Создание теплового насоса воздух-вода: схемы и инструкции для самодельщиков

Поскольку стоимость традиционных источников тепла постоянно растёт, альтернативные варианты обогрева становятся всё более актуальными. Одним из таких решений является тепловой насос воздух-вода, который использует энергию окружающего воздуха для отопления. Это устройство не требует значительных затрат на материалы, удобное в использовании и безопасное.

Из-за высокой цены на заводское оборудование многие заинтересованы в его самодельном варианте. В данной статье мы подробно расскажем о том, что необходимо для сборки теплового насоса своими руками, и какие инструменты вам понадобятся для этого.

Характеристики теплового насоса воздух-вода

Этот вид теплового насоса, о котором идет речь, обладает определёнными преимуществами по сравнению с другими его типами, такими как вода-вода и грунт-вода:

• снижает потребление электроэнергии;
• не требует больших земельных работ, бурения скважин и получения разрешений;
• может быть полностью автономным при подключении к солнечным панелям.

Ключевое преимущество системы, извлекающей энергию воздуха и передающей её воде, заключается в её полной экологичности.

Прежде чем начать сборку насоса, важно понять, в каких условиях система работает наиболее эффективно, а когда её использование нецелесообразно.

Данная тепловая насосная система, захватывающая воздух, может быть использована для подогрева различных теплоносителей, используемых на территории СНГ, включая воду, воздух и пар.

Особенности работы и применения

Тепловой насос работает наиболее эффективно при температурах в диапазоне от -5 до +7 градусов Цельсия. Если температура выше +7, система производит больше тепла, чем необходимо, а при температуре ниже -5 – не способна обеспечить достаточный уровень обогрева. Это объясняется тем, что фреон в системе закипает при температуре -55 градусов.

При установке теплового насоса воздух-вода на фасаде вашего дома появится компактный и аккуратный прибор.

Как и любой другой тепловой насос, система воздух-вода состоит из двух связанных компонентов: внутреннего и внешнего блоков.

Внутренний блок обрабатывает энергию, извлечённую из воздуха, нагревая воду для систем отопления и горячего водоснабжения.

Для повышения производительности системы внешний блок может быть дополнен необходимым количеством модулей.

Тепловые насосы воздух-вода эффективно нагревают воду для центрального отопления.

Тепловые установки воздух-вода обеспечивают горячую воду для ванных комнат и кухонь в частных домах с автономными системами.

Наиболее распространённый потребитель тепла от насосов воздух-вода – водяной тёплый пол.

К тепловому насосу подсоединяются низкотемпературные контуры отопления.

Процесс установки теплового насоса воздух-вода включает несколько компонентов.

Состав внутреннего блока системы воздух-вода.

Компоненты внешнего блока теплового насоса.

Использование теплового насоса в парах и водяных системах отопления.

Подготовка воды для подачи в горячее водоснабжение.

Тёплый пол является главным потребителем тепла.

Приборы для низкотемпературных отопительных контуров.

Хотя теоретически система способна производить тепло и при -30 градусах, его недостаточно для полноценного обогрева, так как тепловая мощность зависит от разницы температур между фреоном и воздухом.

Поэтому для северных регионов, где зимы наступают достаточно рано, эта система не подойдёт. В то время как в тёплых южных областях она сможет эффективно функционировать несколько холодных месяцев.

Если в помещении установлены стандартные радиаторы, тепловой насос будет работать менее эффективно. Наилучшим образом устройство воздух-вода сочетается с конвекторами, радиаторами с большой площадью, а также системами «тёплый пол» и «тёплые стены» из воды.

Также само помещение должно быть хорошо теплоизолировано снаружи и иметь многокамерные окна, которые обеспечивают лучшую теплоизоляцию, чем обычные деревянные или пластиковые.

Тепловой насос наиболее эффективно работает в водяной системе «тёплый пол», которая не требует нагрева теплоносителя выше 40–45 °C.

Самодельный тепловой насос сможет качественно обогревать дома площадью до 100 кв. м и обеспечивать мощность в 5 кВт. Но следует помнить, что качественно заправить фреоном конструкцию, сделанную в домашних условиях, невозможно, поэтому стоит ожидать температуры кипения до -22 градусов.

Устройство, сделанное самостоятельно, будет отлично подходить для обогрева гаражей, теплиц, подсобных помещений и небольших частных бассейнов. Обычно такая система используется для дополнительного отопления.

В любом случае потребуется электрокотел или другое традиционное оборудование, особенно в морозы (-15-30 градусов), когда рекомендуется отключить тепловой насос, чтобы избежать лишних затрат на электроэнергию, так как в этот период его эффективность падает до 10%.

Тепловые насосы могут обеспечивать достаточным количеством энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах.

Принцип работы системы

Рабочим веществом в данной системе является воздух. Через наружный блок, установленный на улице, воздух поступает в испаритель, где он контактирует с хладагентом.

При нагревании хладагент переходит в газообразное состояние (закипает при -55 градусах) и под давлением попадает в компрессор. Компрессор сжимает газ, увеличивая его температуру.

Горячий фреон поступает в конденсатор (накопительный бак), где он передаёт тепло воде, которую затем можно использовать для отопления и горячего водоснабжения. В конденсаторе фреон теряет лишь часть тепла и продолжает находиться в газообразном состоянии.

После прохода через дроссель хладагент распыляется, в результате чего его температура понижается. Фреон становится жидким и перемещается обратно в испаритель, таким образом цикл повторяется.

На рисунке схематически изображён принцип работы простого теплового насоса, разделённого компрессором и расширителем на два контура – высокого и низкого давления.

Тем, кто хочет самостоятельно собрать тепловой насос из использованных материалов и техники, например, из старого холодильника, поможет информация, изложенная в нашей рекомендованной статье.

Создание теплового насоса воздух-вода

Система теплового насоса состоит из четырёх ключевых элементов:

• внешнего блока;
• емкости теплообменника-испарителя;
• компрессорного блока;
• накопительного бака (конденсатора).

Рассмотрим детали сборки каждого из этих блоков.

Сборка внешнего блока

Для создания наружного блока вам понадобятся:

• Корпус. Обычно используется корпус от сплит-систем, стиральной машины или другого крупногабаритного устройства, но также можно создать его самостоятельно, сварив металлические элементы. Важно обработать металлоконструкцию антикоррозийной краской.
• Вентилятор. Вентилятор можно взять из старой системы кондиционирования или приобретать отдельно.

Вентилятор должен иметь широкие пластиковые лопасти и, желательно, отсоединяемый мотор, чтобы его можно было подключить к датчику.

Для сборки наружного блока необходимы корпус и вентилятор из системы кондиционирования. Размеры блока могут составлять около 75х85х30 см.

Внутри наружного блока можно установить испаритель и дополнительные элементы, но лучше поместить эти детали в отдельный корпус.

Наружный блок устанавливается на расстоянии 2-10 метров от дома. Важно сделать для него основание и навес, чтобы защитить от осадков. Также рекомендуется установить сетку перед вентилятором для предотвращения попадания грязи и мусора.

Дополнительно целесообразно установить обогреватели, защищающие боковины от обледенения. В этом случае не понадобится дополнительный обогрев корпуса. Место установки блока должно быть хорошо проветриваемым и находиться на безопасном расстоянии от потенциальных источников огня.

Блок с теплообменником-испарителем

Испаритель можно приобрести готовым или изготовить самостоятельно. Для самодельного варианта потребуется 80-литровая ёмкость и медная проволока диаметром 10 мм и толщиной не менее 1 мм.

Длина проволоки рассчитывается индивидуально, в зависимости от требуемой мощности. Для установки мощностью 5 кВт можно взять 10 метров. В испарителе будет происходить нагрев и циркуляция фреона, а также его контакт с воздухом.

Для создания теплообменника необходимо изготовить змеевик. Для этого проволоку оборачивают вокруг толстой трубы, диаметр которой не превышает ширины ёмкости. Важно оставить выступающие концы, которые будут использоваться для подключения змеевика к компрессору и баку.

Медную трубку диаметром около 1 мм можно обмотать вокруг газового баллона, трубы или наполненной водой пластиковой бутылки.

В корпусе необходимо сделать два штуцера для трубопроводов и два разъема для выхода проволоки. Соединения герметизируют. Готовая конструкция крепится с помощью L-образных кронштейнов.

Чтобы обеспечить эффективную работу испарителя, рекомендуется установить реле оттаивания, так как в баке будет происходить циркуляция холодного воздуха. Это поможет избежать обледенения испарителя из-за накопления конденсата. Кроме того, для предотвращения образования влаги можно использовать фильтр-осушитель.

Установка компрессора: основные правила

При закреплении компрессора следует использовать отдельный кожух с хорошей звуко- и виброизоляцией, так как большинство моделей работают шумно. Можно использовать б/у компрессор, взятый из старого холодильника или кондиционера, или приобрести новую единицу.

Для тепловых насосов подходят следующие типы компрессоров:

1. Роторные компрессоры, которые являются самыми доступными по цене, но имеют ограничения в эффективности и служат всего 8-10 лет, а также создают приличный шум.
2. Спиральные модели популярны в современных кондиционерах и холодильниках. Они более долговечны (около 15-20 лет), работают тихо и имеют высокую эффективность, но стоят дороже.
3. Поршневые компрессоры, как правило, используются в промышленных холодильниках. Эти устройства обладают отличным КПД и долговечностью (15-20 лет), но обладают характерным шумом и высокой ценой.

Для работы теплового насоса требуется компрессор однофазного типа. Перед покупкой убедитесь, какой фреон подходит для устройства — предпочтителен фреон марки R22, а ещё лучше R422, так как с ним легче работать по сравнению с другими типами.

Компрессор соединяется с блоком испарителя и конденсатора с помощью трубок. Во время работы компрессор нагревает фреон, повышая его температуру.

Изготовление накопительного объема (конденсатора)

Для конструирования конденсатора потребуется корпус от 100-литрового бойлера или аналогичный нержавеющий бак. Также понадобится змеевик из медной трубки. Для насоса с мощностью 5 кВт можно использовать 12 м проволоки. По змеевику будет проходить горячий фреон, что приведёт к нагреву воды.

Шаг 1: Изготовление змеевика

Для создания змеевика нужен медный провод с диаметром не менее 26 мм и толщиной стенки от 1 мм. Его следует аккуратно намотать на более тонкую трубу, чем сама емкость.

Спираль должна иметь высоту, равную высоте корпуса. Важно удлинить трубные выходы за пределы бака для удобного подключения к испарителю и компрессору.

Шаг 2: Подготовка корпуса

Для установки змеевика потребуется разрезать бак. В верхней и нижней части создайте отверстия для выхода медной проволоки, а также сделайте дополнительные пазы для двух штуцеров: один для выхода воды, другой — для входа. После всех манипуляций необходимо обеспечить герметичность бака.

Теплообменник-компрессор можно приобрести в готовом виде, что повысит производительность и эффективность системы.

Согласно Монреальскому протоколу, к 2030 году планируется запретить фреон марки R22, поэтому целесообразнее использовать его заменители, такие как R422.

Соединение внешнего блока с испарителем

Для соединения внешнего блока с испарителем понадобится две полиэтиленовые трубы диаметром 32 мм. Через одну трубу будет поступать воздух, а через другую — выходить.

Трубы можно уложить в землю, предварительно скорректировав их с песком, или оставить на поверхности, если внешний корпус располагается близко к дому.

Соединение испарителя, компрессора и бака

В данной системе будет циркулировать фреон. Для подключения змеевиков к компрессору и дросселю желательно обратиться к специалистам в области холодильной техники. Без опыта в пайке даже с необходимыми инструментами и материалами трудно создать полноценную систему.

Также понадобятся дополнительные материалы: трубки разных диаметров, сливные краны, воздушные клапаны, предохранительные клапаны, клипсы, хомуты и труборезы для резки труб.

Специальные инструменты, необходимые для качественной доработки системы, доступны в любом сервисном центре по ремонту холодильников и кондиционеров.

Качественное закачивание фреона также требует специализированного оборудования. Поэтому лучше доверить объединение теплообменников, компрессора и дросселя профессионалам.

Внедрение систем управления установкой

Для мониторинга давления и температуры фреона можно использовать плату с дисплеем от любого кондиционера. Работа с пайкой и настройка устройства будет проще с помощью специалистов.

Возможно также подключение специфического датчика, который будет контролировать скорость вращения вентиляторов и автоматически регулировать обороты циркуляционного насоса.

В дополнение к этому можно установить таймер, электропускатель и защитное устройство для компрессора от перегрева. Эти комплектующие легко найти на рынке запчастей или в сервисных центрах.

Расчет мощности теплового насоса воздух-вода

Чтобы обогреть помещение площадью более 100 кв. м, потребуется более мощный тепловой насос. Приблизительно определить необходимую мощность установки можно, используя таблицу:

Данные в таблице помогут расчитать площадь змеевиков для конструкции нужной мощности.

Чтобы выяснить, какая мощность должна быть у компрессора и какие диаметры труб использовать, следует обратиться к нескольким методам:

• Воспользоваться онлайн-калькуляторами, доступными на сайтах производителей теплообменников.
• Использовать программу CoolPack 1.46 или Copeland.
• Пригласить специалиста для снятия необходимых измерений и проведения расчетов.

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

ПЗК = М/0,8ДТ,

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

Эти параметры подходящие для помещения площадью до 100 кв. метров с мощностью установки 5 кВт. Если использовать специальные теплообменники, мощность может быть увеличена до 10-15 кВт.

На иллюстрации изображена система, в которой теплообменники, компрессор и дроссель объединены в одном баке, с использованием заводских теплообменников (+).

Обслуживание самодельной установки

Для стабильной работы теплового насоса требуется регулярное обслуживание. Если устройство используется зимой без дополнительного обогрева, время от времени его придется отогревать для предотвращения образования наледи на поверхности.

Кроме того, необходимо периодически:

• Удалять мусор — листья, грязь, снег и т. д. — с лопастей вентилятора.
• Смазывать компрессор согласно инструкции.
• Заменять масло в компрессоре и вентиляторе.

Также необходимо регулярно проверять целостность медного трубопровода и электропроводки, питающей компрессор, вентилятор и другие компоненты системы.

Выводы и полезное видео

С содержанием и принципом работы теплового насоса, использующего энергию ветра, можно ознакомиться в следующем видео:

Самодельный тепловой насос системы воздух-вода представляет собой один из эффективных и доступных способов для дополнительного обогрева помещений. Его изготовление и установка возможны для любого желающего.

Оставляйте комментарии в разделе ниже. Возможно, у вас есть интересные мнения, фотографии или вопросы по данной теме? Поделитесь своими соображениями и рекомендациями, которые могут быть полезны другим посетителям сайта.