Первоначальные модели тепловых насосов могли лишь частично удовлетворить требования по обеспечению тепловой энергии. В наши дни новые версии работают гораздо эффективнее и могут быть интегрированы в системы отопления. Поэтому многие владельцы домов стараются установить тепловые насосы своими руками.
Мы поделимся рекомендациями о том, как подобрать наилучший вариант теплового насоса, принимая во внимание географические характеристики участка, на котором планируется его монтаж. В данной статье подробно раскрывается принцип работы систем, использующих «зеленую» энергию, а также рассматриваются ключевые отличия различных моделей. Следуя нашим советам, вы без особых усилий сможете выбрать подходящий тип устройства.
Для домашних мастеров мы подготовили инструкцию по сборке теплового насоса. Предоставленные материалы дополнены наглядными схемами, фотографиями и подробными видеоруководствами в двух частях.
Краткое содержание статьи
Что такое тепловой насос и как он работает?
Понятие теплового насоса охватывает определенную группу оборудования. Основная задача этого устройства — собирать теплоту и переносить её к пользователю. Источником тепла может стать любое тело или среда с температурой от +1ºC и выше.
В нашем окружении существует множество источников низкотемпературного тепла. Это могут быть промышленные отходы, теплоотходы от электростанций, сточные воды и другие элементы. Для функционирования тепловых насосов, применяемых в системе отопления, требуются три постоянно восстанавливающихся природных источника — воздух, вода и земля.
Тепловые насосы извлекают энергию из процессов, происходящих в окружающей среде. Эти процессы не прекращаются, следовательно, источники тепла являются бесконечными по сравнению с человеческими стандартами.
Указанные три типа источников энергии напрямую зависят от солнечной активности, которая, нагревая воздух, создает ветер и наполняет землю тепловой энергией. Это именно выбор источника является основным критерием для классификации тепловых насосных систем.
Принцип работы тепловых насосов основывается на способности тел и сред передавать тепловую энергию друг другу. В таких системах обычно присутствуют два элемента — получатель и поставщик энергии.
Существует несколько различных типов тепловых насосов:
- Воздух — вода.
- Земля — вода.
- Вода — воздух.
- Вода — вода.
- Земля — воздух.
- Вода — вода.
- Воздух — воздух.
При этом первое слово указывает на тип среды, откуда система заимствует низкотемпературное тепло, а второе — на тип носителя, которому передается эта энергия. Таким образом, в тепловых насосах, таких как вода — вода, тепло извлекается из водной среды, а в качестве теплоносителя выступает жидкость.
По своей конструкции тепловые насосы представляют собой парокомпрессионные установки. Они извлекают тепло из природных источников, обрабатывают его и передают теплоснабжающим системам.
Современные модели тепловых насосов используют три основных источника тепловой энергии: грунт, воду и воздух. Наиболее простым из всех вариантов является тепловой насос, работающий на воздухе. Популярность таких систем обусловлена их сравнительно простой конструкцией и легкостью монтажа.
Галерея изображений
Тепловой насос состоит из внутреннего и внешнего блока. Внешняя часть отвечает за забор природной энергии, а внутренняя — за её переработку.
Внешний блок тепловых насосов типа воздух-воздух напоминает наружный блок кондиционера и работает по аналогичным принципам.
Для повышения эффективности работы системы воздух-воздух может быть увеличена площадь испарителя.
В отличие от них, системы, использующие геотермальную энергию, сложнее и требуют больших вложений. Например, вертикальные системы предполагают бурение скважин.
Горизонтальные испарители систем, работающих на тепле грунта, нуждаются в больших свободных участках земли без застройки.
Трубы испарителей могут быть уложены в виде нескольких петель в траншеях. Важно, чтобы необходимая длина трубы была заглублена на нужную глубину.
Скважина для захвата теплоты из грунтовых вод строится с учетом принципов, аналогичных устройству испарителей в системах, использующих геотермальную энергию.
Для конструкции вертикального испарителя теплового насоса, питающегося водой, требуется наличие близлежащего водоема соответствующего размера.
Тем не менее, несмотря на высокую популярность, эти системы обладают сравнительно низкой производительностью. Кроме того, их КПД нестабилен и варьируется в зависимости от сезонных температурных колебаний.
При снижении температуры их эффективность значительно уменьшается. Такие типы тепловых насосов следует рассматривать как дополнение к уже имеющемуся основному источнику тепловой силы.
Устройства, использующие тепло из грунта, значительно более эффективны. Грунт аккумулирует тепловую энергию не только от солнечного света, но и постоянно нагревается благодаря энергии земного ядра.
Таким образом, грунт можно рассматривать как своего рода тепловой накопитель, возможности которого практически не ограничены. Температура грунта на определенной глубине стабильно колеблется в небольших пределах.
Области применения тепловой энергии, получаемой тепловыми насосами:
Галерея изображений
Тепловые насосы являются источником энергии для систем низкотемпературного отопления и подогрева воды.
Наиболее активно тепловые насосы используются в качестве источника энергии для систем воздушного отопления.
Тепловые насосы могут полностью удовлетворить потребности систем с подогреваемыми полами, обеспечивая необходимый объем теплоносителя заданной температуры.
Компактные модели тепловых насосов малой или средней мощности отлично подходят для подогрева воды в частных бассейнах.
Тепловые насосы в отоплении и горячем водоснабжении
Применение в контурах воздушного отопления
Подготовка теплоносителя для систем теплый пол
Тепловая установка в подогреве воды в бассейне
Постоянство температуры источника является важным условием для стабильной и эффективной работы данного вида энергетического устройства. Подобные характеристики присутствуют и в системах, в которых водная среда выступает основным источником тепла. Коллекторы таких насосов располагаются либо в скважинах, где яны находятся в водоносном слое, либо в открытых водоемах.
Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7ºC до +12ºC. Эти температуры вполне достаточны для эффективной работы всей системы.
Наиболее эффективными считаются тепловые насосы, которые берут теплоту из источников, обладающих стабильной температурой, то есть из воды и земли.
Основные элементы конструкции тепловых насосов
Чтобы установка по извлечению энергии функционировала по принципам теплового насоса, в её конструкции должны присутствовать четыре ключевых элемента:
- Компрессор.
- Испаритель.
- Конденсатор.
- Дроссельный клапан.
Компрессор — это важнейшая деталь теплового насоса. Его главная задача заключается в повышении давления и температуры паров, образующихся в результате конденсации хладагента. В климатических установках, включая тепловые насосы, применяются современные спиральные компрессоры.
Для передачи тепловой энергии используются жидкости с низкой температурой кипения, например, аммиак и фреоны.
Такие компрессоры предназначены для эксплуатации в условиях отрицательных температур. В отличие от других моделей, спиральные компрессоры достаточно тихие и могут работать как при низких температурах испарения газа, так и при высоких температурах конденсации. Их небольшие габариты и легкий вес — несомненные преимущества.
Почти вся энергия теплового насоса используется для переноски тепла из внешней среды внутрь. Обычно на 1 единицу электроэнергии система может выработать 4-6 единиц тепловой энергии.
Испаритель как элемент конструкции является емкостью, где осуществляется превращение жидкого хладагента в пар. Хладагент проходит через испаритель, где он нагревается и превращается в пар, циркулируя по замкнутому контуру. Образовавшийся пар с низким давлением направляется к компрессору.
В компрессоре пары хладагента сжимаются, что повышает их давление и температуру. Далее сжатый пар перекачивается под высоким давлением в конденсатор.
Компрессор сжимает хладагент, в результате чего возрастает его температура и давление. После этого сжатое вещество поступает в теплообменник (конденсатор), где охладевает, отдавая тепло воде или воздуху.
Следующий элемент системы — конденсатор. Его основная задача — передать тепло внутреннему контуру отопительной системы.
Промышленные образцы обычно оснащены пластинчатыми теплообменниками. В производстве таких конденсаторов чаще всего используется легированная сталь или медь.
Для изготовления теплообменника самостоятельно подойдет медная трубка диаметром полдюйма, при этом толщина стенок должна быть не менее 1 мм.
Дроссельный клапан, известный также как терморегулирующий элемент, размещается в начале участка гидравлического контура, где высокая давление рабочей жидкости понижается до низкого. Этот клапан, в связке с компрессором, делит контур теплового насоса на две части: одну с высокими давлениями и другую с пониженными.
Когда жидкость проходит через дроссельный вентиль, она частично испаряется, что приводит к уменьшению как давления, так и температуры. В дальнейшем она попадает в теплообменник, взаимодействующий с окружающей средой, где поглощает теплоту и возвращает ее в систему.
Дроссельный клапан играет важную роль в регулировании потока хладагента к испарителю. При выборе подходящего клапана необходимо принимать во внимание характеристики системы, чтобы он соответствовал ей.
Процесс, который происходит в теплообменнике, также приводит к частичному испарению жидкого теплоносителя и, как следствие, снижению температуры потока.
Выбор типа теплового насоса
Одним из основных параметров системы обогрева является её мощность. Финансовые затраты на оборудование и выбор источника низкотемпературного тепла будут в значительной степени зависеть от этой величины. Высокая мощность тепловой насосной системы обычно влечет за собой увеличенные расходы на комплектующие.
Речь идет о мощности компрессора, глубине скважин для геотермальных зондов и площади, необходимой для установки горизонтального коллектора. Правильно выполненные термодинамические расчеты вселяют уверенность в том, что система будет работать эффективно.
Если рядом с вашим участком находится водоем, наиболее эффективным выбором станет тепловой насос вода-вода.
Для начала важно провести исследование участка, на котором планируется установка насоса. Наличие водоема на этом участке является идеальным условием, поскольку использование воды значительно уменьшит объем земляных работ.
Использование геотермальной энергии, в свою очередь, предполагает более обширные работы по выемке грунта. Системы, которые используют воду как источник низкотемпературного тепла, считаются наиболее производительными.
Для устройства теплового насоса, извлекающего теплоту из земли, потребуется много земляных работ, так как коллектор закладывают ниже уровня промерзания.
Есть два способа извлечения тепловой энергии из грунта. Первый заключается в бурении скважин диаметром от 100 до 168 мм, глубина которых может превышать 100 м в зависимости от характеристик системы.
В таких скважинах устанавливаются специальные зонды. Второй метод включает использование горизонтального коллектора, который монтируется под землей. Для этого требуется достаточно большая площадь.
Лучше всего укладывать коллектор на участках с влажным грунтом. Стоимость бурения скважин обычно выше, чем прокладка горизонтального коллектора, однако не везде есть место для такого решения. На каждый кВт мощи теплового насоса требуется от 30 до 50 м² площади.
Монтаж глубоких скважин может лишь немного стоить дешевле, чем выемка котлована, однако требует меньше пространства, что важно для владельцев небольших участков.
Если на территории имеется высокий уровень грунтовых вод, теплообменники можно разместить в двух скважинах на расстоянии около 15 метров друг от друга.
Отбор тепла в таких системах осуществляется с помощью перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, часть которого находится в скважинах. Данная система требует установки фильтра и периодической очистки теплообменника.
Наиболее простая и доступная схема теплового насоса основана на извлечении теплоносителя из воздуха. Эта схема изначально служила основой для холодильников, а затем стала основой для кондиционеров.
Простая тепловая насосная система использует тепло из воздушной массы: она обеспечивает обогрев в зимний период и через кондиционирование в летний. Основной недостаток этой системы заключается в том, что в самостоятельном исполнении она может иметь недостаточную мощность.
Эффективность различных типов такого оборудования варьируется. Наименее эффективными считаются насосы, использующие воздух, причем их производительность напрямую зависит от погодных условий.
Геотермальные тепловые насосы демонстрируют стабильные результаты. Их коэффициент эффективности колеблется от 2,8 до 3,3, а системы вода-вода имеют наивысшие показатели благодаря стабильности температуры источника.
Стоит отметить, что чем глубже расположен коллектор, тем более постоянной будет температура. Для достижения 10 кВт мощности необходимо около 300 метров трубопровода.
Ключевым показателем эффективности теплового насоса является коэффициент преобразования. Чем выше этот коэффициент, тем лучшей считается система.
Коэффициент преобразования определяется как отношение теплового потока к электрической энергии, потребляемой компрессором.
Сборка теплового насоса своими силами
Понимание принципа работы и устройства теплового насоса позволяет самостоятельно собрать и установить систему альтернативного отопления. Прежде чем приступить к работе, необходимо рассчитать все критически важные параметры будущей установки. Для этого можно использовать специализированное программное обеспечение, предназначенное для оптимизации систем охлаждения.
Наиболее простым в установке вариантом является система воздух-вода. Она не требует сложных работ по монтажу внешнего контура, характерного для водяных и геотермальных насосов. Достаточно двух каналов: один для подачи воздуха, другой для отведения отработанного.
Легче всего сделать тепловой насос с забором тепла из воздуха. Внешний вентилятор прокачивает воздух к испарителю.
Также потребуется компрессор нужной мощности. Можно использовать компрессор от обычных сплит-систем, нет необходимости приобретать новый.
Можно извлечь его из старого оборудования или применить компоненты от неработающего холодильника. Спиральные компрессоры часто наиболее эффективны, так как они обеспечивают высокое давление, необходимое для повышения температуры.
Для создания конденсатора необходимо использовать ёмкость и медную трубу. Из последней формируют змеевик, скрутив её на цилиндрическом объекте нужного диаметра, что позволяет быстро и просто изготовить этот элемент.
Змеевик помещается в предварительно разрезанную пополам ёмкость, которая должна быть изготовлена из коррозионно-устойчивых материалов. После установки змеевика половинки ёмкости свариваются.
Площадь змеевика можно рассчитать по формуле:
МТ/0,8 РТ,
- МТ — мощность, вырабатываемая системой.
- 0,8 — коэффициент теплопроводности воды с материалом змеевика.
- РТ — разница температур воды на входе и выходе.
Выбирая медную трубу для змеевика, важно учитывать толщину стенок, которая должна быть не менее 1 мм. Иначе материал может искривиться во время намотки. Труба, через которую будет поступать хладагент, устанавливается в верхней части ёмкости.
Медный теплообменник можно создать, наматывая медную трубу на цилиндрический предмет. Чем больше площадь его поверхности, тем выше будет производительность насоса.
Испаритель теплового насоса может быть выполнен в двух вариантах — как ёмкость с змеевиком внутри или в виде трубы в трубе. Учитывая невысокую температуру жидкости в испарителе, емкость можно сделать из пластиковой бочки, куда помещается медный контур.
В отличие от конденсатора, спираль змеевика испарителя должна соответствовать размеру выбранной ёмкости. Второй вариант — труба в трубе: в данной конструкции трубка с хладагентом размещается внутри более широкой пластиковой трубы, по которой протекает вода.
Длина такой трубы зависит от нужной мощности насоса и может варьироваться от 25 до 40 метров, при этом труба завивается в спираль.
Терморегулирующий клапан является частью запорно-регулирующей арматуры. В ТРВ используется игла как запорный элемент, и её положение зависит от температуры в испарителе.
Этот важный компонент системы имеет сложную конструкцию и состоит из:
- Термоэлемента.
- Диафрагмы.
- Капиллярной трубки.
- Термобаллона.
Эти элементы могут быть повреждены при высоких температурах, поэтому при пайке системы клапан следует защищать с помощью асбестовой ткани. Регулирующий клапан должен совпадать по производительности с испарителем.
После завершения изготовления основных конструктивных узлов наступает серьезный этап — сборка всех частей в одно целое. Важным моментом является закачка хладагента или теплоносителя в систему.
Выполнить эту операцию самостоятельно вряд ли получится у рядового человека. Лучше обратиться к профессионалам, занимающимся ремонтом и обслуживанием климатического оборудования.
Сотрудники данной области, как правило, располагают всем необходимым оборудованием. Они способны не только заправить систему хладагентом, но и протестировать ее функциональность. Неправильная закачка хладагента может не только привести к сбоям в работе оборудования, но также вызвать серьезные травмы. К тому же для корректного запуска системы требуется специальное оснащение.
При запуске системы наблюдается резкое увеличение пусковой нагрузки, которое обычно достигает около 40 А. Поэтому для успешного запуска системы необходимо наличие пускового реле. Также важно провести регулировку клапана и давления хладагента после первого запуска.
К выбору хладагента следует подходить очень внимательно, так как это вещество играет ключевую роль в передаче тепловой энергии. Среди современных хладагентов наиболее распространены фреоны — это производные углеводородов, в составе которых некоторые атомы углерода заменены на другие элементы.
В ходе сборки компонентов теплового насоса должен сформироваться замкнутый контур, по которому будет циркулировать рабочая среда.
В результате этих манипуляций была создана система с замкнутым контуром, в которой хладагент будет перемещаться, извлекая и передавая тепловую энергию от испарителя к конденсатору. При интеграции тепловых насосов в систему отопления дома важно учитывать, что температура воды, выходящей из конденсатора, должна составлять не более 50-60 градусов.
Из-за низкой температуры тепла, вырабатываемого тепловым насосом, в качестве отопительных приборов рекомендуется использовать специализированные устройства. Это могут быть теплые полы либо объемные радиаторы из алюминия или стали с низкой инерционностью и большой площадью отдачи тепла.
Самодельные тепловые насосы целесообразно рассматривать как вспомогательное оборудование, которое дополняет и поддерживает работу основного источника тепла.
С каждым годом конструкции тепловых насосов становятся все более совершенными. В промышленных моделях, предназначенных для бытового применения, используются более эффективные теплообменные поверхности, что способствует постоянному росту производительности систем.
Ключевым фактором, способствующим развитию технологий производства тепловой энергии, является их экологичность. Такие системы отличаются высокой эффективностью и не загрязняют окружающую среду. Отсутствие открытого пламени делает их эксплуатацию абсолютно безопасной.
Выводы и полезное видео по теме
Видео #1. Обзор процесса создания простейшего самодельного теплового насоса с теплообменником из РЕХ трубы:
Видео #2. Продолжение инструкций по сборке:
Тепловые насосы уже давно используются в качестве альтернативных систем отопления. Эти установки отличаются надежностью, долгим сроком службы и, что немаловажно, являются экологически безопасными. Они становятся все более популярными как эффективное и безопасное решение для современного отопления.
Если у вас есть вопросы или вы хотите поделиться интересным способом создания теплового насоса, не упомянутым в статье, не стесняйтесь оставлять комментарии в блоке ниже.
