Технология сборки теплового насоса типа вода-вода с отбором тепла из скважины. Как самостоятельно сделать тепловой насос своими руками. Инструкция и принцип работы Система тепловых насосов своими руками

В отличие от таких устройств альтернативной энергетики, как солнечная батарея и ветрогенератор, тепловой насос менее известен. И напрасно. Наиболее распространенная схема «грунт-вода» работает стабильно и не зависит от погоды или климатических особенностей. А изготовить его можно самостоятельно.

Немного теории

Использовать природное тепло земли для обогрева жилья проще всего при наличии в регионе геотермальных вод (как это делают в Исландии). Но такие условия большая редкость.

И в то же время тепловая энергия есть везде — надо только ее извлечь и заставить работать. Для этого и служит тепловой насос. Что он делает:

отбирает энергию у низкотемпературных природных источников;
аккумулирует ее, то есть поднимает температуру до высоких значений;
отдает ее теплоносителю системы отопления .

В принципе, используется стандартная схема компрессорного холодильника, но «наоборот». В первом контуре циркулирует природный теплоноситель. Он замкнут на теплообменник, выполняющий функцию испарителя для второго контура.

1 — земля; 2 — циркуляция рассола; 3 — циркуляционный насос; 4 — испаритель; 5 — компрессор; 6 — конденсатор; 7 — система отопления; 8 — хладагент; 9 — дроссель

Второй контур — это и есть сам тепловой насос, внутри которого находится фреон. Цикл теплового насоса состоит из следующих этапов:

В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
В газообразном состоянии фреон поступает в компрессор и сжимается до 25 атмосфер, при этом его температура растет (чем больше сжатие, тем выше температура). Это и есть фаза аккумуляции тепла — из большого объема с низкой температурой переход в малый объем с высокой температурой.
Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
После охлаждения фреон попадает в дроссель (он же регулятор потока или терморегулирующий вентиль). В нем давление падает, фреон конденсируется и в виде жидкости возвращается в испаритель.

Где лучше «отбирать» тепло

Принципиально есть три среды, из которых можно «отобрать» тепло:

1. Воздух. При нормальном давлении все типы фреонов закипают при отрицательных температурах (например, R22 — около -25 °C, R404 и R502 — около -30 °C). Но для циркуляции в системе надо создать избыточное давление уже на первой фазе — испарении. Те же 4 атмосферы в испарителе требуют, чтобы температура воздуха на улице была не ниже 0 °C для R22 и -5 °C для R404 и R502. В наших регионах этот тип теплового насоса можно использовать для отопления в межсезонье и для горячего водоснабжения в теплое время года.

2. Вода. Это более стабильный источник тепла, при условии, что водоем зимой не промерзает до дна. Но дом должен не просто находиться рядом с озером или рекой, а быть на первой линии.

3. Земля. Самый стабильный источник тепловой энергии. Можно использовать две схемы — горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная кажется проще тем, что не требует бурения. Но придется проделать большой объем земляных работ по рытью системы траншей на глубину ниже уровня промерзания грунта (для средних широт он колеблется от 1 метра на западе европейской части страны и до 1,6-1,8 ближе к Уралу, в Сибири ситуация «еще хуже». Вертикальная схема более универсальна и эффективна, но требует бурения на значительную глубину. Хотя можно использовать несколько неглубоких скважин вместо одной глубокой.

Принципиальная схема

Сама схема теплового насоса несложная: испаритель — компрессор — конденсатор — дроссель — испаритель.

«Сердце» схемы — это компрессор. Можно купить новый, но дешевле подыскать б/у. Естественно, речь идет не о маломощных компрессорах бытовых холодильников, а о моделях, устанавливаемых в сплит-системах. Ориентироваться надо не на потребляемую мощность, а на мощность в режиме обогрева (которая выше чем в режиме охлаждения на 5-20%).

Выбирают модель компрессора по соотношению 1 кВт на 10 кв. метров отапливаемой площади.

Внимание! Может указываться мощность не только в кВт, но и в BTU (английская единица измерения тепловой энергии, принятая для климатической техники). Пересчет сделать просто — значение в BTU разделить на 3,4.

При расчете параметров теплонасоса, в том числе теплообменников, используют программное обеспечение, предназначенное для моделирования, расчетов и оптимизации систем охлаждения, например, CoolPack

Уже на стадии расчетов (а точнее, при задании «вводных») можно оптимизировать систему, выбрав оптимальные тепловые режимы.

Использование теплового насоса эффективно для низкотемпературных систем отопления, например, для теплых полов с температурой не выше 35-40 °C. Кстати, эта же температура рекомендована по медицинским требованиям для системы ГВС.

Для каждого типа фреона есть оптимальные температуры «входа» и «выхода», точнее, кипения и конденсации, но разница у всех них не более 45-50 °C.

Казалось бы, увеличение температуры на выходе теплового насоса даст положительный эффект, но это не так. Будет расти и разница температур, что приведет к снижению COP (коэффициента преобразования, или КПД тепловой машины). Кроме того, для этого потребуется использование более мощного компрессора и дополнительный расход электроэнергии.

Идеального COP достичь не получится (потери в компрессоре, расход электроэнергии, потери тепла при транспортировке внутри системы и т. п.), поэтому реальные значения обычно лежат в пределах от 3 до 5.

Есть еще один способ повышения эффективности — использование бивалентной схемы отопления.

В реальности работа системы отопления в полную мощность нужна лишь на протяжении 15-20% всего сезона. На это время можно использовать дополнительные отопительные устройства (например, керамический обогреватель или конвектор). Уменьшение расчетной тепловой мощности до 80% позволит сэкономить на компрессоре, уменьшить глубину скважины или длину труб горизонтальной схемы, снизить расход электроэнергии на обслуживание самого теплового насоса.

От заданной номинальной мощности теплового насоса и COP зависит расчет горизонтального или вертикального грунтового теплообменника. В среднем с каждого метра «горизонта» снимают 20 Вт (при шаге укладки труб не менее 0,7 м), а с «вертикали» — 50 Вт. Но конкретные значения зависят от вида породы и ее влажности. Лучшие значения у грунтовых вод.

Интересно! Есть и другие грунтовые теплообменники — «спираль» или «корзина». По сути, это вертикальный зонд из трубы в виде спирали, что позволяет снизить глубину бурения.

После определения длины горизонтального контура или глубины вертикального зонда рассчитывают размеры испарителя и конденсатора.

Изготовление испарителя и конденсатора

Можно купить уже готовые теплообменники как для испарителя (под низкое давление), так и для конденсатора (с давлением до 25 бар). Но дешевле их изготовить из медной трубки для кондиционеров (которая предназначена именно для работы с хладагентами при высоком давлении) и подручных емкостей.

Важно! Сантехническая медная труба не такая «чистая» и гибкая. Ее хуже паять и вальцевать при монтаже.

Рассчитывают площадь поверхности теплообменника, которая прямо пропорциональна мощности тепловыделения и обратно пропорциональна разнице температур теплоносителей на входе и выходе каждого подключаемого контура (грунтового и системы отопления).

Зная диаметр трубы и площадь поверхности, определяют длину каждого змеевика для испарителя и конденсатора.

Емкость для конденсатора лучше сделать из нержавейки (температура входящих паров фреона может быть довольно высокая):

взять готовый бак подходящей емкости (чтобы поместилась спираль из медной трубки);
разместить в нем змеевик (вход вверху, выход внизу);
вывести концы медной трубки для подключения к компрессору и ТРВ (пайкой или фланцем);
сделать в баке врезку переходников для подключения труб системы отопления;
заварить крышку.

Испаритель работает на более низких температурах, поэтому для него можно взять более дешевую пластиковую емкость, в которую врезают переходники для подключения к грунтовому контуру. Он также отличается от конденсатора расположением змеевика теплообменника — вход (жидкая фаза фреона от ТРВ) снизу, выход на компрессор сверху.

Монтаж схемы

После изготовления теплообменников производят сборку газогидравлической схемы:

устанавливают по месту компрессор, конденсатор и испаритель;
паяют или соединяют на фланец медные трубы;
подключают испаритель к насосу грунтового контура;
подключают конденсатор к системе отопления.

1 — циркуляционный насос грунтового контура; 2 — испаритель; 3 — выход грунтового контура; 4 — терморегулирующий вентиль; 5 — компрессор; 6 — к системе отопления; 7 — конденсатор; 8 — обратка системы отопления

Электрическая схема (компрессор, насос грунтового контура, аварийная автоматика) должна подключаться по выделенной цепи, которая обязана выдерживать довольно высокие пусковые токи.

Обязательно использовать автомат защиты, а также аварийное отключение от реле температуры: на выходе воды из конденсатора (при перегреве) и выходе рассола из испарителя (при переохлаждении).

Первые варианты теплонасосов 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.

Мы расскажем, как выбрать оптимальный вариант теплового насоса с учетом гео-данных участка, на котором его планируется установить. В предложенной к рассмотрению статье подробно описан принцип действия систем использования “зеленой энергии”, перечислены отличия. С учетом наших советов вы, без сомнения, остановитесь на эффективном типе.

Для самостоятельных мастеров мы приводим технологию сборки теплового насоса. Представленную к рассмотрению информацию дополняют наглядные схемы, подборки фото и развернутый видео-инструктаж в двух частях.

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 +1º 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 поставщика 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, согласно которому 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.
Земля – вода.
Вода – воздух.
Вода – вода.
Земля – воздух.
Вода – вода
Воздух – воздух.

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 . Это – грунт, вода и воздушная среда. Самый простой из этих вариантов – . Популярность таких систем связана с их довольно несложной конструкцией и простотой монтажа.

Галерея изображений

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, использующего , 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.

Сфера применения энергии, вырабатываемой тепловыми насосами:

Галерея изображений

Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида энергетического 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 +7º до + 12º 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

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 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 100-168 мм. 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 50м² площади.

Сооружение для забора тепловой энергии одной глубокой скважиной может оказаться немногим дешевле рытья котлована. Но веский плюс заключается 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

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

Сборка теплового насоса своими силами

Зная схему действия и устройство теплового насоса, собрать и смонтировать самостоятельно 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 . 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 отработанная масса.

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 . Необязательно покупать новый агрегат.

Можно снять его со старого оборудования или использовать . Желательно применять спиральную разновидность. Эти варианты компрессоров помимо обладания 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,

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 предмет с цилиндрической формой. 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.

Длина 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 прийти 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 этапом является 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.

У работников этой сферы, как правило, имеется 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, как правило, около 40 А. Поэтому запуск системы без пускового реле невозможен. После первого пуска 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 низко-инерционные 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. В результате 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 делает его работу абсолютно безопасной.

Выводы и полезное видео по теме

Видео #1. Как сделать простейший самодельный тепловой насос с теплообменником из РЕХ трубы:

Видео #2. Продолжение инструктажа:

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.

Хотите задать вопрос или рассказать об интересном способе сооружения теплового насоса, не упомянутом в статье? Пишите, пожалуйста комментарии в расположенном ниже блоке.

Хозяева загородных домов всегда трепетно относились к вопросу горячего водоснабжения и отопления.

Установка газового, электрического или дизельного котла дает возможность отопить загородный дом и снабдить его горячей водой и теплом, но в настоящее время появились альтернативы привычному нам отоплению.

Одна из таких альтернатив – . Это достаточно дорогое удовольствие, но его можно изготовить и своими руками. О том, как это сделать, и поговорим в этой статье.

Принцип работы теплонасоса

Особенность теплонасосов заключается в том, что они работают от природных источников энергии. Чтобы выделить тепловую энергию, насосу не нужно дизельного топлива, электроэнергии или твердого топлива.

В качестве источника энергии используется вода, атмосфера и грунт. Насосы не выделяют тепла, а просто переносят его в строение. При этом используется небольшое количество электроэнергии.

Для того чтобы обеспечить дом теплом, необходимо иметь всего лишь тепловой насос и источник тепла. Принцип работы системы напоминает работу обычного холодильника, только наоборот. В этом случае тепло забирается снаружи и переправляется в дом.

Важный момент: главным элементом в альтернативной системе отопления является именно теплонасос, поэтому к его сооружению нужно подойти очень внимательно.

Насос состоит из следующих элементов:

компрессора, который является промежуточным элементом системы;
испарителя. В нем происходит передача низкопотенциальной энергии;
дроссельного клапана, по которому хладагент (фреон) возвращается в испаритель;
конденсатора, где происходит охлаждение фреона и отдача тепловой энергии.

Насос работает по определенному принципу. Это выглядит приблизительно так:

Принцип работы теплонасоса. (Для увеличения нажмите)

Низкопотенциальное тепло, которое выделяется от внешних источников энергии, по трубам передается в испаритель – в первый элемент в конструкции насоса. Тепло передается теплоносителями, которые способны выдерживать низкие температуры и не замерзать при этом.
Здесь тепло передается к хладагенту, который циркулируется по замкнутому контуру системы. В качестве холодильного агента часто используется фреон.
В компрессоре на фреон действует высокое давление, что значительно повышает его температуру.
На следующем этапе хладагент поступает в конденсатор, где происходит передача тепла в контур отопительной системы. В результате тепло уходит в помещение, а фреон, охлаждаясь, возвращается в жидкое состояние.
Через редукционный клапан фреон попадает обратно в испаритель, где процесс повторяется.

Исходя из принципа работы насоса, электроэнергия тратится только на работу компрессора. В результате это и делает тепловой насос самым экономичным способом передачи тепла.

Использование старого холодильника

Устройство теплонасоса из холодильника

Итак, чтобы собрать отопительную систему в загородном доме, необходимо иметь тепловой насос.

Сегодня такие агрегаты стоят недешево, это объясняется высокими техническими характеристиками и кропотливой работой по их сборке. Но, при желании собрать теплонасос можно своими руками.

Соорудить простой теплонасос можно из бытового холодильника. Особенность техники заключается в том, что в нем есть два основных компонента теплового насоса – конденсатор и компрессор. Это позволит значительно ускорить сборку теплонасоса своими руками.

Итак, сборка насоса из старого холодильника осуществляется следующим образом:

Сборка конденсатора. Элемент выполняется в виде змеевика. В холодильники он чаще всего устанавливается сзади. Эта всем известная решетка и является конденсатором, с помощью которого происходит отдача тепла хладагентом.
Конденсатор устанавливается в емкость, которая обладает высокой прочностью и способна выдерживать высокие температуры. Чтобы в процессе монтажа не повредить змеевик, эксперты рекомендуют разрезать емкость и установить в нее конденсатор. После этого емкость сваривается.
Далее на емкость крепится компрессор. Изготовить агрегат в домашних условиях практически невозможно. Поэтому лучше взять его со старого холодильника. При этом стоит обратить внимание на то, чтобы он был в исправном состоянии.
В качестве испарителя можно использовать обычную пластиковую бочку.
После того как все элементы системы будут готовы, они соединяются между собой. Для подключения агрегата к отопительной системе используют пластиковые трубы.

Таким образом, можно соорудить тепловой насос из старого бытового холодильника. Если понадобится закачка фреона в систему, то для этого нужно вызвать мастера. Такую работу можно выполнить только с помощью специального оборудования.

Возьмите на заметку: тепловые насосы из холодильника часто используют для обогрева небольших помещений и строений бытового назначения. Это может быть гараж или небольшой сарай.

Также холодильник можно использовать в качестве источника тепла. То есть он будет играть роль радиатора отопительной системы. Нужно просто смонтировать два воздуховода, по которым в технику будет поступать, и отводиться воздух.

Первый канал будет запускать в морозилку воздух, а второй выпускать. При этом происходят физические процессы, которые заставляют конденсатор нагреваться.

Применение кондиционера

Схема теплонасоса из кондиционера

Заключается в том, что по принципу работы он напоминает тепловой насос.

Но, есть некоторые отличия. Прежде всего, стоит отметить температурный режим работы климатической техники. Сплит-системы не желательно использовать при низких температурах.

Чтобы изготовить теплонасос из кондиционера, необходимо провести ряд модификаций и перепланировок:

Первый способ сборки насоса заключается в переделки кондиционера. В этом случае наружный и внутренний блок меняются местами. Во внутреннем блоке находится испаритель, который нужен для передачи низкопотенциального тепла. Во внешнем же блоке установлен конденсатор, который передает тепловую энергию. В качестве теплоносителя системы отопления может использоваться как воздух, так и вода. Во втором случае конденсатор монтируется в специальный резервуар, где будет проводиться передача тепла.
Второй способ заключается в установке в систему четырех ходового переключающего клапана. Выполнить такую работу смогут только профессионалы. Особенно это касается установки теплового зонда.
Третий вариант заключается в полной разборке климатической техники. Детали используются для сборки теплонасоса по обычной схеме: испаритель – компрессор – конденсатор.

К сборке теплового насоса на основе кондиционера стоит подойти очень внимательно и лучше привлечь профессионала. От правильности сборки будет зависеть продуктивность агрегата.

Перед тем как приступать к сборке теплонасоса, стоит задуматься над утеплением дома. Если строение обладает низкими теплоизоляционными свойствами, то эффективность использования насоса и других источников тепла значительно снизиться.

Такие насосы лучше использовать в низкотемпературных системах отопления. В данном случае оптимальным вариантом станет теплый пол. Учитывая все особенности сборки, вполне реально соорудить тепловой насос своими руками.

Смотрите видео, в котором опытный пользователь подробно разъясняет схему использования теплового насоса, сделанного из кондиционера своими руками:

Отопление тепловым насосом - это не только выгодно, но и практично. В условиях постоянного роста цен на энергоносители, автономные источники позволяют обеспечить дом теплом и существенно сократить затраты на электроэнергию. Кроме того, устройство без труда подключается по принципу двухконтурного котла к системе водоснабжения и обеспечивает горячей водой.

Теоретические основы

Принцип теплового насоса состоит в том, что устройство производит выкачку тепла из одного места и передачу его в другое, т.е. использует геотермальные физические законы. Если рассматривать принцип работы теплового насоса максимально просто, то он представляет собой систему труб, в которых течет незамерзающая жидкость. Она нагревается за счет внешних источников тепла, далее движется к насосу, отдает тепло системе отопления и возвращается обратно к термальному источнику.

Существуют две большие группы такого оборудования:

промышленные тепловые насосы;
бытовые тепловые насосы.

Работа теплового насоса промышленного типа основана на заборе тепла из земли. Для этого бурятся скважины глубиной до нескольких километров, в которые устанавливаются металлические спирали. По ним тепло передается на термальный контур, к которому подключен тепловой насос. Данный способ является наиболее эффективным, поскольку имеет высочайший уровень КПД. Тем не менее, стоимость установки оборудования достигает 10-15 тысяч долларов США. Это обстоятельство способствовало появлению бытовых насосов, менее эффективных, но и более дешевых.

Устройство бытового теплового насоса

Насос теплового действия состоит из трех основных частей:

грунтового контура;
контура фреона;
отопительного контура.

Грунтовый контур - наиболее простая часть конструкции. Он представляет собой систему труб, установленных в земле или водоеме, в которых циркулирует незамерзающий рассол. Его температура составляет от -3 до -5 градусов Цельсия. Принципиальной разницы в температурном режиме нет, поскольку рассол может прогреться за счет внешних источников тепла только до нуля.

Этой температуры достаточно, чтобы закипятить фреон, который переходит в газообразное состоянии уже при температуре -2. Далее пар фреона передается в компрессор, который нагнетает давление и сжижает хладогент. В таком состоянии температура фреона возрастает до +100 градусов.

Далее кипяток передается в систему отопления, нагревает воду в радиаторах, остывает и возвращается обратно во фреоновый контур. Таким образом, расход электроэнергии происходит только на работу компрессора. Учитывая, что его мощность редко превышает 1 кВт, следует говорить о том, что тепловой насос по потреблению электричества схож с бойлером, но в отличии от него, способен не только нагреть воду, но и отопить весь дом.

Виды бытовых тепловых насосов

Принято различать три вида термального оборудования:

с открытым циклом;
с закрытым циклом и гидрообменником;
с закрытым циклом и горизонтальным обменником.

Открытый цикл предполагает, что теплообменник связан с источником подземных вод. При использовании насоса, этот способ позволяет обеспечить дом не только водой, но и теплом.

В закрытом цикле с гидрообменником теплоноситель устанавливается в закрытом водоеме. Трубы с рассолом не имеют прямого контакта с водой, тепло передается через корпус. Актуален для домов с прудами или вблизи рек.

Горизонтальный теплообменник - это упрощенная версия промышленного теплового насоса. Трубы устанавливаются на глубине всего нескольких метров, но этого достаточно для качественного отопления 80-100 кв. м. Если в системе установлен циркуляционный насос, то глубину увеличивают до 250-300 м. Учитывая, что внизу температура будет около 15-18 градусов, КПД теплового насоса значительно возрастет. Но следует учитывать, что и затраты на электроэнергию также будут выше, поскольку циркуляционный насос работает исключительно от сети.

Схема теплового насоса

На сегодняшний день существует две наиболее распространенные конструкции:

конденсаторная;
на пластинах Пельтье.

Для начала рассмотрим принцип работы теплового насоса на основе электродинамики. Он состоит из:

пластин с покрытиями, отличающимися разным уровнем энергии электронов;
проводов электропитания;
конденсатора тепла;
источника питания переменного тока от 12 В.

Система теплового насоса работает крайне просто. Под воздействием тока одна из пластин нагревается, вторая охлаждается, когда полярность меняется, холодная и горячая сторона меняются. По обеим сторонам от пластин расположены конденсаторы, которые накапливают тепло и передают его в систему отопления.

При явных плюсах, таких как:

бесшумность;
простота монтажа;
небольшие габариты.

Есть один весомый недостаток - очень маленькое КПД. Для борьбы с этой проблемой нужно увеличивать площадь пластин, а это, в свою очередь, приведет к более высоким затратам электроэнергии. Учитывая тот факт, что в нашей стране это не дешевое удовольствие, эффективнее использовать стандартный конденсаторный тепловой насос.

Тепловой насос под ключ своими руками

Для сборки теплового насоса понадобится:

водопроводные трубы;
металлопластиковы трубы для отопления;
компрессор;
емкость под расширительный бак;
емкость под конденсатор;
рассол;
фреон;
источник питания;
бак для фреона.

На первом этапе понадобится собрать теплообменный контур:

1. Определяем термальный источник: земля или водоем.

2. Подводим трубы к термальному источнику.

3. Подключаем теплопровод к расширительному баку с фреоном.

На втором этапе собираем циркуляционную систему:

1. Подключаем бак с фреоном к компрессору, для этого газоотвод должен быть расположен в самой верхней части расширительного бака.

2. К компрессору подключаем трубу высокого давления.

3. Соединяем трубой компрессор и конденсатор, который должен быть разделен дросселем.

4. От конденсатора делаем обратный отвод к компрессору и расширительному баку.

Финальная стадия - подключение отопления:

1. К конденсатору необходимо подключить теплоноситель, как правило, это вода.

2. От бака с теплоносителем сделать разводку труб для отопления.

3. Подключить радиаторы.

Важно: рассмотрена простейшая система создания теплового насоса. Для ее нормальной работы понадобится дополнительная установка циркуляционного насоса, который обеспечит движение воды в системе.

Тепловой насос, установка которого описана выше, может быть дополнительно модернизирован насосом подкачки воды. Это актуально в том случае, если в регионе много подпочвенных вод. В таком случае, систему нужно будет переработать:

1. Закачивающая труба должна быть свернута в кольцо под баком с фреоном.

2. Во время работы насоса, по этой трубе будет подниматься вода, которая должна поступать в распределительный бак.

3. От бака имеет смысл установить тройник, отдельно на отопление, отдельно на водоснабжение дома.

Важно: подразумевается, что бак будет служить емкостью для теплоносителя, поэтому его размер должен быть пропорционален мощности насоса.

Тепловой насос: расчет эффективности

По мнению многих экспертов, эффективность тепловых насосов в 2-3 раза выше, чем у газовых котлов. Если брать стоимость энергоресурсов, то возражений никаких нет. Но проверить реальные возможности этого изобретения все же стоит.

Для расчета тепловой энергии, которая необходима на нагрев 1 куб. м воды воспользуемся стандартной формулой по физике:

c - это удельная теплоемкость вещества;
m - масса; рассчитывается по формуле - m=p*V, где p - плотность вещества, V - объем;
t2 - желаемая температура;
t1 - температура теплоносителя.

Подставим под формулу конкретные значения:

Q=4183*1000 (1 куб. м)*(60-10);
Q=209.15 мДж, что приблизительно равняется 58,6 кВт/ч.

Как видно из расчета, мощность теплового насоса для эффективного обогрева помещения должна быть около 60 кВт/ч, при условии, что в системе циркулирует 1 куб. м. воды.

Теперь рассчитаем реальные показатели мощности для фреона. Для того, чтобы не слишком углубляться в математику, составим простое, но наглядное уровнение:

209150000=2010*х*100;
х=209150000/2010/100;
х=1040,55.

В данном расчете х - это масса. Необходимо узнать объем:

V=m/p;
V=1040,55/196,2;
V=5,3 куб. м. газа или 1,2 куб. м. жидкости.

Как видно из расчетов, для нормального обогрева помещения понадобится 5,3 куб. м. пара фреона. Величина достаточно условна, поскольку зависит от температуры, давления в системе, качества фреона и многих других показателей. Тем не менее, при данном расчете исходим из эталонных величин, без учета факторов окружающей среды. Точный показатель считается по уравнению Клапейрона-Менделеева.

Не смотря на условность расчетов, видно, что для обеспечения температуры теплоносителя в стандартные 60 градусов, понадобится фреона больше, чем воды в системе. Из этого прямо следует, что действительно эффективный тепловой насос должен иметь достаточно большие габариты, иначе будет наблюдаться нехватка тепла.

Определенным решением станет использование других хладогентов, например, на амиачной основе или их аналогов, где температура пара может быть значительно выше 100 градусов по Цельсию. Допустим, если разогреть пар до 200 градусов, соотношение изменится примерно на ¾, в пользу хладогента.

Конкретная система теплового насоса зависит от многих факторов и требует серьезных математически изысканий, так как без этого, отопление будет не эффективным. За расчетами лучше обратиться к экспертам, либо проконсультироваться со школьным учителем физики, так как большинство формул приходятся на программу 8-9 классов. Приводить в статье конкретные примеры нецелесообразно, поскольку невозможно обобщить формулы для каждого отдельно взятого случая.

Отопление дома тепловым насосом: цена

Перед тем, как приступать к поискам экспертов в области термодинамики, необходимо самостоятельно выполнить несложную процедуру - рассчитать потребляемую электроэнергию и затраты на изготовление насоса.

Учитывая рыночную стоимость строительных материалов, понадобится вложить около 600-800 долларов США. Кроме того, нужно приобрести качественный компрессор. Замена отопления в счет не берется, так как зависит от конкретных пожеланий. К примеру, один алюминиевый радиатор на 10 секций обойдется в 80-150$.

Но это единоразовые вложения. Затраты на электроэнергию высчитываются в зависимости от мощности компрессора:

номинальную мощность умножить на время работы;
номинальная мощность - мощность компрессора;
время работы - период, который устройство потребляет электроэнергию.

Таким образом, компрессор с мощностью 1 кВт за 12 часов непрерывной работы накрутит 12 кВт электроэнергии.

Ели предположить, что компрессор работает практически постоянно, суточный расход будет порядка 20 кВт. За месяц получится расход в 600 кВт. Если считать по самому высокому тарифу для Москвы, получается 600*4,68=2748 руб. Для сравнения 1 куб. м газа стоит 3,87 руб. При качественно газовом отоплении 600 куб. м. хватит на 2-3 месяца.

Учитывая, что большинство компрессоров имеет мощность более 2 кВт, экономичность отопления ставится под сомнение. Решение проблемы - независимые источники электроэнергии.

Исходя из всего вышесказанного, монтаж теплового насоса остается спорным вопросом. При соблюдении определенных условий, он безусловно окупается, причем достаточно быстро. С другой стороны, качественное исполнение потребует больших финансовых затрат и установки дополнительного оборудования.

Повышение эффективности системы отопления дома является одной из главных задач его хозяина, поскольку расходы по этой статье в российских климатических условиях весьма значительны. Поэтому задача использования энергии окружающего пространства для отопления весьма интересна, постоянно развивается и остается предметом внимания, особенно в сообществе «самоделкиных». Собрать тепловой насос своими руками вполне доступно подготовленному человеку, поскольку особых сложностей эта работа не представляет, и необходимости в изготовлении деталей сложной конфигурации нет.

Он основан на сборе тепла из окружающего пространства и использовании его для системы отопления дома с целью уменьшения затрат на эту функцию. Аппараты такого типа имеются во многих домах, это холодильники, сплит – системы и кондиционеры. Некоторые из них имеют двойное назначение, выполняя по выбору пользователя либо отопление, либо охлаждение помещений в зависимости от потребности.

Теоретической основой таких машин является обратный цикл Карно. Но, не вникая в подробности, просто опишем процесс работы такого устройства.

Рис.1. Принципиальная схема работы теплового насоса в сети отопления

Рабочим телом в таких устройствах, как и в холодильниках, является фреон или аммиак, который компрессором нагнетается в нагревательный контур. При этом давление внутри системы резко повышается, поскольку выход теплоносителя перекрыт дросселем. Полученным теплом согревается теплоноситель в системе отопления дома, как правило, температура достигает уровня 64 о С. Горячий поток дополняет циркулирующий в основной отопительной сети, снижая потребление топлива. При определенном давлении дроссель открывается, и рабочее тело поступает в камеру испарителя. При этом его температура снижается. Дополнительное тепло получается из регистра сбора тепла. Далее цикл повторяется, как и в устройстве холодильника.

Расчет параметров системы

Мощность, которую потребует самодельный тепловой насос, можно рассчитать из соотношения:

R = ( k * v * T )/860, где

R – мощность, необходимая для обогрева помещения

k – коэффициент для учета тепловых потерь зданием (1 – качественно утепленное помещение, 4 – дощатый барак);

v – общий объем помещения, подлежащего отоплению;

T – наибольший перепад температур внешнего мира и внутридомового пространства;

860 – коэффициент перевода результата расчета в кВт из ккал.

В качестве примера приведем расчет для дома 200 квадратных метров с высотой потолков 2,8 метра:

R = 1 * 200*2,8 * (22 — -25)/860 = 560 * 47 /860 = 30,6 кВт.

Целесообразно использовать теплонасос с запасом мощности 10 – 12%, то есть – порядка 35 кВт.

Нужно обратить внимание на такой показатель, как разность наружной и внутренней температур. Если брать подогретый воздух из окружающего пространства с температурой порядка 7 о С, показатель разности составит (22 – 7) 15 градусов, а мощность теплонасоса составит 9,8 кВт. Сравните два этих показателя и почувствуйте разницу при использовании тепла окружающего пространства.

Состав оборудования

Внешний контур

Для внешнего контура агрегата отопления дома понадобятся трубы. Наибольшей теплопроводностью обладают изделия из металла (но не из нержавеющей стали), поэтому для системы сбора тепла лучше применять их.