются современные спиральные компрессоры.

В качестве рабочего тела, осуществляющего непосредственный перенос тепловой энергии, используются жидкости с низкой температурой кипения. Как правило, используется аммиак и фреоны (+)

Такие компрессоры рассчитаны на эксплуатацию при минусовых температурах. В отличие от других разновидностей спиральные компрессоры производят мало шума и работают, как при низких температурах кипения газа, так и при высоких температурах конденсации. Несомненным преимуществом считаются их компактные размеры и небольшой удельный вес.

Практически вся энергия теплового насоса затрачивается на транспортировку тепловой энергии извне внутрь помещения. Так на работу систем уходит около 1 энергетической единицы при производстве 4 — 6 единиц (+)

Испаритель, как конструктивный элемент, представляет собой емкость, в которой происходит превращение в пар жидкого хладагента. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель. В нем хладагент разогревается и превращается в пар. Образующийся пар, под низким давлением, направляется в сторону компрессора.

В компрессоре пары хладагента подвергаются действию давления и их температура возрастает. Компрессор перекачивает под большим давлением разогретый пар в сторону конденсатора.

Компрессор сжимает циркулирующую по контуру среду, в результате чего увеличивается ее температура и давление. Затем сжатая среда поступает в теплообменник (конденсатор), где охлаждается, передавая тепло воде либо воздуху

Следующий конструктивный элемент системы — конденсатор. Его функция сводится к отдаче тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы. Серийные образцы, изготавливаемые промышленными предприятиями, оснащаются пластинчатыми теплообменниками. Основным материалом для таких конденсаторов служит легированная сталь или медь.

Для самостоятельного изготовления теплообменника подойдет медная трубка диаметром полдюйма. Толщина стенок труб, используемых для изготовления теплообменника, должна быть не менее 1 мм

Терморегулирующая арматура теплового насоса

Терморегулирующий, или иначе дроссельный, клапан устанавливается в начале той части гидравлического контура, где циркулирующая среда высокого давления преобразуется в среду с низким давлением. Точнее дроссель в паре с компрессором делят контур теплового насоса на две части: одну с высокими параметрами давления, другую — с низкими.

При прохождении через расширительный дроссельный вентиль циркулирующая по замкнутому контуру жидкость частично испаряется, вследствие чего давление вместе с температурой падают. Затем поступает в теплообменник, сообщающийся с окружающей средой. Там захватывает энергию среды и переносит ее обратно в систему.

С помощью дроссельного клапана происходит регулирование потока хладагента в сторону испарителя. При выборе клапана нужно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим параметрам.

При прохождении через теплорегулирующий клапан жидкий теплоноситель частично испаряется, а температура потока понижается (+)

Выбор типа теплового насоса

Основным показателем этой системы обогрева является мощность. От мощности в первую очередь будут зависеть и финансовые затраты на покупку оборудования и выбор того либо иного источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность тепловой насосной системы, тем больше стоимость комплектующих элементов.

В первую очередь имеется в виду мощность компрессора, глубина скважин для геотермических зондов, либо площадь для размещения горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты являются своеобразной гарантией того, что система будет эффективно работать.

При наличии рядом с личным участком водоема наиболее рентабельным и производительным выбором станет тепловой насос вода-вода

Для начала следует изучить участок, который планируется для монтажа насоса. Идеальным условием будет наличие на этом участке водоема. Использование варианта типа вода-вода значительно сократит объем земляных работ. Использование тепла Земли, напротив, предполагает большое количество работ, связанных с выемкой грунта. Системы, которые в качестве низкопотенциального тепла используют водную среду, считаются наиболее эффективными.

Устройство теплового насоса, извлекающего тепловую энергию из грунта, предполагает проведение внушительного количества земляных работ. Закладывается коллектор ниже уровня сезонного промерзания

Использовать тепловую энергию грунта можно двумя способами. Первый предполагает бурение скважин диаметром. Глубина таких скважин, в зависимости от параметров системы, может достигать 100 м и более. В эти скважины помещают специальные зонды. При втором способе используется коллектор из труб. Такой коллектор размещается под землей в горизонтальной плоскости. Для этого варианта необходимо достаточно большая площадь.

Для укладки коллектора идеальными считаются участки с влажным грунтом. Естественно, бурение скважин обойдется дороже, нежели горизонтальное расположение коллектора. Однако, не на каждом участке есть свободные площади. На один кВт мощности теплового насоса нужно от 30 до 50м? площади.

Сооружение для забора тепловой энергии одной глубокой скважиной может оказаться немногим дешевле рытья котлована. Но веский плюс в существенной экономии места, что важно для владельцев небольших участков

В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах. Отбор тепловой энергии в таких системах путем перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, части которого расположены в скважинах. Такая система нуждается в установке фильтра и периодической чистке теплообменника.

Самая простая и дешевая схема теплового насоса основана на извлечении тепловой энергии из воздуха. Некогда она стала базой для устройства холодильников, позже согласно ее принципам разработаны были кондиционеры.

Самая простая тепловая насосная система получает энергию из воздушной массы. Летом она участвует в отоплении, зимой в кондиционировании. Минус системы в том, что в самостоятельном исполнении агрегат с недостаточной мощностью

Оценка эффективности тепловых насосов

Эффективность различных типов данного оборудования не одинакова. Наименьшими показателями обладают насосы, использующие воздушную среду. К тому же, эти показатели напрямую зависят от погодных условий.

Грунтовые разновидности тепловых насосов имеют стабильные показатели. Коэффициент эффективности данных систем варьируется в пределах 2,8 -3,3. Наибольшей эффективность обладают системы вода-вода. Это связано, в первую очередь, со стабильностью температуры источника.

Надо заметить, что чем глубже расположен в водоеме коллектор насоса, тем стабильнее будет температура . Для получения мощности системы в 10КВт, необходимо около 300 метров трубопровода.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы теплового насоса, считается его коэффициент преобразования. Чем выше коэффициент преобразования, тем эффективнее считается тепловой насос.

Коэффициент преобразования теплового насоса выражается через отношение показателей теплового потока и электрической мощности, затраченной на работу компрессора

Самостоятельная сборка теплового насоса

Зная схему действия и устройство теплового насоса, собрать и смонтировать самостоятельно подобную систему вполне возможно. Перед началом работ необходимо рассчитать все основные параметры будущей системы. Для расчета параметров будущего насоса можно воспользоваться программным обеспечением , предназначенным для оптимизации систем охлаждения.

Наиболее простым в сооружении вариантом является система воздух-вода. Она не требует сложных работ по устройству внешнего контура, который присущ водным и грунтовым разновидностям тепловых насосов. Для монтажа понадобятся лишь два канала, по одному из которых будет подаваться воздух, по второму отводиться отработанный.

Проще всего своими руками устроить тепловой насос с забором тепла из воздушной массы. Установленный на улице вентилятор нагнетает воздух к испарителю

Кроме вентилятора необходимо обзавестись компрессором нужной мощности. Для такого агрегата вполне подойдет компрессор, которым оснащаются обычные сплит-системы. Не обязательно покупать новый агрегат. Можно снять его со старого оборудования. Желательно применять спиральную разновидность. Эти варианты компрессоров, помимо того что обладают достаточной эффективностью, создают высокое давление, обеспечивающее повышение температуры.

Для устройства конденсатора понадобится емкость и медная труба. Из трубы делается змеевик. Для его изготовления используется любое цилиндрическое тело нужного диаметра. Намотав на него медную трубу можно легко и быстро изготовить этот элемент конструкции.

Готовый змеевик монтируется в предварительно разрезанную пополам емкость. Для изготовления емкости лучше использовать материалы, стойкие к коррозионным процессам. После помещения в него змеевика, половинки бака свариваются.

Площадь змеевика рассчитывается по следующей формуле МТ/0,8 РТ. Где:

• МТ — мощность тепловой энергии, которая выдает система.
• 0,8 — коэффициент теплопроводности при взаимодействии воды с материалом змеевика.
• РТ — разница температур воды на входе и на выходе.

Выбирая медную трубу для самостоятельного изготовления змеевика, нужно обратить внимание на толщину стенок. Она должна быть не менее 1 мм. В противном случае, при намотке труба будет деформироваться. Трубу, по которой осуществляется вход хладагента, располагают в верхней части емкости.

Теплообменник из медной трубки изготавливается путем навивание медной трубки на цилиндрической формы предмет. Чем больше площадь поверхности змеевика, тем выше производительность насоса

Испаритель теплового насоса можно выполнить в двух вариантах — в виде емкости с находящимся в ней змеевиком и в виде трубы в трубе. Поскольку, температура жидкости в испарителе небольшая, емкость можно выполнить из пластиковой бочки. В эту емкость помещается контур, который выполняется из медной трубы.

В отличие от конденсатора, спираль змеевика испарителя должна соответствовать диаметру и высоте выбранной емкости. Второй вариант испарителя: труба в трубе. В таком варианте трубка с хладагентом размещается в пластиковой трубе большего диаметра, по которой циркулирует вода. Длинна такой трубы зависит от планируемой мощности насоса. Она может быть от 25 до 40 метров. Такую трубу сворачивают в спираль.

Терморегулирующий клапан относится к запорно-регулирующей трубопроводной арматуре. В качестве запорного элемента в ТРВ используется игла. Положение запорного элемента клапана обуславливается температурой в испарителе. Это важный элемент системы имеет довольно сложную конструкцию. В ее состав входят:

• Термоэлемент.
• Диафрагма.
• Капиллярная трубка.
• Термобаллон.

Эти элементы могут придти в негодность при высокой температуре. Поэтому, во время работ по пайке системы клапан следует изолировать при помощи асбестовой ткани. Регулирующий клапан должен соответствовать производительности испарителя.

После проведения работ по изготовлению основных конструкционных частей наступает ответственный момент сборки всей конструкции в единый блок. Наиболее ответственным моментом является процесс закачки хладагента или теплоносителя в систему. Самостоятельное проведение подобной операции вряд ли по силам простому обывателю. Тут придется обратиться к профессионалам, которые занимаются ремонтом и обслуживанием климатического оборудования.

Квалифицированные специалисты, как правило, имеют необходимое оборудование. Помимо заправки хладагента они могут протестировать работу системы. Самостоятельная закачка хладагента может привести не только к поломке конструкции, но и к тяжелым травмам. Кроме того для запуска системы так же необходимо специальное оборудование.

При запуске системы происходит пиковая пусковая нагрузка, составляющая 40 А. Поэтому, запуск системы без пускового реле невозможен. После первого пуска, как правило, необходима регулировка клапана и давления хладагента.

К выбору хладагента стоит отнестись со всей серьезностью. Ведь именно это вещество, по сути, считается основным «переносчиком» полезной тепловой энергии. Из существующих современных хладагентов наибольшей популярностью пользуются фреоны. Это производные углеводородных соединений, в которых часть атомов углерода замещается на другие элементы.

В результате сборки отдельных элементов теплового насоса должен получиться замкнутый контур, по которому циркулирует рабочая среда

В результате проведения этих работ получилась система с замкнутым контуром. В нем будет циркулировать хладагент, обеспечивая отбор и перенос тепловой энергии от испарителя к конденсатору. При подключении тепловых насосов к системе теплоснабжения дома следует учитывать, что температура воды на выходе из конденсатора не превышает 50 — 60 градусов.

В связи небольшой температурой тепловой энергии, вырабатываемой тепловым насосом, в качестве потребителя тепла нужно выбирать специализированные приборы отопления. Это может быть теплый пол или же объемные низкоинерционные радиаторы из алюминия или стали с большой площадью излучения. Самодельные варианты тепловых насосов наиболее уместно рассматривать в качестве вспомогательного оборудования, которое поддерживает и дополняет работу основного источника.

С каждым годом конструкции тепловых насосов совершенствуются. В промышленных образцах, предназначенных для бытового использования, используются более эффективные теплопередающие поверхности. Таким образом, производительность систем постоянно растет.

Немаловажным фактором, который стимулирует развитие подобной технологии производства тепловой энергии, является экологическая составляющая. Подобные системы, помимо того, что являются довольно эффективными, не загрязняют окружающую среду. Отсутствие открытого пламени делают его работу абсолютно безопасной.

Видео о самодельных тепловых насосах

Как сделать простейший самодельный тепловой насос с теплообменником из РЕХ трубы:

Испытание и проверка работы самодельного теплового насос:

В качестве альтернативных систем отопления довольно давно используются тепловые насосы. Эти системы обладают надежностью, длительным сроком службы и, что немаловажно, безвредны для окружающей среды. Они всерьез начинают рассматриваться, как очередной шаг на пути развития эффективных и безопасных систем отопления