Как самостоятельно создать тепловой насос для отопления жилья: принципы работы и схемы сборки

Ранее существующие образцы тепловых насосов лишь частично удовлетворяли потребности в тепловой энергии. Современные модели гораздо более эффективны и могут использоваться для отопительных систем. Поэтому много владельцев жилья пытаются собрать тепловой насос своими руками.

В этом материале мы предоставим рекомендации по выбору наиболее подходящего типа теплового насоса, учитывая географические особенности участка, где он будет установлен. В статье подробно изложены принципы работы систем, использующих «зеленую энергию», а также их отличия. Следуя нашим рекомендациям, вы сможете выбрать наиболее эффективную модель.

Для тех, кто хочет заняться сборкой самостоятельно, мы представляем пошаговую технологию создания теплового насоса. Также мы добавили иллюстративные схемы, фотогалереи и подробные видеоинструкции в двух частях.

Что собой представляет тепловой насос и как он функционирует?

Тепловой насос — это совокупность специального оборудования. Главное назначение этого оборудования — сбор тепловой энергии и её передача к потребителю. Источником такой энергии могут быть любые объекты или среды с температурой от +1°С и выше.

В природе имеется множество источников низкотемпературного тепла, таких как промышленные отходы, выбросы тепловых и атомных электростанций, сточные воды и другие. Для функционирования тепловых насосов, обеспечивающих отопление, необходимы три природных источника, которые способны самовосстанавливаться — воздух, вода и земля.

Тепловые насосы «извлекают» энергию из процессов, постоянно происходящих в природе. Эти процессы никогда не прекращаются, следовательно, источники энергии считаются практически неисчерпаемыми.

Три указанные группы потенциальных источников энергии имеют непосредственную связь с солнечной энергией, которая нагревает воздух и передает тепло земле, создавая поток энергии. Выбор источника является ключевым критерием для классификации тепловых насосов.

Принцип работы тепловых насосов основан на способности тел или сред передавать тепловую энергию. В системах тепловых насосов источники и потребители энергии обычно работают в тандеме.

Существуют различные типы тепловых насосов:

• Воздух — вода.
• Земля — вода.
• Вода — воздух.
• Вода — вода.
• Земля — воздух.
• Вода — вода
• Воздух — воздух.

При этом первое слово обозначает тип среды, из которой система забирает низкотемпературное тепло, а второе указывает на тип носителя, которому передается это тепло. Например, в системе «вода — вода» теплота извлекается из водной среды, а в качестве переносчика используется жидкость.

Конструктивно тепловые насосы представляют собой парокомпрессионные установки, которые извлекают тепло из природных источников, обрабатывают его и передают потребителям.

Современные тепловые насосы опираются на три ключевых источника тепла: грунт, вода и воздух. Наиболее простым вариантом является воздушный тепловой насос, чему способствуют его относительно простая конфигурация и легкость установки.

Тепловой насос состоит из наружного и внутреннего блока. Внешняя часть предназначена для захвата природной энергии, а внутренняя — для ее переработки.

Наружный блок тепловых насосов, работающих по принципу воздух-воздух, напоминает внешний блок кондиционера, и их функционирование основано на схожих принципах.

Для повышения эффективности работы системы воздух-воздух можно увеличить площадь испарителя.

Тепловые системы, использующие тепло из недр земли, требуют более сложной конструкции и большей стоимости. Они могут включать вертикальные скважины.

Разработка горизонтального испарителя для систем, использующих теплоту земли, подразумевает наличие незастроенных участков большой площади.

Трубопроводы испарителя могут укладываться петлями в траншеях. Главное — обеспечить необходимую глубину для установки энергетического приемника.

Скважины для использования тепла грунтовых вод создаются по аналогичным принципам, как и для испарителей систем с забором энергии из земли.

Для реализации вертикального испарителя теплового насоса, использующего энергии водоемов, необходима близость достаточно большого водоема.

Однако, даже несмотря на популярность, такие системы могут иметь относительно низкие показатели производительности. Кроме того, их КПД подвержен изменениям в зависимости от сезонных температур.

При снижении температуры их производительность значительно уменьшается. Поэтому такие тепловые насосы можно воспринимать как дополнение к существующему основному источнику тепла.

Системы, работающие с теплом из грунта, как правило, более эффективны. Грунт накапливает тепловую энергию не только от Солнца, но и постоянно нагревается за счет внутреннего тепла Земли.

То есть земля служит подобием теплового аккумулятора, который обладает практически неограниченной мощностью. Температура грунта, особенно на определенной глубине, остается стабильной и изменяется незначительно.

Применение энергии, получаемой тепловыми насосами, распространено в следующих областях:

Тепловые насосы обеспечивают энергией низкотемпературные отопительные контуры и системы подогрева воды.

Наиболее активно тепловые насосы используются в качестве источника тепла для воздушных отопительных систем.

Тепловые насосы могут полностью обеспечивать системы с подогревом пола требуемым объемом теплоносителя подходящей температуры.

Компактный тепловой насос малой или средней мощности прекрасно справляется с подогревом воды для частных бассейнов.

Постоянная температура источника является ключевым фактором для стабильной работы данного типа оборудования. Похожие характеристики имеют системы, где водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллекторы таких насосов размещаются либо в скважине, находящейся в водоносном слое, либо в водоеме.

Среднегодовая температура источников, таких как земля и вода, колеблется от +7°С до +12°С. Эта температура вполне достаточна для эффективного функционирования системы.

Наиболее эффективными являются тепловые насосы, которые извлекают тепловую энергию из стабильных источников температур: воды и грунта.

Ключевые компоненты тепловых насосов

Для правильного функционирования системы по получению энергии, на основе принципов работы теплового насоса, в её конструкции должны находиться четыре основных элемента:

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

Ключевым элементом конструкции теплового насоса является компрессор, который отвечает за увеличение давления и температуры паров, образующихся при кипении хладагента. Для климатического оборудования и тепловых насосов используются современные спиральные компрессоры.

В качестве рабочего тела, осуществляющего перенос тепловой энергии, часто применяются жидкости с низкой температурой кипения, такие как аммиак и фреоны.

Эти компрессоры предназначены для работы в условиях отрицательных температур. В отличие от других типов компрессоров, спиральные модели работают тихо и эффективно, как при низких температурах кипения, так и при высоких температурах конденсации. К их преимуществам можно отнести компактность и небольшой вес.

Около одной энергетической единицы затрачивается на транспортировку тепловой энергии внутрь помещения, в то время как система производит от четырех до шести единиц энергии.

Испаритель является конструктивным элементом, который представляет собой емкость, в которой жидкий хладагент превращается в пар. Хладагент, проходя по замкнутому контуру, проходит через испаритель, где он нагревается и превращается в пар. Образующийся пар низкого давления поступает в компрессор.

В компрессоре пары хладагента подлежат компрессии, в результате чего увеличивается их температура. Сжатый пар под высоким давлением поступает в конденсатор.

Компрессор сжимает циркулирующую среду, повышая ее температуру и давление. Зажатая среда затем поступает в теплообменник (конденсатор), где охлаждается, отдавая тепло воде или воздуху.

Следующим элементом конструкции является конденсатор, который обеспечивает отдачу тепловой энергии внутреннему контуру отопительной системы.

Промышленные образцы, как правило, оснащены пластинчатыми теплообменниками, для которых чаще всего используют легированную сталь или медь.

Для индивидуального изготовления теплообменника можно использовать медные трубки диаметром полдюйма с минимальной толщиной стенки 1 мм.

Терморегулирующий, или дроссельный, клапан устанавливают в начале участка гидравлической системы, где высокое давление преобразуется в низкое. Более точно, в паре с компрессором дроссель разделяет контур теплового насоса на две зоны: одна имеет высокие давления, другая – низкие.

Когда жидкость проходит через расширительный дроссельный вентиль в замкнутом контуре, она частично испаряется, что приводит к снижению давления и температуры. Далее она поступает в теплообменник, который взаимодействует с окружающей средой, забирая от нее энергию и возвращая ее в систему.

Дроссельный клапан регулирует поток хладагента, направленного к испарителю. При выборе такого устройства следует учитывать характеристики системы, чтобы клапан соответствовал этим параметрам.

В процессе прохождения через теплорегулирующий клапан жидкий теплоноситель частично испаряется, что приводит к снижению температуры потока (+)

Определение типа теплового насоса

Наиболее важным параметром системы отопления является мощность. Именно от нее зависят затраты на покупку оборудования и выбор источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность теплового насоса, тем выше стоимость его компонентов.

В первую очередь рассматривается мощность компрессора, глубина скважин для геотермических зондов или площадь для установки горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты гарантируют, что система будет функционировать эффективно.

Если рядом с вашим участком имеется водоем, наиболее выгодным и эффективным решением станет использование теплового насоса типа вода-вода.

Важно тщательно изучить участок, на котором планируется установка насоса. Оптимально, если на этом участке есть водоем. Использование системы вода-вода значительно оптимизирует объем земляных работ.

Применение тепла земли, напротив, требует выполнения обширного объема работы, связанного с выемкой грунта. Системы, использующие в качестве низкопотенциального тепла водную среду, показывают наивысшую эффективность.

Конструкция теплового насоса, использующего энергию из грунта, требует значительных земляных работ. Коллектор закладывается ниже уровня сезонного промерзания.

Существует два основных способа, позволяющих использовать тепловую энергию земли. Первый включает бурение скважин диаметром 100-168 мм. Глубина таких скважин может достигать 100 метров и более в зависимости от параметров системы.

В эти скважины устанавливаются специальные зонды. Второй способ использует коллектор из труб, который располагается в горизонтальном положении под землей. Для этого метода требуется значительная площадь.

Для укладки коллектора оптимально подходят участки с влажным грунтом. Бурение скважин, как правило, оказывается дороже, чем горизонтальная укладка коллектора. Однако не на всех участках можно выделить достаточную площадь. В среднем на 1 кВт мощности теплового насоса требуется от 30 до 50 м² земли.

Установка оборудования для забора тепла с одной глубокой скважиной может быть лишь немного дешевле, чем выемка котлована. Однако ценным преимуществом является экономия пространства, что критично для владельцев небольших участков.

Если на участке имеются высоко залегающие грунтовые воды, то можно организовать теплообменники в двух скважинах, расположенных на расстоянии около 15 метров друг от друга.

Извлечение тепловой энергии в таких системах осуществляется с помощью перекачивания грунтовой воды по замкнутому контурному системе, часть которой расположена в скважинах. Такие конструкции требуют установки фильтра и регулярной очистки теплообменника.

Наиболее простой и экономически выгодной схемой теплового насоса считается система, извлекающая тепловую энергию из воздуха. Изначально эта схема легла в основу холодильников, а позже на ее базе были созданы кондиционеры.

Эта простейшая тепловая насосная система получает энергию из воздуха. Летом она отвечает за отопление, а зимой — за кондиционирование. Однако главный недостаток такого устройства заключается в том, что в самостоятельном исполнении оно может оказаться недостаточно мощным.

Эффективность различных типов такого оборудования варьируется. Наименьшую эффективность показывают насосы, использующие воздух. И эти показатели напрямую зависят от погодных условий.

Грунтовые тепловые насосы демонстрируют более стабильные характеристики. Их коэффициент эффективности составляет от 2,8 до 3,3. Наивысшую эффективность показывают системы типа вода-вода, что в первую очередь связано со стабильностью температуры источника.

Важно отметить, что чем глубже в водоеме находится коллектор насоса, тем стабильнее температура среды. Для получения мощности системы в 10 кВт потребуется приблизительно 300 метров трубопровода.

Ключевым параметром, отражающим эффективность работы теплового насоса, является его коэффициент преобразования. Чем выше этот коэффициент, тем более эффективным считается насос.

Коэффициент преобразования теплового насоса вычисляется как отношение теплового потока к электрической энергии, расходуемой на работу компрессора.

Самостоятельная сборка теплового насоса

Зная принципы работы и особенности конструкции теплового насоса, можно самостоятельно собрать и установить систему альтернативного отопления. Перед началом работ следует провести расчеты всех ключевых параметров будущей системы. Для этого можно воспользоваться специальным программным обеспечением, предназначенным для оптимизации систем охлаждения.

Наиболее простым вариантом для самостоятельной сборки является воздух-вода. Она не требует сложного устройства внешнего контура, как в случае с водными и грунтовыми тепловыми насосами. Для установки нужны лишь два канала: один для подачи воздуха, другой — для отвода отработанного потока.

Легче всего своими руками построить тепловой насос, который забирает тепло из воздуха. Установленный на улице вентилятор подает воздух к испарителю.

Кроме вентилятора, потребуется компрессор соответствующей мощности. Для таких агрегаций подойдут компрессоры, которые используются в традиционных сплит-системах. Нет необходимости покупать новое оборудование.

Можно демонтировать его со старого устройства или использовать детали из старого холодильника. Рекомендуется выбирать спиральные компрессоры, так как они обеспечивают высокую эффективность и создают необходимое давление для повышения температуры.

Чтобы создать конденсатор, потребуется емкость и медная труба. Из трубы формируется змеевик, для чего можно использовать любое цилиндрическое тело подходящего диаметра. Обмотав медную трубу вокруг этого объекта, можно быстро изготовить нужный элемент конструкции.

Готовый змеевик устанавливается в предварительно разрезанную пополам емкость. Для корпуса лучше использовать коррозионно стойкие материалы. После установки змеевика половинки бака свариваются.

Площадь змеевика определяется по следующей формуле:

МТ/0,8 РТ,

• МТ — мощность, которую выдает система.
• 0,8 — коэффициент теплопроводности при взаимодействии с водой.
• РТ — разница температур воды на входе и выходе.

При выборе медной трубы для змеевика внимание следует уделить толщине стенок: она должна составлять не менее 1 мм, иначе труба может деформироваться при намотке. Трубка, по которой поступает хладагент, размещается в верхней части емкости.

Теплообменник из медного змеевика можно изготовить, наматывая медную трубку на цилиндрический предмет. Чем больше площадь поверхности змеевика, тем выше производительность насоса.

Испаритель теплового насоса можно реализовать в двух вариантах — как емкость с змеевиком внутри или как систему «труба в трубе». Поскольку температура жидкости в испарителе невысока, для емкости подойдет пластиковая бочка, в которую помещается контур из медной трубы.

В отличие от конденсатора, спираль змеевика испарителя должна соответствовать диаметру и высоте выбранной емкости. Второй вариант исполнения испарителя — это «труба в трубе», где трубка с хладагентом расположена внутри пластиковой трубы большего диаметра, по которой циркулирует вода.

Длина такой трубы зависит от планируемой мощности насоса и может колебаться от 25 до 40 метров, после чего она сворачивается в спираль.

Терморегулирующий клапан является частью запорно-регулирующей трубопроводной арматуры. В конструкции ТРВ используется игла в качестве запорного элемента. Положение запорного механизма определяется температурой в испарителе.

Этот важный элемент системы имеет относительно сложную аппаратную структуру, в которую входят:

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

Эти компоненты могут выйти из строя при высоких температурах, поэтому во время пайки системы клапан следует защитить асбестовой тканью. Регулирующий клапан должен соответствовать производительности испарителя.

После завершения изготовления всех основных конструктивных элементов наступает критический момент сборки системы в единое целое. Наиболее ответственным этапом становится закачка хладагента или теплоносителя в систему.

Самостоятельное выполнение подобной операции вряд ли под силу обычному человеку. В данном случае лучше обратиться к специалистам, которые занимаются ремонтом и обслуживанием климатического оборудования.

Специалисты в этой области обычно располагают всем необходимым оборудованием. Они не только могут выполнить заправку хладагента, но и проверить функционирование системы. Неправильная закачка хладагента часто приводит к поломкам и может вызвать серьезные травмы. Кроме того, для корректного запуска системы требуется специальное оборудование.

При старте системы возникает пиковая нагрузка, обычно достигающая около 40 А, что делает невозможным запуск без пускового реле. После первого включения следует настроить клапан и давление хладагента.

К выбору хладагента стоит подходить с особым вниманием, так как именно это вещество является основным «транспортом» тепловой энергии. Среди современных хладагентов наибольшей популярностью пользуются фреоны, которые представляют собой производные углеводородов, в которых некоторые атомы углерода замещены на другие элементы.

Сборка компонентов теплового насоса должна приводить к созданию замкнутого контура, в котором будет циркулировать рабочая среда.

В результате выполнения этих мероприятий была собрана система с замкнутым контуром, где хладагент будет перекачиваться, что обеспечит передачу и отбор тепла от испарителя к конденсатору. При подключении тепловых насосов к отопительной системе дома необходимо учитывать, что температура воды на выходе из конденсатора не должна превышать 50-60 градусов.

Поскольку температура тепловой энергии, производимой тепловым насосом, сравнительно низка, для отопления стоит использовать специализированные приборы. Это могут быть системы теплого пола или же низкоинерционные радиаторы из алюминия или стали с высокой теплоотдачей.

Самодельные тепловые насосы лучше рассматривать в качестве вспомогательного оборудования, которое будет поддерживать и дополнять работу основного источника тепла.

Каждый год конструкции тепловых насосов становятся всё более совершенными. В промышленных моделях для бытового использования применяются более эффективные теплообменные поверхности, что приводит к увеличению производительности систем.

Ключевым фактором, способствующим развитию технологий производства тепловой энергии, является экологичность. Такие системы не только эффективны, но и не наносят вреда окружающей среде. Отсутствие открытого огня делает их эксплуатацию абсолютно безопасной.

Итоги и полезные видео по теме

Видео #1. Для создания простейшего самодельного теплового насоса с теплообменником из РЕХ трубы:

Видео #2. Продолжение инструкций:

Тепловые насосы используются в качестве альтернативных систем отопления уже довольно давно. Эти системы характеризуются высокой надежностью и длительным сроком службы, а также безопасностью для окружающей среды. Они все чаще рассматриваются как шаг вперед в развитии эффективных и безопасных систем отопления.

Есть вопросы или хотите поделиться интересным способом создания теплового насоса, который не был упомянут в статье? Оставляйте свои комментарии в блоке ниже.