Ранее существующие модели тепловых насосов могли лишь частично удовлетворить требования в области тепловой энергии. Современные версии развили свои функциональные возможности и способны эффективно работать в системах отопления. Поэтому множество владельцев домов обращаются к идее самостоятельного монтажа теплового насоса.
В этой статье мы предоставим рекомендации по выбору наиболее подходящего типа теплового насоса, учитывая геолокационные данные участка, где он будет установлен. Подробно описан механизм действия систем, использующих «зеленую энергию», а также освещены ключевые отличия. Следуя нашим рекомендациям, вы непременно сможете выбрать самый эффективный вариант.
Для опытных мастеров мы предлагаем технологию сборки теплового насоса. Данная информация включает наглядные схемы, подборки изображений и подробные видеоинструкции, состоящие из двух частей.
Краткое содержание статьи
Что такое тепловой насос и как он функционирует?
Под понятием «тепловой насос» подразумевается набор специализированного оборудования. Основной задачей этого устройства является забор тепловой энергии и её доставка к потребителям. Источником тепла может являться любое тело или среда, обладающее температурой не ниже +1°C.
В окружающей нас природе имеется множество источников низкотемпературного тепла. Это, например, отходы промышленных предприятий, тепло, вырабатываемое тепловыми и атомными электростанциями, канализационные стоки и так далее. Для отопления жилья теплонасосам требуются три естественных источника, которые могут восстановиться — воздух, вода и земля.
Тепловые насосы получают энергию из процессов, которые постоянно протекают в окружающей среде. Так как эти процессы никогда не останавливаются, источники тепла считаются неисчерпаемыми по человеческим меркам.
Перечисленные источники энергии тесно связаны с солнечной энергией, которая, нагревая, приводит в движение воздух и передаёт теплоту земле. Выбор источника является основным критерием, по которому классифицируются системы тепловых насосов.
Принцип работы тепловых насосов основывается на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому объекту или среде. В системах тепловых насосов всегда имеется пара — поставщик и потребитель тепла.
Существуют различные типы тепловых насосов:
- Воздух — вода.
- Земля — вода.
- Вода — воздух.
- Вода — вода.
- Земля — воздух.
- Вода — вода.
- Воздух — воздух.
В этой классификации первое слово характеризует среду, из которой система забирает низкотемпературное тепло, а второе — тип носителя, которому передаётся эта тепловая энергия. Например, в системе вода — вода, тепло извлекается из водной среды, а жидкость выступает в роли теплоносителя.
Функционально тепловые насосы представляют собой парокомпрессионные установки, которые извлекают тепло из природных источников, обрабатывают его и передают потребителям.
Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии: землю, воду и воздух. Наиболее простым вариантом среди них является тепловой насос воздушного типа. Популярность таких систем объясняется их простой конструкцией и легкостью монтажа.
Тепловой насос состоит из двух блоков: внутреннего и внешнего. Внешний блок предназначен для захвата природной энергии, тогда как внутренний — для её обработки.
Внешний блок тепловых насосов типа воздух-воздух схож с наружной частью кондиционера и работает по аналогичным принципам.
Для увеличения производительности воздух-воздух система может иметь увеличенную площадь испарителя.
Более сложными и затратными являются системы тепловых насосов, использующие geothermal энергию, такие как вертикальные скважины.
Для горизонтального испарителя систем, извлекающих тепло из грунта, требуются большие свободные участки земли без застройки.
Трубы испарителя могут укладываться в виде многочисленных петель в траншеи. Важно обеспечить заглубление трубы на нужную глубину для эффективного забора энергии.
Скважина для использования энергии грунтовых вод создаётся по аналогии с устройством испарителей в системах, извлекающих энергию из земли.
Для создания вертикального испарителя теплового насоса, использующего энергию водоемов, необходимо наличие близлежащего водоема соответствующей площади.
Но, несмотря на свою популярность, воздушные тепловые насосы имеют сравнительно низкую производительность и низкий коэффициент полезного действия (КПД) в условиях сезонных колебаний температур.
С понижением температуры их эффективность заметно снижается, поэтому такие устройства следует рассматривать как дополнительные к основным источникам тепловой энергии.
Устройства, использующие тепло из земли, признаются более эффективными. Земля активно аккумулирует тепловую энергию не только от солнечных лучей, но и за счёт внутреннего тепла планеты.
Таким образом, земля выступает в роли мощного теплового аккумулятора, эффект которого практически безграничен. При этом температура грунта, особенно на определенной глубине, остаётся стабильной и колеблется лишь в небольших пределах.
Области применения энергии, генерируемой тепловыми насосами, весьма разнообразны:
Тепловые насосы служат источником энергии для низкотемпературных систем отопления и подогрева воды.
Наиболее активно тепловые насосы используются для обогрева помещений с помощью воздушных контуров.
Тепловые насосы способны в полной мере обеспечить запросы систем теплых полов необходимым объемом теплоносителя соответствующей температуры.
Компактный тепловой насос малой или средней мощности отлично подходит для подогрева воды в частном бассейне.
Ключевые компоненты конструкции тепловых насосов
Для эффективной работы системы получения энергии в конструкции теплового насоса необходимо наличие четырех основных элементов:
- Компрессор.
- Испаритель.
- Конденсатор.
- Дроссельный клапан.
Компрессор — важный элемент конструкции теплового насоса, его основная роль заключается в повышении давления и температуры паров, образующихся в процессе кипения хладагента. В тепловых насосах и климатической технике используют современные спиральные компрессоры.
В качестве рабочего вещества, осуществляющего прямой перенос тепла, применяются жидкости с низкой температурой кипения, чаще всего аммиак или фреоны.
Такой ассортимент компрессоров проектируется для работы при отрицательных температурах. В отличие от других типов, спиральные компрессоры отличаются низким уровнем шума и эффективно работают как при низких температурах кипения, так и при высоких температурах конденсации. Их компактные размеры и малый вес также являются безусловными преимуществами.
Большая часть энергии теплового насоса расходуется на транспортировку тепла извне внутрь помещения. На работу систем уходит примерно одна энергия, обеспечивая 4-6 единиц тепла.
Испаритель является конструктивным элементом, представляющим собой ёмкость, где жидкий хладагент преобразуется в пар. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, проходит через испаритель, в котором он нагревается и превращается в пар, который с низким давлением направляется к компрессору.
В компрессоре пары хладагента сжимаются под давлением, что приводит к повышению их температуры. Затем компрессор под большим давлением перекачивает разогретый пар в конденсатор.
Компрессор сжимает циркулирующую по контурной системе среду, благодаря чему её температура и давление возрастают. Далее сжатая среда поступает в теплообменник (конденсатор), где она охлаждается и отдает тепло воде или воздуху.
Следующий конструктивный элемент — конденсатор, который отвечает за передачу тепловой энергии в внутренний контур отопительной системы.
Промышленно производимые образцы обычно оснащены пластинчатыми теплообменниками, сделанными из легированной стали или меди.
Для самостоятельного создания теплообменника подойдет медная трубка диаметром ½ дюйма, при этом толщина стенок труб должна составлять не менее 1 мм.
Терморегулирующий, также известный как дроссельный клапан, располагается в начале участка гидравлического контура, где рабочая среда с высоким давлением трансформируется в среду с низким давлением. Более конкретно, дроссель в сочетании с компрессором сегментирует контур теплового насоса на две части: одну с повышенным давлением, вторую — с пониженным.
Когда жидкость, циркулирующая по замкнутому контуру, проходит через дроссельный вентиль, она частично испаряется, в результате чего снижаются как температура, так и давление. Далее она попадает в теплообменник, который взаимодействует с окружающей средой, поглощая её энергию и возвращая её в систему.
Дроссельный клапан позволяет регулировать поток хладагента к испарителю, и при его выборе важно учитывать параметры системы. Клапан должен соответствовать этим характеристикам.
Процесс прохождения жидкого теплоносителя через терморегулирующий клапан приводит к частичному испарению и снижению температуры потока (+)
Выбор типа теплового насоса
Ключевым индикатором эффективности данной системы отопления является мощность. Она непосредственно оказывает влияние как на финансовые затраты при покупке оборудования, так и на выбор источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность теплового насоса, тем дороже компоненты.
Речь идет о мощности компрессора, глубине скважин для геотермических зондов, и площади для установки горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты служат гарантией эффективной работы системы.
В случае если на участке имеется водоем, наиболее выгодным и производительным выбором станет тепловой насос типа вода-вода.
Для начала необходимо проанализировать участок, на котором будет установлен насос. Оптимальным условием будет наличие водоема на этом участке. Применение насосов типа вода-вода значительно уменьшит объем земляных работ.
Использование тепла земли предполагает значительное количество работ по выемке грунта. Системы, использующие водную среду как источник низкопотенциального тепла, считаются наиболее эффективными.
Тепловой насос, который получает энергию из грунта, требует выполнения значительного объема земляных работ. Коллектор закладывается ниже уровня сезонного промерзания.
Тепло из грунта можно извлекать двумя способами. Первый — подразумевает бурение скважин диаметром от 100 до 168 мм, глубина которых в зависимости от характеристик системы может превышать 100 м.
В данные скважины помещаются специальные зонды. Во втором случае используется коллектор, состоящий из труб, который располагается горизонтально под землей. Этот вариант требует достаточно большой площади.
Идеальными для укладки коллектора являются участки с влажным грунтом. Бурение скважин, как правило, обойдется дороже, чем горизонтальное размещение коллектора. Однако не на каждом участке имеется достаточное пространство. Требуется от 30 до 50 м² площади на каждый кВт мощности теплового насоса.
Установка одного глубокого скважинного устройства для забора тепловой энергии может немного сэкономить по сравнению с рытьем котлована. Однако у этого решения есть значительный плюс — экономия пространства, что особенно важно для владельцев небольших участков.
Если на участке располагается высоко залегающий горизонт грунтовых вод, теплообменники можно разместить в двух скважинах, находящихся на расстоянии приблизительно 15 м друг от друга.
Отбор тепловой энергии в таких системах происходит путем перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, часть которого размещается в скважинах. Такую систему необходимо дополнить фильтром и периодически очищать теплообменник.
Самой простой и доступной схемой теплового насоса является система, извлекающая тепловую энергию из воздуха. Эта схема легла в основу работы холодильников, а затем на её принципах были разработаны кондиционеры.
Простая тепловая насосная система использует энергию воздушной массы — летом она используется для отопления, а зимой — для кондиционирования. Недостаток данной системы в том, что при автономном использовании агрегат может иметь недостаточную мощность.
Эффективность разных типов этого оборудования различна. Наименьшие показатели наблюдаются у насосов, работающих на воздушной среде, и эти параметры непосредственно зависят от погодных условий.
Грунтовые тепловые насосы показывают стабильные результаты, коэффициент эффективности которых обычно колеблется от 2,8 до 3,3. Наивысшие показатели демонстрируют системы вода-вода, что связано с постоянством температуры источника.
Следует отметить, что чем глубже коллектор находится в водоеме, тем более стабильной будет температура. Для получения мощности в 10 кВт необходимо около 300 м трубопровода.
Основным параметром, который определяет эффективность теплового насоса, считается его коэффициент преобразования. Чем выше этот коэффициент, тем более эффективным считается насос.
Коэффициент преобразования теплового насоса определяется временем, за которое происходит обработка показателей теплового потока и электрической мощности, необходимой для работы компрессора.
Сборка теплового насоса своими силами
Понимая схему работы и устройство теплового насоса, можно самостоятельно смонтировать систему альтернативного отопления. Перед стартом работ важно рассчитать ключевые параметры будущей системы. Для этого можно использовать специализированное программное обеспечение для оптимизации систем охлаждения.
Наиболее простым в сборке вариантом является система воздух-вода, которая не требует сложных работ по монтажу внешнего контура, характерных для водных и грунтовых насосов. Для установки нужны всего лишь два канала: один для подачи воздуха, другой — для отвода отработанной массы.
Создание теплового насоса с забором тепла из воздушной массы проще всего. Подобный вентилятор, установленный снаружи, нагнетает воздух к испарителю.
Помимо вентилятора, необходимо приобрести компрессор нужной мощности. Для этой цели подойдет компрессор от стандартных сплит-систем, и покупать новый не обязательно.
Можно использовать компрессор с устаревшего оборудования или детали от старого холодильника. Желательно выбрать спиральный тип, так как такие компрессоры обладают достаточной эффективностью и способны создавать высокое давление, что способствует повышению температуры.
Для конденсатора понадобится ёмкость и медная труба, из которой будет изготовлен змеевик. Для этого этапа может подойти любое цилиндрическое тело нужного диаметра. Обернув его медной трубой, можно легко создать данный элемент конструкции.
Готовый змеевик устанавливается в предварительно разрезанную пополам ёмкость. Для такой ёмкости лучше использовать коррозионностойкие материалы. После установки змеевика половинки бака следует сварить.
Площадь змеевика рассчитывается по следующей формуле:
МТ/0,8 РТ,
- МТ — мощность термической энергии, которую выдает система.
- 0,8 — коэффициент теплопроводности при взаимодействии воды и материала змеевика.
- РТ — разница температур воды на входе и выходе.
При выборе медной трубы для создания змеевика важно обратить внимание на толщину стенок, которая должна составлять не менее 1 мм, иначе при намотке труба может деформироваться. Труба, по которой проходит хладагент, должна размещаться в верхней части ёмкости.
Теплообменник из медной трубки изготавливается путем навивания медной трубки на цилиндрический предмет. Чем больше площадь поверхности змеевика, тем эффективнее работа насоса.
Испаритель теплового насоса можно исполнить в двух вариантах: как ёмкость с змеевиком или как труба в трубе. Учитывая, что температура жидкости в испарителе невелика, для конструкции можно использовать пластиковую бочку. Внутри неё располагается контур из медной трубы.
В отличие от конденсатора, спираль змеевика испарителя должна соответствовать диаметру и высоте выбранной ёмкости. Второй вариант исполнения испарителя: труба в трубе, когда трубка с хладагентом находится внутри пластиковой трубы большего диаметра, по которой циркулирует вода.
Длина такой трубы зависит от предполагаемой мощности насоса и колеблется от 25 до 40 метров. Эту трубу свивают в спираль.
Терморегулирующий клапан относится к запорно-регулирующей арматуре, в которой используется игла в качестве запорного элемента. Положение этого элемента определяется температурой в испарителе.
Данный ключевой компонент системы имеет сложное строение, в состав которого входят:
- Термоэлемент.
- Диафрагма.
- Капиллярная трубка.
- Термобаллон.
Эти элементы могут выйти из строя при высоких температурах, поэтому во время пайки системы клапан следует защищать с помощью асбестовой ткани. Регулирующий клапан должен соответствовать производительности испарителя.
После завершения производства всех ключевых конструктивных элементов начинается ответственный этап сборки всей системы в единый узел. Кризисным моментом является наполнение системы хладагентом или теплоносителем.
Самостоятельно выполнить эту операцию вряд ли получится у обычного человека. В данной ситуации стоит обратиться к специалистам, занимающимся ремонтом и обслуживанием климатической техники.
Работники в данной области обычно располагают всем необходимым оборудованием. Они могут не только заправлять хладагент, но и проверять функционирование системы. Попытка самостоятельной заправки хладагента может привести к серьезным поломкам устройства и даже травмам. Необходимо также отметить, что для запуска системы требуется специальная аппаратура.
При включении системы возникает высокая пиковая нагрузка, достигающая примерно 40 А. Поэтому выполнить запуск системы без пускового реле невозможно. После первого включения требуется провести корректировку клапана и давления хладагента.
К выбору хладагента важно подойти с должной внимательностью, так как это вещество является основным «переносчиком» тепловой энергии. Среди современных хладагентов наибольшее распространение получили фреоны — это производные углеводородов, в которых атомы углерода частично заменены на другие элементы.
После сборки компонентов теплового насоса должен сформироваться замкнутый контур, внутри которого будет циркулировать рабочая среда.
В результате этих манипуляций была создана система с замкнутым контуром, в которой хладагент обеспечит забор и транспортировку тепловой энергии от испарителя к конденсатору. При подключении тепловых насосов к системе отопления необходимо учитывать, что температура воды на выходе из конденсатора не должна превышать 50-60 градусов.
Из-за сравнительно невысокой температуры тепловой энергии, вырабатываемой тепловыми насосами, для отопления следует выбирать специализированные приборы. Это могут быть теплые полы или объемные радиаторы с низким инерционным эффектом, сделанные из алюминия или стали с большой площадью теплоотдачи.
Самодельные тепловые насосы лучше рассматривать как вспомогательное оборудование, которое дополняет и поддерживает работу основного источника тепла.
Каждый год конструкции тепловых насосов становятся все более совершенными. В промышленных моделях, предназначенных для домашнего использования, применяются более эффективные поверхности теплообмена. Это приводит к постоянному увеличению производительности систем.
Серьезным фактором, способствующим развитию технологии производства тепловой энергии, является её экологическая направленность. Эти системы не только высокоэффективны, но и не наносят вреда окружающей среде. Отсутствие открытого пламени делает эксплуатацию таких систем абсолютно безопасной.
Заключение и полезные видео по теме
Видео #1. Как собрать простейший самодельный тепловой насос с использованием теплообменника из РЕХ трубы:
Видео #2. Продолжение инструкции:
Тепловые насосы с давних пор используются в качестве альтернативных систем отопления. Эти устройства отличаются надежностью, долгим сроком службы и, что важно, безопасностью для экологии. Их начинают рассматривать как новый этап в создании эффективных и безопасных отопительных систем.
Если у вас есть вопросы или вы хотите поделиться интересным способом создания теплового насоса, который не был упомянут в статье, пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже.
