Тепловой насос для отопления дома своими руками

Немного теории

Использовать природное тепло земли для обогрева жилья проще всего при наличии в регионе геотермальных вод (как это делают в Исландии). Но такие условия большая редкость.

И в то же время тепловая энергия есть везде — надо только ее извлечь и заставить работать. Для этого и служит тепловой насос. Что он делает:

  • отбирает энергию у низкотемпературных природных источников;
  • аккумулирует ее, то есть поднимает температуру до высоких значений;
  • отдает ее теплоносителю системы отопления.

В принципе, используется стандартная схема компрессорного холодильника, но «наоборот». В первом контуре циркулирует природный теплоноситель. Он замкнут на теплообменник, выполняющий функцию испарителя для второго контура.

1 — земля; 2 — циркуляция рассола; 3 — циркуляционный насос; 4 — испаритель; 5 — компрессор; 6 — конденсатор; 7 — система отопления; 8 — хладагент; 9 — дроссель

Второй контур — это и есть сам тепловой насос, внутри которого находится фреон. Цикл теплового насоса состоит из следующих этапов:

  1. В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
  2. В газообразном состоянии фреон поступает в компрессор и сжимается до 25 атмосфер, при этом его температура растет (чем больше сжатие, тем выше температура). Это и есть фаза аккумуляции тепла — из большого объема с низкой температурой переход в малый объем с высокой температурой.
  3. Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
  4. После охлаждения фреон попадает в дроссель (он же регулятор потока или терморегулирующий вентиль). В нем давление падает, фреон конденсируется и в виде жидкости возвращается в испаритель.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Тепловой насос для отопления дома своими руками

Он основан на сборе тепла из окружающего пространства и использовании его для системы отопления дома с целью уменьшения затрат на эту функцию. Аппараты такого типа имеются во многих домах, это холодильники, сплит – системы и кондиционеры. Некоторые из них имеют двойное назначение, выполняя по выбору пользователя либо отопление, либо охлаждение помещений в зависимости от потребности.

Теоретической основой таких машин является обратный цикл Карно. Но, не вникая в подробности, просто опишем процесс работы такого устройства.

Рис.1. Принципиальная схема работы теплового насоса в сети отопления

Рабочим телом в таких устройствах, как и в холодильниках, является фреон или аммиак, который компрессором нагнетается в нагревательный контур. При этом давление внутри системы резко повышается, поскольку выход теплоносителя перекрыт дросселем. Полученным теплом согревается теплоноситель в системе отопления дома, как правило, температура достигает уровня 64оС.

Горячий поток дополняет циркулирующий в основной отопительной сети, снижая потребление топлива. При определенном давлении дроссель открывается, и рабочее тело поступает в камеру испарителя. При этом его температура снижается. Дополнительное тепло получается из регистра сбора тепла. Далее цикл повторяется, как и в устройстве холодильника.

Тепловым насосом называют не отдельно взятый прибор, а установку, состоящую из следующих компонентов:

  • Циркуляционного насоса;
  • Испарителя;
  • Компрессора;
  • Конденсатора;
  • Других коммуникаций в зависимости от типа установки.

Все элементы соединены в цепь при помощи трубопровода. Задачами системы являются сбор энергии, выделение тепла и перенос его к месту потребления. Примерами работы простейшего теплового насоса являются холодильник, кондиционер или сплит-система. Испаритель и конденсатор выполняют роль теплообменников.

Разобравшись в принципе работы теплонасоса, не составит труда сделать такое устройство самостоятельно

Теплонасосные установки можно классифицировать по источнику и носителю тепла.

Виды устройств различают по двум признакам. Первый из них – среда, которая является источником энергии, второй – носитель, которому энергия передаётся, и который непосредственно обеспечивает обогрев жилища. Выделяют следующие типы систем:

  • Воздух – воздух;
  • Воздух – вода;
  • Вода – вода;
  • Земля – вода;
  • Земля – воздух.

Насос приводится в действие электрическим током, дизельным генератором или работает от солнечной батареи. Теплоноситель (вода или воздух) циркулирует по трубкам, проходит через испаритель и отдаёт тепло хладагенту. Происходит переход хладагента из жидкого в газообразное состояние. Компрессор сжимает газ с повышением температуры.

В конденсаторе происходит выделение энергии и нагревание теплоносителя. Далее вещество, нагретое до высокой температуры, поступает в систему отопления дома. Выходит теплоноситель уже охлаждённым, цикл повторяется. Таким образом, затраты электроэнергии (либо другого источника энергии) идут только на работу циркуляционного насоса и теплового прибора. Обогрев дома происходит не электричеством, а теплом природного накопителя энергии.

Технология, лежащая в основе теплового насоса, по сути своей, мало чем отличается от технологии функционирования обычного холодильника. Как вы знаете, холодильник, для обеспечения низкой температуры выкачивает тепло из камер, и передает его наружу, через радиаторы.

На этом же принципе основывается и технология теплового насоса: для отопления помещений он «выкачивает» тепло из земли, или воды, перерабатывает его и отдает в систему отопления дома, теплицы либо бассейна.

Хладагент (фреон, либо аммиак), циркулирует по системе, состоящей из внутреннего и внешнего контура. Внешний контур расположен в среде забора тепла. В качестве такой среды может выступать воздух, земля, либо вода.

Сама схема теплового насоса несложная: испаритель — компрессор — конденсатор — дроссель — испаритель.

«Сердце» схемы — это компрессор. Можно купить новый, но дешевле подыскать б/у. Естественно, речь идет не о маломощных компрессорах бытовых холодильников, а о моделях, устанавливаемых в сплит-системах. Ориентироваться надо не на потребляемую мощность, а на мощность в режиме обогрева (которая выше чем в режиме охлаждения на 5–20%).

Предлагаем ознакомиться  Батареи отопления как правильно регулировать

Выбирают модель компрессора по соотношению 1 кВт на 10 кв. метров отапливаемой площади.

Внимание! Может указываться мощность не только в кВт, но и в BTU (английская единица измерения тепловой энергии, принятая для климатической техники). Пересчет сделать просто — значение в BTU разделить на 3,4.

При расчете параметров теплонасоса, в том числе теплообменников, используют программное обеспечение, предназначенное для моделирования, расчетов и оптимизации систем охлаждения, например, CoolPack

Уже на стадии расчетов (а точнее, при задании «вводных») можно оптимизировать систему, выбрав оптимальные тепловые режимы.

Использование теплового насоса эффективно для низкотемпературных систем отопления, например, для теплых полов с температурой не выше 35–40 °C. Кстати, эта же температура рекомендована по медицинским требованиям для системы ГВС.

Для каждого типа фреона есть оптимальные температуры «входа» и «выхода», точнее, кипения и конденсации, но разница у всех них не более 45–50 °C.

Казалось бы, увеличение температуры на выходе теплового насоса даст положительный эффект, но это не так. Будет расти и разница температур, что приведет к снижению COP (коэффициента преобразования, или КПД тепловой машины). Кроме того, для этого потребуется использование более мощного компрессора и дополнительный расход электроэнергии.

Идеального COP достичь не получится (потери в компрессоре, расход электроэнергии, потери тепла при транспортировке внутри системы и т. п.), поэтому реальные значения обычно лежат в пределах от 3 до 5.

Тепловой насос для отопления дома своими руками

Есть еще один способ повышения эффективности — использование бивалентной схемы отопления.

В реальности работа системы отопления в полную мощность нужна лишь на протяжении 15–20% всего сезона. На это время можно использовать дополнительные отопительные устройства (например, керамический обогреватель или конвектор). Уменьшение расчетной тепловой мощности до 80% позволит сэкономить на компрессоре, уменьшить глубину скважины или длину труб горизонтальной схемы, снизить расход электроэнергии на обслуживание самого теплового насоса.

От заданной номинальной мощности теплового насоса и COP зависит расчет горизонтального или вертикального грунтового теплообменника. В среднем с каждого метра «горизонта» снимают 20 Вт (при шаге укладки труб не менее 0,7 м), а с «вертикали» — 50 Вт. Но конкретные значения зависят от вида породы и ее влажности. Лучшие значения у грунтовых вод.

Интересно! Есть и другие грунтовые теплообменники — «спираль» или «корзина». По сути, это вертикальный зонд из трубы в виде спирали, что позволяет снизить глубину бурения.

После определения длины горизонтального контура или глубины вертикального зонда рассчитывают размеры испарителя и конденсатора.

Принцип работы теплового насоса для отопления дома

Эти устройства чрезвычайно просты и эффективны. Однако для их изготовление важна точность исполнения каждой детали и тщательная балансировка всей системы ротора.

Рис.8. Схема теплового насоса Френетта

При работе такого теплонасоса нагревается масло, и передача тепла в систему отопления дома производится через радиатор. Возможны вертикальные и горизонтальные схемы устройства.

Тепловой насос френетта своими руками для отопления дома можно изготовить, только имея доступ к металлообрабатывающему оборудованию и хорошую слесарную подготовку.

Рис.9. Вариант исполнения самодельного теплонасоса

Заключение

Тепловой насос для отопления дома своими руками

Использование энергии окружающего пространства заслуживает внимания, позволяя сократить расходы на отопление дома. При использовании теплоты геотермальных вод или грунтового подогрева воздуха быстро не окупится в связи с большими трудовыми и финансовыми затратами, однако экономичность процесса не подвергается сомнениям.

Кроме того, имеется возможность использовать теплонасосы как сплит – системы, повышая комфортность проживания, а применение блока автоматического управления облегчит управление устройством.

Тепловой насос своими руками изготовить вполне реально, однако для этого необходимо найти хороший компрессор.

В качестве конденсатора можно использовать бак из нержавейки, ориентировочно на 100 литров. А для контура, по которому будет циркулировать теплообменник, отлично подойдут тонкие медные сантехнические трубки.

Тепловой насос своими руками – этапы изготовления:

  1. С помощью уголка, либо L-образных кронштейнов крепим компрессор к стене в том месте, где будет размещаться тепловой насос.
  2. Далее, из медных трубок делаем змеевик – обматываем их вокруг цилиндра подходящей формы. Следите за тем, чтобы шаг намотки по всем змеевику был идентичен.
  3. Бак разрезается на две части, внутрь вставляется змеевик, после чего бак сваривается обратно. При этом в нём создается несколько резьбовых входных отверстий – сверху и снизу, через которые наружу выводятся крайние трубки змеевика.
  4. В качестве испарителя используем обычную пластиковую бочку, в которую заводятся трубы внутреннего контура (либо любую другую емкость, объем которой идентичен конденсаторному баку).
  5. Для транспортировки прогретой воды используются обычные ПВХ трубы.
    Обмотка для самодельного теплового насоса из стали

    Обмотка для самодельного теплового насоса из стали

Для заправки системы фреоном рекомендуется обратиться к специалисту.

Чтобы сделать тепловой насос Френетта своими руками нам необходимо обзавестись такими материалами:

  • Стальной цилиндр (диаметр выбирайте исходя из мощности насоса, которая необходима вам для отопления: чем больше рабочая поверхность – тем более эффективным будет устройство);
  • Стальные диски, с диаметром на 5-10% меньше, чем диаметр цилиндра;
  • Электродвигатель (лучше всего изначально подбирать привод с удлиненным валом, так как на него будут устанавливаться диски);
  • Теплообменник – любое техническое масло.

Тепловой насос для отопления дома своими руками

От количества оборотов, которое может выдать двигатель, будет зависеть температура, до которой насос Френетта сможет прогреть воду для отопления дома, либо бассейна. Чтобы вода в радиаторах прогрелась до 100 градусов необходимо, чтобы привод обеспечивал 7500—8000 оборотов/мин.

Вал силового агрегата на подшипниках размещаем внутри стального цилиндра. Место, где вал входит в цилиндр должно быть надежно уплотнено, поскольку наличие даже малейших вибраций быстро выводит механизм из строя.

На вал двигателя монтируются рабочие диски. Необходимое расстояние между ними можно задать, накручивая после каждого диска гайки. Количество дисков определяется в зависимости от длины цилиндра – они должны равномерно заполнять весь его объем.

Предлагаем ознакомиться  Какие бывают типы радиаторов отопления

В верхней и нижней части цилиндра просверливаем два отверстия: к верхнему будет подведены отопительные трубы, в которые будет подаваться масло, а к нижнему отверстию подсоединяется обратная труба для возврата использованного масла с радиаторов.

Вся конструкция закрепляется на металлической раме. После того как агрегат собран, цилиндр заполняется маслом, к нему подключаются патрубки отопительной магистрали и выполняется герметизация соединений.

Тепловой насос, созданный на производстве

Тепловой насос, созданный на производстве

Тепловой насос Френетта обладает очень высоким КПД, что позволяет его эффективно использовать в любых отопительных системах. Он может использоваться для обогрева любых хозяйственных помещений, гаражей, и жилых зданий. Кроме этого, за счет компактных размеров такой самодельный насос отлично подходит для прогрева бассейна, либо «теплого пола».

Но помните, что при прогреве бассейна и других крупных емкостей с водой необходим насос достаточной мощности, иначе вы просто будете использовать его не по назначению, и желаемых результатов не получите.к меню ↑

Особенности монтажа тепловых насосов зависят, в первую очередь, от способа размещения внешнего контура.

  1. Геотермальные тепловые насосы. Для вертикального способа монтажа создаются скважины глубиной от 50 до 100 метров, в которые опускается специальный зонд. Для горизонтальной укладки создается траншея на ту же длину либо котлован, в котором трубы укладываются параллельно друг другу. Трубы закладываются в грунт на глубину полутора метров.
  2. Насосы вода-вода: внешний контур укладывается на дне водоема, и выводятся к тепловому насосу.
  3. Воздух-вода: блок с трубами внешнего контура устанавливается на крыше или на стене здания (по внешнему виду его трудно отличить от наружной коробки кондиционера), и подводится к тепловому насосу внутри помещения.

к меню ↑

1. Воздух. При нормальном давлении все типы фреонов закипают при отрицательных температурах (например, R22 — около -25 °C, R404 и R502 — около -30 °C). Но для циркуляции в системе надо создать избыточное давление уже на первой фазе — испарении. Те же 4 атмосферы в испарителе требуют, чтобы температура воздуха на улице была не ниже 0 °C для R22 и -5 °C для R404 и R502. В наших регионах этот тип теплового насоса можно использовать для отопления в межсезонье и для горячего водоснабжения в теплое время года.

2. Вода. Это более стабильный источник тепла, при условии, что водоем зимой не промерзает до дна. Но дом должен не просто находиться рядом с озером или рекой, а быть на первой линии.

3. Земля. Самый стабильный источник тепловой энергии. Можно использовать две схемы — горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная кажется проще тем, что не требует бурения. Но придется проделать большой объем земляных работ по рытью системы траншей на глубину ниже уровня промерзания грунта (для средних широт он колеблется от 1 метра на западе европейской части страны и до 1,6–1,8 ближе к Уралу, в Сибири ситуация «еще хуже».

Ниже описаны некоторые рекомендации по созданию данных приборов:

  •  Первым делом, следует заняться приобретением компрессора, к примеру, такого как в кондиционере. Как правило, он крепится к стенке.
  •  Изготовление другой важной части изделия, конденсатора, вполне реально выполнить своими руками. Чтобы сделать это, нужно медную трубу (диаметр не должен быть меньше 1 мм) изогнуть в форме змеевика, и уже в таком состоянии поместить в глубь металлического или пластикового корпуса. Как корпусом, можно пользоваться баком, подходящим по размерам. По окончании установки змеевика, части бака свариваются, и производится монтаж необходимых резьбовых соединений. Монтаж испарителя также чаще всего производится к стенке. Подсказка: для изготовления качественного змеевика, лучше всего произвести намотку медной сантехнической трубы поверх цилиндрического основания нужной толщины, для этого можно пользоваться газовым баллоном. Для достижения одинакового расстояния между витков, пользуются перфорированным алюминиевым уголком, на который и крепят витки змеевика.
  •  Окончательным монтажом данных деталей, а именно пайкой медной трубки, закачкой фреона и т. п. должен заниматься исключительно профессиональный рабочий высокой квалификации. Выполнение этих работ без должного опыта может стать причиной повреждения оборудования, а помимо этого, значительно повышается вероятность получить бытовую травму.
  •  Следующий этап – это подключение конструкции к отопительной системе строения.
  •  После этого, следует перейти к монтажу и подключению наружного контура. Данный процесс обладает своими особенностями, которые различаются в зависимости от вида теплового насоса. Важно: до запуска теплового насоса, следует провести диагностику электрической проводки в доме и счетчика электроэнергии. Если описанное является ветхим и устаревшим, то потребуется замена. Приемлемой мощностью, которой обладает электросчетчик, можно считать отметку выше 40 ампер.

Стоит отметить, не всегда работа теплового насоса в отоплении дома полностью удовлетворяет всем требованиям хозяев. Обычно, это является следствием того, что термодинамические расчеты были выполнены неправильно. Результатом такой ошибки становиться система малой мощности, либо система получается слишком мощной, а это связано с перерасходом электроэнергии.

Для подбора системы, имеющей подходящую мощность, следует выполнить расчет теплопотерь постройки, и множество других расчетов. Такой расчет должен выполнять опытный инженер-проектировщик.

У традиционных источников энергии есть один недостаток — большие финансовые затраты, кроме этого, они почти истощены. Человечеству ничего не остается, как заниматься поиском альтернативных источников энергии. Одними из таких источников на сегодняшний день являются насосы для отопления или тепловые насосы. Тепловой насос является экологически чистым и экономичным способом, обустроить отопление в доме.

Так как чистота окружающей среды в последнее время выходит на первый план ,тепловые насосы становятся все более популярными по всей планете. Приблизительные подсчеты показывают, что в мире существует 100 млн. насосов для отопления. Тепловыми насосами наиболее активно пользуются люди в таких странах как США, Япония и в европейских государствах.

Расчет параметров системы

R = (k * v * T)/860, где

Предлагаем ознакомиться  Прохлаждаемся: кондиционер своими руками

R – мощность, необходимая для обогрева помещения

k – коэффициент для учета тепловых потерь зданием (1 – качественно утепленное помещение, 4 – дощатый барак);

v – общий объем помещения, подлежащего отоплению;

T – наибольший перепад температур внешнего мира и внутридомового пространства;

Тепловой насос для отопления дома своими руками

860 – коэффициент перевода результата расчета в кВт из ккал.

R = 1 * 200*2,8 * (22 — -25)/860 = 560 * 47 /860 = 30,6 кВт.

Целесообразно использовать теплонасос с запасом мощности 10 – 12%, то есть – порядка 35 кВт.

Нужно обратить внимание на такой показатель, как разность наружной и внутренней температур. Если брать подогретый воздух из окружающего пространства с температурой порядка 7оС, показатель разности составит (22 – 7) 15 градусов, а мощность теплонасоса составит 9,8 кВт. Сравните два этих показателя и почувствуйте разницу при использовании тепла окружающего пространства.

Принципиальная схема

После изготовления теплообменников производят сборку газогидравлической схемы:

  • устанавливают по месту компрессор, конденсатор и испаритель;
  • паяют или соединяют на фланец медные трубы;
  • подключают испаритель к насосу грунтового контура;
  • подключают конденсатор к системе отопления.

1 — циркуляционный насос грунтового контура; 2 — испаритель; 3 — выход грунтового контура; 4 — терморегулирующий вентиль; 5 — компрессор; 6 — к системе отопления; 7 — конденсатор; 8 — обратка системы отопления  

Электрическая схема (компрессор, насос грунтового контура, аварийная автоматика) должна подключаться по выделенной цепи, которая обязана выдерживать довольно высокие пусковые токи.

Обязательно использовать автомат защиты, а также аварийное отключение от реле температуры: на выходе воды из конденсатора (при перегреве) и выходе рассола из испарителя (при переохлаждении).

рмнт.ру

Тепловой насос для отопления дома своими руками

16.03.16

Состав оборудования

Внешний контур

Для внешнего контура агрегата отопления дома понадобятся трубы. Наибольшей теплопроводностью обладают изделия из металла (но не из нержавеющей стали), поэтому для системы сбора тепла лучше применять их.

Рис.2. Сбор тепла в земле с использованием скважины для самодельного теплонасоса

На рис.2 показан геотермальный тепловой насос своими руками с использованием деталей старого кондиционера и холодильника. Глубина скважины для сбора тепла геотермальных вод составляет порядка 60 – 120 метров. На приведенной схеме не показана обсадная труба, однако ее применение обязательно, поскольку обсадка защищает стенки скважины от разрушения. Регистр сбора внешнего тепла должен находиться внутри обсадной трубы.

Рис.3. Поверхностный сбор внешнего тепла

Сбор пространственной энергии для отопления дома может производиться не только через глубинную скважину, но и с использованием горизонтальной системы труб, заглубленных не менее, чем на величину промерзания грунта.

Достаточный результат дает сбор тепла из водоема, поскольку на дне температура воды всегда составляет 4 градуса тепла, поскольку именно в таком состоянии она имеет наибольшую плотность. Привлекательной стороной является значительно меньший объем земляных работ.

Тепловой насос для отопления дома своими руками

Используются для сбора тепла и системы, нагревающиеся под воздействием солнца. Такие блоки устанавливаются чаще всего на крыше дома и предназначаются для нагрева воды или воздуха. Они существенно повышают температуру в испарителе теплонасоса, повышая эффективность системы отопления дома.

Рис.4. Использование гелиоколлектора в системе обогрева здания теплонасосом

Испаритель

Этот узел представляет собой емкость, в которой располагается теплообменник, несущий в себе носитель тепла, собранного наружным контуром. Конструктивное решение этой детали может быть различным, но чаще всего его выполняют из медных труб.

Рис. 5. Форма теплоэлемента испарителя должна обеспечивать максимальный контакт с хладагентом

Изготавливая тепловой насос своими руками, часто используют пригодные для эксплуатации узлы и детали из старого холодильника или кондиционера, а также вышедшей из строя сплит – системы.

Компрессор

На самодельных теплонасосах чаще всего применяют компрессоры из имеющейся в наличии старой техники. Когда система агрегата собрана и испытана, можно подумать о замене компрессора из старого холодильника на другой, более или менее мощный. Выбирая компрессор, лучше всего обратить внимание на узлы из сплит –  систем, отличающиеся повышенной мощностью и надежностью.

Рис.6. Компрессор для теплового насоса

Конденсатор

К выбору этого элемента системы нужно подойти особенно тщательно, поскольку он представляет собой сосуд, работающий под давлением. Предпочтительно использовать старый газовый баллон. Его придется разрезать, чтобы поместить туда теплообменник, а затем снова сварить.

Дроссели

В теплонасосах это устройства для сброса давления из конденсатора в испаритель. Деталь легко найти в магазинах или мастерских по ремонту бутовой техники, поскольку они очень долговечны в работе.

Рис.7. Дроссель для теплонасоса

Изготовление испарителя и конденсатора

Можно купить уже готовые теплообменники как для испарителя (под низкое давление), так и для конденсатора (с давлением до 25 бар). Но дешевле их изготовить из медной трубки для кондиционеров (которая предназначена именно для работы с хладагентами при высоком давлении) и подручных емкостей.

Тепловой насос для отопления дома своими руками

Важно! Сантехническая медная труба не такая «чистая» и гибкая. Ее хуже паять и вальцевать при монтаже.

Рассчитывают площадь поверхности теплообменника, которая прямо пропорциональна мощности тепловыделения и обратно пропорциональна разнице температур теплоносителей на входе и выходе каждого подключаемого контура (грунтового и системы отопления).

Зная диаметр трубы и площадь поверхности, определяют длину каждого змеевика для испарителя и конденсатора.

Емкость для конденсатора лучше сделать из нержавейки (температура входящих паров фреона может быть довольно высокая):

  • взять готовый бак подходящей емкости (чтобы поместилась спираль из медной трубки);
  • разместить в нем змеевик (вход вверху, выход внизу);
  • вывести концы медной трубки для подключения к компрессору и ТРВ (пайкой или фланцем);
  • сделать в баке врезку переходников для подключения труб системы отопления;
  • заварить крышку.

Испаритель работает на более низких температурах, поэтому для него можно взять более дешевую пластиковую емкость, в которую врезают переходники для подключения к грунтовому контуру. Он также отличается от конденсатора расположением змеевика теплообменника — вход (жидкая фаза фреона от ТРВ) снизу, выход на компрессор сверху.

Супер отопление
Adblock detector