Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка

С учётом постоянного роста цен на энергоресурсы, всё больше людей ищут альтернативные способы отопления. Например, удобный тепловой насос «воздух-вода», который использует энергию воздуха для обогрева помещений. Эта установка требует минимальных затрат на материалы, проста в использовании и безопасна.

С учётом высокой стоимости фабричных моделей, многие интересуются, возможно ли самостоятельно сконструировать такую систему. В данной статье мы расскажем, что нужно для создания самодельного теплового насоса и какие инструменты понадобятся мастеру.

Особенности тепловой системы воздух-вода

Обсуждаемый в материале тепловой насос, в отличие от других типов (например, «вода-вода» и «грунт-вода»), имеет несколько важных преимуществ:

• снижает расход электроэнергии;
• для установки не требуются масштабные земляные работы, бурение или получение разрешений;
• с подключением солнечных панелей можно добиться полной автономности системы.

Ключевое преимущество системы, использующей воздушную энергию, заключается в её полной экологичности.

Перед тем как начать построение насоса, желательно выяснить, в каких условиях система работает с максимальной эффективностью, а когда её использование нецелесообразно.

Тепловой насос, использующий воздух как источник энергии, способен подогревать различные теплоносители, применяемые в СНГ: воду, воздух и пар.

Характеристики применения и работы

Насос может эффективно функционировать только в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре выше +7 система будет производить больше тепла, чем необходимо, а при температуре ниже -5 градусов не сможет обеспечить достаточно тепла. Это обусловлено тем, что хладагент закипает при -55 градусах.

При установке теплового насоса «воздух-вода» на фасаде дома будет размещён компактный прибора.

Как и все тепловые насосы, система «воздух-вода» состоит из двух основных частей: внешнего и внутреннего блоков.

Внутренний блок обрабатывает энергию, заимствованную из воздуха, и нагревает воду для отопления и горячего водоснабжения.

Для повышения эффективности внутренний блок можно дополнить необходимыми модулями.

Системы «воздух-вода» прекрасно справляются с нагревом воды, используемой в системах отопления.

Они обеспечивают горячей водой санузлы и кухни в частных домах с автономными системами.

Одним из наиболее распространённых применений тепловых насосов «воздух-вода» является поддержание температуры в водяных тёплых полах.

К подобному источнику энергии подключаются низкотемпературные отопительные контуры.

Тепловой насос «воздух-вода» может вырабатывать тепло даже при морозах до -30 градусов, но этого тепла будет недостаточно для обогрева, так как производительность зависит от разницы температур.

В регионах с низкими температурами эта система не будет эффективной, тогда как на юге она сможет работать несколько холодных месяцев.

Если в доме установлены обычные радиаторы, эффективность теплового насоса снижается. Наилучшей парой для устройства «воздух-вода» будут конвекторы и радиаторы с большой площадью, а также водные системы «тёплый пол» и «тёплые стены».

Помещение также должно быть хорошо утеплено, с многокамерными окнами, которые обеспечивают лучшую теплоизоляцию, чем стандартные деревянные или пластиковые модели.

Тепловой насос наиболее эффективно работает с системой «тёплый пол», которая требует максимального нагрева теплоносителя не выше 40-45ºC.

Самостоятельно собранный тепловой насос может пригодиться для обогрева домов площадью до 100 квадратных метров и обеспечивать мощность около 5 кВт. Однако следует учесть, что в условиях самоделки заполнить систему фреоном качественно будет сложно, поэтому стоит рассчитывать на рабочие температуры до -22 градусов.

Устройство, сделанное своими руками, отлично подойдёт для обогрева гаража, теплицы, складских помещений или небольшого бассейна. Оно обычно используется в качестве дополнительного источника тепла.

Электрокотёл или другое традиционное отопительное оборудование понадобятся в любом случае. В условиях сильного холода (от -15 до -30 градусов) рекомендуется отключать тепловой насос, чтобы не тратить лишнюю электроэнергию, так как его эффективность в этот период не превышает 10%.

Системы тепловых насосов способны отапливать воду в крытых частных бассейнах.

Принцип работы системы

Рабочее вещество системы – воздух. Из внешнего блока, установленного на улице, воздух поступает в испаритель, где происходит взаимодействие с хладагентом.

Хладагент, нагреваясь, превращается в газ (так как закипает при -55 градусах) и сжимается в компрессоре, что приводит к увеличению его температуры.

Горячий хладагент поступает в конденсатор, где передаёт тепло воде, что позволяет использовать её для отопления и горячего водоснабжения. В этом процессе хладагент теряет лишь часть своего тепла и остаётся в газообразном состоянии.

После дросселя хладагент распыляется, тем самым его температура снижается. Он становится жидким и возвращается в испаритель. Цикл повторяется.

На рисунке показан принцип работы простейшего теплового насоса, разделённого компрессором и расширителем на два давления – высокое и низкое.

Для тех, кто хочет самостоятельно собрать тепловой насос из подручных материалов или старой техники, например, из холодильника, полезна информация из нашей рекомендованной статьи.

Сооружение теплового насоса воздух-вода

Конструкция теплового насоса включает в себя четыре ключевых элемента:

• внешний блок;
• емкость теплообменника-испарителя;
• блок с компрессором;
• накопительная ёмкость (конденсатор).

Рассмотрим детали сборки каждого из блоков.

Сборка внешнего блока

Для создания внешнего блока потребуются:

• Корпус. Обычно используют блок от сплит-системы или стиральной машины, иногда создают самостоятельно, сварив металлические элементы. Не забудьте обработать металл антикоррозийной краской после сборки.
• Вентилятор. Его можно взять из старого кондиционера или приобрести отдельно.

Венитлятор должен обладать широкими пластиковыми лопастями и желательно, чтобы его мотор был отделяемым для подключения к датчику.

Размеры внешнего блока могут быть приблизительно 75x85x30 см.

В наружный блок можно интегрировать испаритель и все необходимые элементы, но целесообразнее поместить их в отдельный корпус.

Наружный блок устанавливают на расстоянии от 2 до 10 метров от здания. Важно предусмотреть фундамент и навес, чтобы защитить устройство от дождя и снега. Также необходимо установить решётку перед вентилятором для защиты от мусора и листвы.

Дополнительно можно установить обогреватели для защиты стенок и панелей от обледенения, чтобы избегать дополнительного прогрева блока. Место под установку должно быть хорошо вентилируемым и удалённым от источников открытого огня.

Блок с теплообменником-испарителем

Испаритель можно либо купить, либо создать самостоятельно. Для этого потребуется 80-литровый бак и медная проволока диаметром 10 мм и толщиной не менее 1 мм.

Длина проволоки рассчитывается индивидуально в зависимости от нужной мощности. Для системы на 5 кВт следует использовать около 10 метров. Испаритель будет отвечать за нагрев и циркуляцию хладагента и его контакт с воздухом.

Для создания теплообменника делается змеевик. Проволоку обвивают вокруг прочной трубы, диаметр которой не должен превышать ширину бака. Важно оставить срезы, которые приключать для соединения змеевика с другими элементами системы – компрессором и накопительным баком.

Можно обмотать медную трубку с толщиной около 1 мм вокруг газового баллона или подходящей пластиковой бутылки.

Установите два штуцера в корпус для подключения трубопроводов и создайте два разъема для проволоки. Все соединения должны быть герметизированы, а готовая конструкция крепится с помощью L-образных кронштейнов.

Стоит дополнительно установить реле оттаивания на испаритель, поскольку в баке будет циркулировать воздух, температура которого может быть отрицательной. Это может привести к обледенению испарителя. Также можно использовать фильтр-осушитель для предотвращения образования влаги.

Инструкции по установке компрессора

Для монтажа компрессора необходимо выделить отдельный корпус с шумо- и виброизоляцией, поскольку большинство моделей данного устройства работают с шумом. Компрессор можно использовать б/у, извлеченный из холодильника или кондиционера, или же купить совершенно новый агрегат.

Для тепловых насосов рекомендованы такие типы компрессоров:

1. Роторные компрессоры – это самый бюджетный вариант, однако у них есть недостатки: высокая шумность, низкая эффективность и срок службы составляет всего 8-10 лет.
2. Спиральные модели используются в современных кондиционерах и холодильниках. Они имеют долгий срок службы (15-20 лет), работают тихо и эффективно, но отличаются высокой ценой.
3. Поршневые модели чаще всего устанавливаются на промышленные холодильники. Они характеризуются хорошей эффективностью и долговечностью (до 20 лет), но при этом являются довольно шумными и дорогими.

Для установки теплового насоса следует выбрать однофазный компрессор. При покупке стоит уточнить, с каким типом хладагента работает устройство. Лучше выбрать модель, работающую на R22, а еще лучше на R422, так как с последним работать намного проще.

Компрессор подключается по трубкам к испарителю и конденсатору. За счет его работы температура фреона возрастает.

Проектирование накопительного резервуара (конденсатора)

Для сооружения конденсатора понадобится контейнер от 100-литрового бойлера или любой другой аналогичный бак из нержавеющей стали. Также требуется медный змеевик. Для насоса с мощностью 5 кВт подойдет змеевик длиной 12 метров. По этому змеевику будет проходить горячий фреон, что приведет к нагреву воды.

Этап 1: Изготовление змеевика

Для создания змеевика потребуется медная проволока с диаметром не менее 26 мм и толщиной стенки от 1 мм. Ее нужно намотать на трубу меньшего диаметра, чем у бака.

Высота спирали должна соответствовать высоте корпуса. Важно, чтобы концы труб выходили за пределы контейнера для последующего подключения змеевика к испарителю и компрессору.

Этап 2: Подготовка корпуса

Чтобы установить змеевик, необходимо разрезать бак. В верхней и нижней частях нужно сделать отверстия для выхода медной проволоки, а также вырезать дополнительные пазы для установки двух штуцеров – для входа и выхода воды. После выполнения всех манипуляций бак следует тщательно герметизировать.

Теплообменник-компрессор можно также приобрести отдельно в готовом виде. Использование заводской конструкции может повысить эффективность и мощность всей установки.

Согласно Монреальским соглашениям, хладагент R22 должен быть выведен из оборота к 2030 году. Рекомендуется использовать его заменитель – R422.

Соединение внешнего блока с испарителем

Чтобы соединить внешний блок с испарителем, необходимо прокладывать две полиэтиленовые трубы ПНД 32. Одна труба будет вести воздух, а другая – выгонять его.

Трубы можно закопать в землю, предварительно заполнив траншею песком, или оставить на поверхности, если внешний блок находится близко к дому.

Установка соединений между испарителем, компрессором и баком

В этой системе происходит циркуляция фреона. Для подключения змеевиков к компрессору и дросселю желательно обратиться к профессионалам в области холодильной техники. Без опыта пайки даже с подходящими инструментами и материалами сложно будет создать ориентацию и соединения для работы всей системы.

Также потребуется множество дополнительных материалов – трубок различных диаметров, разных видов сливных кранов, клапанов для выпуска воздуха, предохранительных клапанов, а также клипс для труб, хомутов и труборезов для разрезания труб.

Кроме того, понадобятся специализированные инструменты, которые можно найти в любом сервисном центре по ремонту холодильников и кондиционеров.

Качественная закачка фреона осуществляется с помощью специального оборудования. Поэтому, чтобы совместить теплообменники, компрессор и дроссель в функционирующую систему, лучше доверить это профессионалам.

Интеграция систем управления установкой

Для контроля за температурой и давлением фреона можно использовать дисплейную плату от любого кондиционера. Специалисты помогут грамотно интегрировать ее в установку во время пайки.

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

Дополнительно можно установить таймер, электропускатель и устройство для защиты компрессора от перегрева. Все эти компоненты доступны в магазинах или на рынках запчастей.

Определение мощности теплового насоса воздух-вода

Для обогрева помещения площадью от 100 квадратных метров потребуется тепловой насос большей мощности. Приблизительный расчет необходимой мощности можно сделать, используя таблицы:

Эти данные помогут определить необходимую площадь змеевика для создания установки нужной мощности.

Чтобы вычислить необходимую мощность компрессора, диаметр труб и другие важные параметры при проектировании теплового насоса воздух-вода, можно воспользоваться следующими методами:

• Использовать онлайн-калькуляторы на сайтах производителей теплообменников.
• Применить специализированное программное обеспечение CoolPack 1,46, Copeland.
• Обратиться к специалисту, который проведет необходимые замеры и расчеты.

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

ПЗК = М/0,8ДТ,

где М — мощность установки в кВт; 0,8 — коэффициент теплопроводности для контакта воды и меди; ДТ — разность температур между входящим и выходящим воздухом в системе.

Эти параметры подходят для помещений до 100 квадратных метров, а мощность установки составляет 5 кВт. При использовании специализированных теплообменников мощность может быть увеличена до 10-15 кВт.

На рисунке представлена система, в которой теплообменники, компрессор и дроссель объединены в одном баке. В конструкции используются ранее изготовленные теплообменники (+).

Уход за самодельной установкой

Чтобы тепловой насос работал эффективно, важно периодически проводить его обслуживание. Если устройство используется зимой, и дополнительный обогрев не установлен, его может потребоваться отогревать из-за образования льда на поверхности.

Регулярная проверка должна включать:

• Очистку лопастей вентилятора от мусора, такого как листья, пыль и снег.
• Смазку компрессора в соответствии с руководством к нему.
• Замена масла в компрессоре и вентиляторе.

Кроме того, для корректной работы системы нужно регулярно проверять состояние медных трубопроводов, силовых кабелей, питающих компрессор, вентилятор и другие устройства.

Выводы и полезное видео по теме

Подробности о принципе функционирования и устройстве теплового насоса, использующего энергию ветра, можно узнать из следующего видеоролика:

Самодельный тепловой насос системы воздух-вода является эффективным и экономичным решением для дополнительного отопления. Создать и установить эту систему под силу любому желающему.

Не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже. Возможно, у вас есть интересные факты или фотографии по этой теме? Задавайте свои вопросы, делитесь мнением и полезными советами для посетителей сайта.