Создание теплового насоса воздух-вода: схемы и самостоятельное изготовление

С постоянно растущими ценами на энергоносители, альтернативные способы отопления становятся все более актуальными. Одним из таких решений является тепловой насос воздух-вода, который для отопления использует энергию окружающего воздуха. Установки данного типа не требуют дорогостоящих материалов, легки в использовании и безопасны для эксплуатации.

Из-за значительной стоимости заводской сборки у многих людей появляется желание самостоятельно создать такой агрегат. В этой статье мы расскажем, какие материалы и инструменты могут понадобиться домашним умельцам для постройки теплового насоса. Вы узнаете, чем стоит запастись, чтобы реализовать эту идею.

Характеристика системы воздух-вода

Тепловой насос, обсуждаемый в статье, имеет некоторые преимущества по сравнению с другими моделями, такими как вода-вода или грунт-вода:

• сокращает расходы на электричество;
• не требует выполнения крупных земляных работ, бурения и получения специальных разрешений;
• при подключении к солнечным панелям может работать в полном автономном режиме.

Одним из самых значительных плюсов системы, извлекающей энергию из воздуха и передающей ее в воду, является полная экологическая безопасность.

Перед тем как приступить к сооружению насоса, необходимо разобраться, в каких условиях данная система проявляет максимальную эффективность, а в каких случаях нецелесообразна.

Тепловая насосная система, использующая воздух для нагрева, подходит для подогрева различных теплоносителей, таких как вода, воздух или пар, применяемых на территории СНГ.

Особенности работы и применения

Эффективность теплового насоса достигается при температурах воздуха в диапазоне от -5 до +7 градусов. При температурах выше +7 система начинает вырабатывать избыточное тепло, тогда как при температуре ниже -5 градусов выделяемого тепла будет недостаточно для полного обогрева. Это связано с тем, что фреон, используемый в конструкции устройства, кипит при -55 градусах.

Установка теплового насоса воздух-вода на фасаде здания будет представлять собой компактный и аккуратный элемент.

Как и любой другой тепловой насос, система воздух-вода делится на две связанные части: наружный и внутренний блоки.

Внутренний блок оборудования преобразует энергию, заимствованную из воздуха, нагревая воду для систем отопления и горячего водоснабжения.

При необходимости увеличить мощность системы, внешний блок можно дополнить требуемым числом модулей.

Тепловые насосы воздух-вода эффективно занимаются нагревом воды, которая используется в системе отопления.

Эти установки также обеспечивают горячей водой санузлы и кухни в частных домах с автономными системами инженерного обеспечения.

Одним из наиболее распространенных способов использования энергии таких насосов является водяной теплый пол.

К насосу подключаются низкотемпературные контуры, создавая целую систему отопления.

Эффективность системы возможна даже при 30-градусном морозе, но в этом случае тепла может быть недостаточно для поддержания нужной температуры, поскольку производительность системы зависит от разницы температур хладагента и окружающей среды.

Поэтому для жителей северных регионов, где морозы приходят значительно раньше, такая установка не подойдет, тогда как жители южных областей смогут наслаждаться ее преимуществами на протяжении нескольких холодных месяцев.

В помещениях с традиционными батареями эффективность теплового насоса будет снижена. Оптимальным вариантом будет использование конвекторов или радиаторов с большой площадью, а также систем «теплый пол» и «теплые стены» водного типа.

Также важно, чтобы помещение было хорошо утеплено, имело многокамерные окна, которые обеспечивают более высокий уровень теплоизоляции по сравнению с обычными пластиковыми или деревянными.

Тепловой насос наилучшим образом работает в сочетании с водяными системами «теплый пол», которые не требуют нагрева теплоносителя выше 40-45°C.

Самодельный тепловой насос способен эффективно обогревать помещения до 100 квадратных метров, обеспечивая мощность в 5 кВт. Обратите внимание, что качественно заправить фреоном установку, сделанную в домашних условиях, трудно; поэтому стоит рассчитывать на температуру кипения не выше -22 градусов.

Такое устройство идеально подойдет для обогрева гаража, теплицы, подсобных помещений или небольшого частного бассейна. В большинстве случаев система используется как дополнительный источник тепла.

Тем не менее, электрокотел или другое традиционное отопительное оборудование будут необходимы. В период сильных морозов (от -15 до -30 градусов) желательно отключить тепловой насос, чтобы избежать ненужных затрат электроэнергии, так как его эффективность в это время не превышает 10%.

Тепловые насосы подают достаточное количество энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах.

Принципы работы системы

Основным рабочим веществом в тепловом насосе служит воздух. Через наружный блок, установившийся на улице, кислород поступает в испаритель через трубопровод, где он контактирует с хладагентом.

Газаобразный фреон образуется под действием температуры (-55 градусов) и под давлением поступает в компрессор, где он сжимается, что приводит к повышению его температуры.

Горячий фреон поступает в накопительный бак (конденсатор), где происходит теплообмен с водой, которая затем может использоваться для отопления и горячего водоснабжения. В конденсаторе фреон теряет часть своего тепла, оставаясь в газообразном состоянии.

Пройдя через дроссель, хладагент распыляется, в результате чего его температура понижается, и он переходит в жидкое состояние, после чего возвращается в испаритель. Цикл повторяется.

На схеме показан элементарный принцип работы теплового насоса, разделенного благодаря компрессору и расширителю на два контура — высокого и низкого давления.

Если вы хотите самостоятельно создать тепловой насос с использованием подручных материалов и старой техники, например, из холодильника, ознакомьтесь с информацией в нашей рекомендационной статье.

Конструкция теплового насоса воздух-вода

Система теплового насоса состоит из четырех основных компонентов:

• наружный блок;
• емкость теплообменника-испарителя;
• компрессор;
• накопительная емкость (конденсатор).

Рассмотрим детали конструирования каждого из компонентов.

Сборка наружного блока

Для создания внешнего блока вам понадобятся:

• Корпус. Обычно используют коробку от сплит-системы или стиральной машины; иногда его изготавливают самостоятельно, сварив металлические элементы. Не забудьте обработать металл антикоррозийным покрытием после сборки.
• Вентилятор. Его можно взять из старого кондиционера или приобрести новый.

Желательно, чтобы вентилятор имел широкие пластиковые лопасти и отсоединяемый мотор, чтобы его можно было подключить к датчику.

Для сборки наружного блока подойдут корпус и вентилятор от системы кондиционирования, размеры блока должны составлять примерно 75х85х30 см.

Внешний блок может содержать испаритель и сопутствующие элементы, однако лучше установить их в отдельном корпусе.

Рекомендуется устанавливать наружный блок на расстоянии 2-10 метров от здания. Обязательно создайте основание и установите навес для защиты от дождя. Также нужно защитить вентилятор решеткой, чтобы не допустить попадания грязи и мусора.

Дополительно полезно установить обогреватели для защиты боковых стенок и панелей от обледенения, в этом случае дополнительная подогревка устройства не потребуется. Место установки блока должно быть хорошо вентилируемым и находиться на достаточном расстоянии от открытых источников огня.

Блок с теплообменником-испарителем

Испаритель можно приобрести готовым или создать самостоятельно. Для самодельного испарителя вам потребуется бак объемом 80 литров и медная проволока диаметром 10 мм и толщиной не менее 1 мм.

Длина проволоки рассчитывается в зависимости от необходимой мощности. Например, для мощности 5 кВт достаточно использовать 10 метров. В испарителе происходит нагрев и циркуляция фреона и его контакт с воздухом.

Чтобы создать теплообменник, необходимо изготовить змеевик. Для этого медную проволоку обвивают вокруг толстостенной трубы, диаметр которой не должен превышать ширину бака. Важно оставить концы проволоки, которые будут использоваться для соединения змеевика с компрессором и накопительным баком.

Для создания змеевика медную трубку толщиной около 1 мм можно обвить вокруг газового баллона или трубы с водой.

В корпусе вырезают два штуцера для подключения труб, создают два выхода для проволоки и герметизируют соединения. Готовую конструкцию фиксируют с помощью L-образных кронштейнов.

Рекомендуется дополнительно установить реле оттаивания на испаритель, так как в баке будет происходить циркуляция воздуха с отрицательной температурой. Это может привести к образованию конденсата, который впоследствии замерзает на испарителе. Также для предотвращения влаги можно установить фильтр-осушитель в систему.

Условия для установки компрессора

Компрессор должен быть помещен в отдельный корпус, который оснащен звуко- и виброизоляцией, так как практически все его модели издают шум во время работы. Вы можете использовать б/у компрессор из холодильника или кондиционера, либо приобрести новый агрегат.

Вот несколько типов компрессоров, подходящих для тепловых насосов:

1. Роторные компрессоры являются наиболее бюджетными, однако имеют и свои недостатки: издают много шума, менее эффективны и служат всего 8-10 лет.
2. Спиральные модели встречаются во всех современных кондиционерах и холодильниках. Они долговечны (от 15 до 20 лет), работают тихо и эффективно, но имеют более высокую цену.
3. Поршневые модели чаще всего применяются в промышленных холодильных установках. Их эффективность хороша, срок службы составляет 15-20 лет, но они тоже очень шумные и дорогие.

Для теплового насоса необходимо выбрать компрессор однофазного типа. Перед покупкой обязательно уточните, какой фреон используется в устройстве. Рекомендуется остановить выбор на модели, работающей на R22, хотя предпочтительнее вариант на основе R422, так как работать с последним проще.

Компрессор соединяется трубками с испарителем и конденсатором, что позволяет фреону повышать свою температуру.

Проектирование накопительной емкости (конденсатора)

Для изготовления конденсатора потребуется корпус из нержавеющей стали объемом 100 литров, подходящий от бойлера. Также необходим змеевик из медной трубы. Для насоса мощностью 5 кВт подойдет проволока длиной 12 метров. По змеевику будет проходить горячий фреон, в результате чего вода будет нагреваться.

Шаг №1: Изготовление змеевика

Для змеевика понадобится медная проволока диаметром не менее 26 мм с толщиной стенки от 1 мм. Проволоку нужно намотать на более тонкую трубу, чем у бака.

Высота витков должна совпадать с высотой корпуса. Важно оставить выходы трубы за пределами емкости, чтобы подключить змеевик к испарителю и компрессору.

Шаг №2: Подготовка корпуса

Чтобы установить змеевик, бак необходимо разрезать. Сверху и снизу нужно просверлить отверстия для медной проволоки и вырезать дополнительные отсеки для двух штуцеров: один для выхода воды, другой для её поступления. После всех процедур бак следует герметизировать.

Можно закупать теплообменник и компрессор как отдельные готовые устройства. С помощью заводских узлов можно улучшить мощность и КПД установки.

Согласно Монреальским соглашениям, хладагент R22 планируется вывести из обращения к 2030 году, поэтому целесообразно использовать его заменитель — хладагент R422.

Подключение внешнего блока к испарителю

Для этой операции потребуются две полиэтиленовые трубы ПНД 32. Через одну из них будет поступать воздух, а через другую — выходить.

Трубы можно закопать в землю, предварительно добавив песок на дно, или оставить на поверхности, если внешний агрегат находится близко к дому.

Соединение испарителя, компрессора и бака

Фреон будет циркулировать в системе. Для соединения змеевиков с компрессором и дросселем лучше обратиться к специалистам по холодильной технике. Людям без опыта пайки будет сложно качественно собрать всю систему, обеспечивая её работоспособность.

Кроме того, потребуется множество дополнительных материалов: труб разных диаметров, различные модификации сливных кранов, клапанов для сброса воздуха, защитных клапанов, а также хомутов, клипс и труборезов для нарезки трубопровода.

Дополнительные специализированные устройства можно найти в любой мастерской по ремонту холодильников и кондиционеров. Также для закачки фреона понадобится специальное оборудование. Поэтому для объединения теплообменников, компрессора и дросселя в рабочую систему лучше всего обратиться к профессионалам.

Внедрение систем управления установкой

Для контроля давления и температуры фреона можно использовать дисплей от любого кондиционера. Конструкция может быть грамотно интегрирована в установку с помощью квалифицированных людей.

Также можно подключить устройство — датчик скорости вращения вентилятора, который будет регулировать скорость лопастей и автоматизировать обороты циркуляционного насоса фреона.

Дополнительно можно установить таймер, электропускатель и защитные устройства для предотвращения перегрева компрессора. Все эти компоненты можно приобрести в магазинах запчастей или ремонтных мастерских.

Определение мощности теплового насоса воздух-вода

Для отопления помещения площадью от 100 кв. м потребуется более мощный тепловой насос. Необходимую мощность можно вычислить, используя таблицы:

Данные таблицы помогут определить площадь змеевика для создания установки нужной мощности.

Чтобы понять, какой мощности должен быть компрессор, какие диаметры труб использовать и другие важные моменты при создании теплового насоса воздух-вода, можно воспользоваться одним из следующих способов:

• Применить онлайн-калькуляторы на сайтах производителей теплообменников.
• Использовать программное обеспечение CoolPack 1.46, Copeland.
• Обратиться к специалисту для проведения замеров и расчетов.

Площадь змеевика-конденсатора (ПЗК) можно вычислить по формуле:

ПЗК = М/0,8ДТ,

где М — мощность установки в кВт; 0,8 — коэффициент теплопроводности между водой и медью; ДТ — разница температур между поступающим и выходящим воздухом в системе.

Параметры теплового насоса, указанные выше, подходят для помещений до 100 кв. метров, с мощностью установки — 5 кВт. При использовании специальных теплообменников можно повысить мощность до 10-15 кВт.

На иллюстрации изображена система, в которой теплообменники, компрессор и дроссель объединены в одном контейнере с использованием готовых заводских компонентов (+)

Обслуживание самодельной установки

Чтобы тепловой насос работал эффективно, требуется регулярное обслуживание. Если устройство используется зимой (без установки дополнительного обогревателя), потребуется периодически размораживать блок, так как его поверхность может покрываться льдом.

Кроме того, необходимо регулярно:

• Чистить лопасти вентилятора от мусора: листвы, пыли, грязи и снега.
• Смазывать компрессор согласно инструкции.
• Менять масло в компрессоре и вентиляторе.

Также для нормальной работы системы важно периодически проверять состояние медной трубопроводной сети, силового кабеля, питающего компрессор, вентилятора и других устройств.

Заключение и полезное видео по теме

И с принципом работы и структурой теплового насоса, использующего энергию воздуха, можно ознакомиться в следующем видео:

Самодельный тепловой насос типа «воздух-вода» представляет собой эффективное и экономичное устройство для дополнительного обогрева жилых помещений. Изготовить и установить такую систему может любой желающий.

Обязательно оставляйте комментарии в блоке ниже. Возможно, у вас есть интересные факты и фото по теме статьи? Не стесняйтесь задать вопросы, делиться своими мыслями и полезными советами для читателей сайта.