Постоянно растущая стоимость энергоносителей заставляет владельцев частных домов искать новые способы экономии на отоплении. Другой причиной является то, что энергоисточники обычно расположены вне зоны доступа, а подключиться к ним физически невозможно. Вашему вниманию предлагается статья о том, как создаются тепловые насосы своими руками
Подобная технология появилась в стране относительно недавно, но популярность геотермального отопления (то есть, использования энергии земли) ввиду своей энергоэффективно сти растет достаточно быстро.
Состоит из нескольких элементов:
Сам насос по принципу работы напоминает холодильник, вот только тепловая энергия передается не в окружающее пространство, а в отопительную магистраль. Это происходит так:
- антифриз подается в коллектор, получает определенную порцию тепла и передает ее тепловому насосу;
- в испарителе хладагент поглощает это тепло, закипает и образует пар;
- в компрессоре пар сжимается и, следовательно, повышает температуру/давл ение;
- посредством конденсатора тепловая энергия поступает в домашнюю отопительную магистраль;
- цикл повторяется.
Важно! Как видим, тепловой насос не генерирует энергию, а лишь накапливает ее. Для получения 1 кВт он «тратит» в среднем 220 Вт. Довольно неплохой результат.
Видео – Насосы тепловые
Интересный факт
Тепловой насос способен не только обогревать, но и охлаждать помещение. Охлаждение осуществляется одним из двух способов.
Способ 1. Ввиду того что летом в недрах земли температура ниже, чем в здании, дом можно охлаждать естественным путем или, проще говоря, напрямую.
Способ 2. Второй способ есть не что иное, как кондиционировани е. Реверсивный тепловой насос позволяет регулировать движение хладагента. Тепло в доме передается этому хладагенту и выводится наружу.
Целесообразность и окупаемость
Сразу отметим, что покупка геотермального оборудования – удовольствие не из дешевых. Стоимость может колебаться в ту или иную сторону в зависимости от мощности, источника энергии или производителя, но, к примеру, тепловой насос средней мощности польского производства стоит порядка 337 000 рублей (без стоимости монтажа). Есть и более дорогие модели. При этом расчеты показывают, что эта сумма окупится максимум за 2 года, а если сделать устройство своими руками, то даже быстрее.
Технология изготовления теплового насоса
Обустройство геотермального отопления – процедура сложная, но за несколько недель ее можно выполнить. Для этого потребуется купить специальное оборудование и инструменты, но затраты на них все равно будут меньшими, чем 300 тысяч.
Этап 1. Выбор источника энергии
Об особенностях различных источников энергии речь пойдет в конце статьи. Главное, что нужно уяснить – все они должны находиться под землей. Потребуется бурение скважины или рытье траншеи на глубину, где перманентная температура в зимнее время не опускается ниже +5ᵒС. Есть и другие варианты (водоемы, к примеру), но принцип работы у каждого из них один.
Этап 2. Проведение расчетов
Требуемая мощность будет зависеть лишь от качества термоизоляции дома:
- для некачественно утепленного дома потребуется минимум 70 Вт/м²;
- для домов, отделанных современным утеплителем – 45 Вт/м²;
- для домов, которые утеплены с применением специальных технологий – всего 25 Вт/м².
При необходимости улучшается термоизоляция.
Этап 3. Необходимое оборудование
Все, что потребуется при создании теплового насоса , продается в специализированн ых магазинах. Сюда можно отнести:
- компрессор;
- терморегулирующи й клапан;
- конденсатор;
- испаритель.
Важно! Нежелательно использовать комплектующие от разных систем.
Помимо того, потребуется дополнительное оборудование, такое как:
- L-образные кронштейны;
- герметичный бак из «нержавейки»;
- болгарка;
- алюминиевые рейки;
- медные трубы разных диаметров, 3 шт.;
- пластиковый бак на 90 л;
- металлопластиков ые трубы.
Этап 4. Монтаж оборудования
Шаг 1. Компрессор должен быть бесшумным. Оптимальный вариант – использование компрессора от импортного кондиционера. Посредством L-образных кронштейнов длиной в 30 см он устанавливается на стене.
Шаг 2. Конденсатором послужит герметичный бак из «нержавейки» объемом минимум в 120 л. Бак разрезают на две части и помещают в него медный змеевик, в котором будет циркулировать антифриз. После этого резервуар сваривается обратно и в нем проделывается необходимое количество технических отверстий (обязательно резьбовых).
Шаг 3. В роли теплообменника выступает большая медная труба. Она наматывается на бак, а концы витков фиксируются рейками. Для вывода этих концов используются сантехнические переходы.
Шаг 4. Испаритель не будет подвергаться воздействию высоких температур, поэтому его можно сделать из обычной пластиковой бочки емкостью в 90-100 л. Испаритель также оборудуется медным змеевиком и крепится к стене L-образными кронштейнами. Для слива и подводки используются простые металлопластиков ые трубы.
Шаг 5. После сборки покупается терморегулирующи й клапан. Делать это раньше нежелательно, т. к. клапан должен быть совместимым с конструкцией.
Шаг 6. Для сварки готовых комплектующих и закачки фреона необходимо пригласить специалиста, ведь делать это самостоятельно минимум небезопасно. Кроме того, свежий опытный взгляд на самодельный насос может быть полезным.
Важно! Создавать такое оборудование без соответствующих навыков и знаний в области физики – дело рискованное. Если есть хоть малейшие сомнения в своей компетенции, то лучше отказаться от затеи. Поверхностного знакомства с конструкцией теплового насоса вряд ли хватит для собственноручног о изготовления устройства.
Этап 5. Сборка
После сборки остается подсоединить систему к заборному устройству. Особенности этой процедуры напрямую зависят от выбранной схемы геотермального отопления.
Такая схема может быть горизонтальной и вертикальной.
При вертикальном расположении коллектор представляет собой систему труб. Он помещается ниже уровня промерзания грунта – обычно это 1,5-2 м, но конкретная цифра зависит от климатических особенностей региона. Снимается верхний слой почвы, устанавливаются трубы, производится обратная засыпка.
Насосы горизонтального типа устанавливают в траншеях, при этом трубы размещают опять же ниже глубины промерзания.
Как можно судить из названия, насос получает тепло непосредственно из воздуха, поэтому земляные работы в данном случае не требуются. Необходимо лишь выбрать место для монтажа коллектора – на крыше здания или где-нибудь неподалеку – и подключить к отопительной магистрали.
При сборке коллектора используются ПНД-трубы, а саму процедуру монтажа проводят на суше. Затем коллектор наполняется жидкостью и помещается в ближайший водоем, при этом трубы должны размещаться в максимальной близости от центра.
Такой способ отопления позволяет существенно сэкономить на монтажных работах. Суть подобной схемы в следующем: мощность насоса определяется минимальным возможным температурным показателем, но подобный минимум стоит на улице недолго, следовательно, большую часть времени система использует свой потенциал лишь частично.
В таких случаях устанавливают тепловой насос меньшей мощности, чем того требуют климатические условия, но параллельно с ним подключают небольшой электрокотел. Выходит, что при сильных морозах можно дополнительно «подтапливать» дом. По карману это особо не ударит, зато позволит сэкономить на строительстве насоса.
Правила монтажа
Важно! Обрезку труб нужно проводить исключительно вальцовкой, ведь если в систему попадет даже мелкая стружка, то компрессор придет в непригодность через одну-две недели.
Иностранный опыт в геотермальном отоплении
Во многих развитых странах геотермальные тепловые насосы распространяются с рекордной скоростью – каждый год устанавливаются десятки и сотни тысяч приборов. Наибольшей популярностью такое отопление пользуется в Западной Европе, Китае и, конечно же, Америке.
В чем же причина невиданной популярности? Как ни странно, главная причина кроется отнюдь не в оригинальности технологии отопления как таковой, а в мощной поддержке государства – каждому человеку, установившему тепловой насос, возмещается определенная часть затрат.
Не так давно интерес к геотермальному отоплению появился и у жителей стран СНГ. Но информацию об оборудовании, равно как и о самой технологии в целом, изготовители доносят до потенциального клиента несколько искаженно. Возможно, потому, что ориентируются лишь на продажу новинки. Справедливости ради стоит заметить, что рост популярности, о котором говорилось в начале статьи, не настолько интенсивен, невзирая даже на тщательно продуманные ходы маркетологов.
Словом, тепловые насосы – действительно полезная вещь, пусть и малоизвестная. Несмотря на достаточно высокую стоимость (даже при собственноручном изготовлении), оборудование окупит себя максимум за два года.
Видео – Изготовление теплового насоса
Могли бы вы подумать, что устройство, в основе которого лежит технология обычного холодильника сможет выполнять качественное отопление не только бассейна, но и всего дома? Всё это выполняет обычный тепловой насос, который, более того, можно самостоятельно изготовить в домашних условиях.
Если вы поймете принципы его работы и особенности конструкции, то сможете справиться с его созданием самостоятельно. Что очень полезно и удобно для обустройства своего жизненного пространства.
1 Принцип работы
Технология, лежащая в основе , 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.
По сути, любая естественная среда обладает достаточным количеством рассеянной тепловой энергии, которая собирается хладагентом, и передается в систему для переработки. Для начала процессов необходимо, чтобы теплообменник повысил свою температуру на 4-5 градусов. Это очень важный момент, так как теплообменник напрямую влияет на все условия вокруг.
Далее, из внешнего контура нагретый хладагент попадает во внутренний контур. Первый блок – испаритель, трансформирует теплообменник из жидкого состояния в форму газа. Это возможно благодаря тому, что фреон, при невысоком давлении внешней среды, обладает очень низкой температурой кипения.
Далее, из испарителя фреон в газообразной форме попадает в компрессор, где газ сжимается, вследствие чего резко повышается его температура. После этого газ попадает в третий блок – конденсатор. В нём газ отдает свою температуру воде — теплоносителю системы отопления дома, после охлаждения он обратно принимает жидкую форму, и выполняется повторная циркуляция.
Главной характеристикой продуктивности теплового насоса для отопления выступает коэффициент преобразования, который зависит от соотношения тепловой мощности, выдаваемой насосом, к количеству потребляемой тепловой энергии.
1.1 Конструкция теплового насоса
Конструкция классических тепловых насосов делится на два основных контура – внешний и внутренний. Очень важную роль в них играет теплообменник, как основной провоцирующий фактор. Внешний контур состоит из труб, по которым циркулирует теплообменник (хладагент).
Такой контур может иметь разные способы реализации и расположения, однако он всегда выполняет только одну функцию – выполнять циркуляцию хладагента в среде забора тепла, и перемещать теплообменник к компрессору. Трубы внешнего контура выполняются из пластика, или других материалов с высокой теплопроводностью.
Внешний контур – сам насос, состоит из конденсатора, компрессора, испарителя и редукционного клапана.
Кроме этого, выделяют гидродинамический ТН, конструкция которого отличается от обычного теплового насоса для отопления. Гидродинамический насос состоит из силового агрегата (двигателя), теплогенератора, и соединительной муфты, которая передает произведенную приводом энергию на генератор, где происходит нагрев рабочей жидкости для отопления.
1.2 Виды и их отличия
В зависимости от вида среды, в которой тепловой насос черпает энергию, выделяют такие виды ТН:
- Воздух-вода;
Воздушный тепловой насос является самым бюджетным вариантом альтернативного отопления, он может быть обустроен своими руками, так как для его функционирования нет необходимости обустраивать сложную систему внешнего контура.
Однако воздушный насос обладает одним существенным недостатком, который делает его использование в нашем климате неоправданным – с понижением температуры воздуха резко снижается его эффективность.
Если для отопления бассейна вы хотите сделать тепловой насос своими руками, – лучший вариант. Причем для бассейна такой вариант будет предпочтительным, так как с ним достаточно просто работать и он чрезвычайно практичен.
- Вода-вода;
Внешний контур для забора тепла расположен в незамерзающем водоеме – искусственном, либо естественном. По уровню теплоотдачи вода является наиболее эффективной средой. На практике, использование поверхностных водоемов неоправданно, так как они замерзают в холодное время года.
Максимальная стабильность и эффективность отопления тепловым насосом достигается при использовании грунтовых вод. Для этого создаются специальные скважины, в которых размещается внешний контур системы.
Несмотря на то, что данная технология отопления является наиболее трудоемкой, её использование имеет смысл, так как температура грунтовых вод не подвергается существенным изменениям в разное время года. Оптимальный вариант для отопления бассейна либо небольших жилых помещений.
- Рассол-вода;
Для забора тепла используется грунт, что обуславливает необходимость создания коллекторов (для горизонтального размещения труб внешнего контура), либо неглубоких скважин (для вертикального размещения — 1 погонный метр скважины дает 40-60 Ватт тепла).
Используется такой вариант повсеместно – от прогрева бассейна, до отопления всего дома. Название «рассол» технология получила от того, что в трубы заливается специальная незамерзающая жидкость.
Также существует тепловой насос Френетта – он работает по отличающейся технологии, и не с обычными тепловыми насосами не имеет ничего общего. Данный насос представляет собою две цилиндрические емкости – большую и меньшую, при этом, емкость с меньшими размерами размещается внутри большого сосуда.
Свободное пространство между ними заполнено маслом. Внешний цилиндр неподвижно зафиксирован, а внутренняя емкость подсоединена к валу привода, при работе которого, вследствие сил трения возникающих при вращательных движениях цилиндров, масло нагревается до очень высокой температуры и передается к радиаторам отопления.
Такой механизм обладает достаточно высокой эффективностью, и при этом, его можно без проблем изготовить своими руками.
2 Делаем и устанавливаем тепловые насосы своими руками
Тепловой насос своими руками изготовить вполне реально, однако для этого необходимо найти хороший компрессор.
Сделать это можно, заглянув к какому-то местному мастеру по ремонту бытовой техники, где распотрошив старый кондиционер, вы за небольшую сумму получите вполне качественный компрессор (их ресурс работы намного больше, чем среднестатистический срок жизни кондиционеров).
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:
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.
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.
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 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.
2.1 Монтаж тепловых насосов
Особенности монтажа тепловых насосов зависят, в первую очередь, от способа размещения внешнего контура.
- . Для вертикального способа монтажа создаются
В отличие от таких устройств альтернативной энергетики, как солнечная батарея и ветрогенератор, тепловой насос менее известен. И напрасно. Наиболее распространенная схема «грунт-вода» работает стабильно и не зависит от погоды или климатических особенностей. А изготовить его можно самостоятельно.
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:
- В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
- 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.
- Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
- 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.
Где лучше «отбирать» тепло
Принципиально есть три среды, из которых можно «отобрать» тепло:
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». Вертикальная схема более универсальна и эффективна, но требует бурения на значительную глубину. Хотя можно использовать несколько неглубоких скважин вместо одной глубокой.
Принципиальная схема
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%).
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.
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.
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.
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.
Монтаж схемы
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).
Тепловые насосы позволяют забирать рассеянную энергию из окружающей природы: воздуха, воды и земли, аккумулировать и направлять ее на отопление дома. Энергию также используют на нагрев воды для мытья или кондиционирование воздуха в помещениях. Это дает возможность экономить средства, уменьшая расход традиционных источников тепла: электричества, газа, дров. В статье мы расскажем, как сделать тепловой насос своими руками.
Что такое геотермальный насос
Для начала нужно понять, что такое геотермальный насос, и по какому принципу работает, ведь именно он является сердцем всего описываемого нами устройства.
Ни для кого не секрет, что в толще земли всегда поддерживается плюсовая температура. В таком же состоянии находится и вода подо льдом. В этой, относительно теплой среде, размещается замкнутый трубопровод с жидкостью.
Схема работы у тепловых насосов достаточно проста и основана на обратном принципе Карно:
- Теплоноситель, продвигаясь по внешнему контуру, нагревается от выбранного источника и попадает в испаритель.
- Там он обменивается энергией с хладагентом (обычно это фреон).
- Фреон закипает, переходит в газообразное состояние и сжимается компрессором.
- Горячий газ (он нагревается в пределах 35–65 o C) поступает в другой теплообменник, в котором отдает свое тепло системе отопления или горячего водоснабжения дома.
- Остывший хладагент снова становится жидким и возвращается на новый круг.
Насос из холодильника
Основной частью системы является компрессор. Его лучше купить готовым в магазине или использовать имеющийся от холодильника или кондиционера. Все остальные компоненты – испаритель, конденсатор, трубопровод – под силу собрать самому. Энергию такой аппарат будет потреблять только на сжатие и перенос тепла, вырабатывая при этом в 5 раз больше.
Используя старый компрессор, нужно рассчитывать на то, что его срок службы может быть недолгим, а мощность системы снизится. Кроме того, мощности изношенного компрессора может не хвать для полноценной работы системы.
Некоторые умельцы пошли дальше и сделали тепловой насос из холодильника, поместив внутри него радиаторы, подогреваемые теплом земли. Внутри постоянно поддерживается плюсовая температура, которая заставляет холодильник постоянно работать, нагревая радиатор, находящимся сзади него. Используя родной радиатор, делают из него теплообменник (или изготавливают самодельный), отбирают выделяемое им тепло.
Эффективность работы такого теплового насоса подходит больше для демонстрации работы устройства, так как его КПД очень низкое. Кроме того, холодильник не рассчитан на такой режим работы и может быстро выйти из строя.
Виды тепловых насосов
Различают три типа насосов, в зависимости от источника получения тепла:
«почва-вода»
«вода-вода»
«воздух-вода»
Установка вида «почва-вода» использует теплоту недр. Температура земли на горизонтах более 20 м остается неизменной всегда, поэтому и насос может круглогодично вырабатывать нужную энергию. Вариантов монтажа два:
- вертикальная шахта;
- горизонтальный коллектор.
В первом случае бурится скважина глубиной около 50–100 м и в нее помещаются трубы с циркулирующим теплоносителем – особой незамерзающей жидкостью.
На глубине 5 м прокладывают коллекторы, по которым также движется теплоноситель. Для обогрева дома площадью 150 м 2 необходим участок не меньше 250 м 2 , причем применять его под сельскохозяйственные посадки нельзя. Допустимо только устройство декоративного газона и клумбы.
Насос «вода-вода» использует энергию воды из озер, колодцев или скважин. Некоторым удается извлекать тепло даже из стоков. Главное – чтобы не забивался фильтр и не разрушался металл.
Этот тип обычно показывает самый высокий КПД, но установить его удается не на каждом загородном участке, а на эксплуатацию грунтовых вод нужно получать разрешение. Подобные устройства больше характерны для промышленных производств.
Конструкция «воздух-вода» менее эффективна по сравнению с первыми двумя, поскольку выработка зимой значительно снижается. С другой стороны, при ее монтаже не надо ничего бурить или копать. Установка просто крепится на крыше дома.
Как уже говорилось, компрессор предпочтительнее купить готовый. Пригодна любая модель, применяемая в кондиционерах.
Все остальные составляющие собираем самостоятельно:
- В качестве корпуса конденсатора берется нержавеющий бак емкостью около 100 л. Его разрезают пополам и внутри монтируют змеевик из медной трубки толщиной стенки не меньше 1 мм. В оболочку впаиваются резьбовые соединения для подключения к контуру. После этого части бака можно сваривать.
- Для испарителя отлично подойдет полиэтиленовая бутыль объемом 80 л или отрезок трубы. В нее также вставляется змеевик и подводятся входы и выходы воды. Теплоносители изолируются от внешней среды поролоновой «шубой».
- Теперь необходимо поставить всю систему, спаять трубки и залить хладагент. Количество фреона очень важно для правильной работы насоса, этот расчет лучше поручить инженеру по теплотехнике. Он же сможет окончательно подключить установку и настроить компрессор.
- Осталось только присоединить наружный контур. Его сборка будет зависеть от типа насоса.
Вертикальная установка «почва-вода» требует скважины, в нее опускается геотермальный зонд.
Для горизонтального аппарата собирается коллектор и закапывается в землю на глубине, исключающей промерзание.
В системе «вода-вода» контур состоит из сети пластиковых труб, по которым будет протекать теплоноситель. Затем все это надо закрепить в водоеме на необходимой глубине.
Коллектор насоса «воздух-вода» выполняется также и монтируется на крыше дома или поблизости от него.
Для стабильной работы и защиты от поломки машину желательно дополнить возможностью ручного запуска компрессора на случай внезапного отключения электричества. Стоимость подобной установки достаточно высока. Еще дороже стоит заводской насос. Однако практика показывает, что приобретение окупается за несколько лет эксплуатации.
Видео
Тепловой насос своими руками
С начала имелся только строющийся дом на 2,5 этажа. Площадь:
1 этаж 64 м2,
2 этаж 94 м2,
2,5 этаж 55 м2,
гараж 30 м2.
С самого начала был куплен б/у газогенерационный котёл на дровах мощностью 40 к.в. Но как подошло время инсталляции совсем меня перестала радовать перспектива заготовки дров, извечная борьба с мусором, да и по натуре я больше дервиш, могу запросто пару дней дома не появляться.
(Самодельный тепловой насос, газогенерационный котёл,Испаритель,компрессор,Конденсатор,самодельный тепловой насос,тепловой насос,Тепловой насос своими руками, альтернативная энергия)
И тогда я склонился к сжиженному газу. Замечу, что труба природного газа низкого давления проходит в 1,5 км от дома. Но плотность заселения у нас маленькая, и тянуть трубу ради меня одного + проект + инсталляция просто ввергает меня в ужас.
Ставить бочку на несколько кубов на участке я тоже не могу. Не хочется портить внешний вид. Решил установить пару шкафов с батареей 80-литровых пропановых баллонов из 6 штук в каждом.
Газовый оператор уверял, что сами приезжают, сами меняют, вы лишь только нам позвоните. К неудобствам относил лишь головную боль раз в три недели, а также возможность несанкционированного заезда газовой машины на мою бедующую брусчато-легковую стоянку, качения-волочения баллонов по ней же. В общем человеческий фактор. Но проблему разрешил случай:
Идея построить тепловой насос своими руками
Идею строительства теплового насоса вынашивал давно. Но камнем преткновения было однофазное электричество и допотопный счётчик на 20 ампер максимальной нагрузки. Поменять эклектическое питание на трёхфазное или прибавить мощность в нашем районе пока нет. Но неожиданно мне планово поменяли счётчик на новый, 40 амперный.
Прикинув, решил, что этого хватит на частичный обогрев (2,5 этаж я не планировал использовать зимой), взялся зондировать рынок тепловых насосов. Запрошенные в одной фирме цены (однофазные ТН на 12 киловат) заставили задуматься:
Thermia Diplomat TWS 12 к.в.ч. 6797 евро
Thermia Duo 12 к.в.ч. 5974 евро
Требовалось не менее 45 ампер на пусковой ток.
К тому же, так как планировалось брать теплосъём со скважинной воды, не было уверенности в дебете моей скважины. Чтобы не рисковать такой суммой решил собрать ТН сам, благо какие-то навыки были из жизни. Работал в бытность менеджером по распространению вентиляционно-кондиционерного оборудования.
Концепция самодельного теплового насоса:
Решил делать ТН из двух однофазных компрессоров по 24000 БТУ (7 кв.ч. по холоду). Так получался каскад общей тепловой мощностью 16-18 киловат при потреблении электричества при СОP3 около 4-4,5 киловат/часа. Выбор двух компрессоров был обусловлен меньшими стартовыми токами, так как их запуски думано не синхронизировать. А также поэтапность ввода в эксплуатацию. Пока обжит только второй этаж и хватит одного компрессора. Да и поэкспериментировав на одном, потом будет смелее доделать вторую секцию.
Отказался от использования пластинчатых теплообменников. Во первых, из соображения экономии, не хотелось выкладывать за Данфос по 389 евро за штуку. А во вторых, совместить теплообменник с ёмкостью теплоакомулятора, то есть, увеличив инерционность системы, убив тем самым двух зайцев. Да и не хотелось делать водоподготовку для нежных пластинчатых теплообменников, снижая тем самым КПД. А вода у меня плохая, с железом.
Первый этаж уже оснащён обвязкой тёплого пола с примерным шагом 15 см.
Второй этаж радиаторы (слава Богу, хватило скупости поставить их с 1,5 тепловым запасом ранее). Забор теплоносителя из скважины (12,5 м. Установлена на первый слой доломита. +5,9 замер на 03.2008). Утилизация отработанной воды в общедомовую канализацию (двух камерный отстойник + инфильтрационный грунтовый поглотитель). Принудительная циркуляция в контурах теплосъема.
Вот, принципиальная схема:
1. Компрессор (пока один).
2. Конденсатор.
3. Испаритель.
4. Терморегулирующий клапан (ТРВ)
От других устройств безопасности решено отказаться (фильтр-осушитель, смотровое окно, пресостат, ресивер). Но если кто видит смысл их использования, буду рад услышать советы!
Для расчёта системы скачал из Интернета программу расчёта CoolPack 1,46.
И неплохую программку по подбору компрессоров Copeland.
Компрессор:
Удалось закупить у старого знакомого холодильщика, мало б/у-шный компрессор от 7 киловатной сплит системы какого-то корейского кондиционера. Достался практически даром, да и не соврал, масло оказалось внутри совсем прозрачным, поработал всего сезон и был демонтирован в связи изменением концепции помещения заказчиком.
Компрессор оказался на мощность 25500 Бту, а это около 7,5 к.в. по холоду и около 9-9,5 по теплу. Что обрадовало, в корейском сплите стоял добротный компрессор американской фирмы Текумсет. Вот его данные:
Компрессор на R22 фреоне, а это значит чуть больший коэффициент полезного действия. Температура кипения -10с, конденсации +55с.
Ляпсус номер 1: По старой памяти думал, что на бытовых сплит системах ставятся только компрессоры Скрол типа (спиральные). Мой же оказался поршневым... (Выглядит чуть овальным и внутри болтается обмотка двигателя). Плохо, но не смертельно. К его минусам на четверть меньший ресурс, на четверть меньший коэффициент полезного действия, на четверть более шумный. Но ничего, опыт сын ошибок трудных.
Важно: Фреон R22 по Монреальскому протоколу полностью будет выведен из эксплуатации к 2030 году. С 2001 года запрещён ввод в эксплуатацию ввод новых установок (но я ввожу не новую, а модернизировал старую). С 2010 года использование R22-го фреона только бывшего в эксплуатации. НО в любой момент можно перевести систему с R22 на его заменитель R422. И не испытывать затруднений далее.
Закрепил компрессор на стене кронштейнами L-300мм. Если буду потом монтировать второй, удлиняю имеющиеся с помощью U-профиля.
2. Конденсатор:
У знакомого сварщика удачно приобрёл бак из нержавейки примерно на 120 литров.
(Кстати, все сварные манипуляции с баком безвозмездно произвел уважаемый сварщик. Но просил упомянуть и его скромную роль для истории!)
Было решено разрезать его на две части вставить змеевик из медной трубы фреоновода, и сварить его обратно. Заодно и вварить несколько технических дюймово-резьбовых соединений.
Формула расчёты площади поверхности трубы медного змеевика:
M2 = kW/0,8 x ?t
M2 - площадь трубы змеевика в квадратных метрах.
kW - Мощность тепловыделения системой (с компрессором) в киловатах.
0,8 - коофициент теплопроводности меди/воды при условии противотока сред.
T - разность температуры воды на входе и выходе системы (см. Схему). У меня это 35с-30с= +5 градусов Цельсия.
Так получается около 2 квадратных метров площади теплообмена змеевика. Я чуть уменьшил, так как температура на входе фреона около +82с градуса, на этом чуть можно сэкономить. Но как писал ранее Дед Морос , не более чем в размере 25% от размера испарителя!!!
Смоделированная системы в CoolPack показала Cop 2,44 на штатных диаметрах труб теплообменника. И Cop 2,99 при диаметре на шаг выше. А это мне и на руку, так как в будущем рассчитываю присоединить и второй компрессор на эту ветку. Решил использовать медную трубу ½’ дюйма (или 12,7 мм наружного диаметра), холодильную. Но, думаю, можно и обычную сантехническую, не так там и много грязи внутри будет.
Ляпсус номер 2: Использовал трубу со стенкой 0,8 мм. На деле она оказалась очень нежной, чуть передавил и уже она заминается. Сложно работать, тем более без особых навыков. Поэтому рекомендую брать трубу 1мм или 1,2 мм стенки. Так и по долговечности будет дольше.
Важно: Фреоновод змеевика входит в конденсатор сверху, выходит снизу. Так конденсируя жидкий фреон будет скапливаться внизу и уходит без пузырьков.
Взяв, таким образом, 35 метров трубы свернул её в змеевик, намотав на удобный цилиндрический предмет (баллон).
По краям зафиксировал витки двумя алюминиевыми рейками для прочности и равношаговости петель.
Концы вывел наружу с помощью сантехнических переходов на медную тубу на скрутку. Чуть рассверлит их с диаметра 12 на 12,7мм, и вместо обжимного кольца после сборки намотал льна на герметике и зажал контргайкой.
3. Испаритель:
Для испарителя не требовалось высокой температуры, и я выбрал пластмассовую ёмкость типа бочки на 127 литров с широкой горловиной.
Важно: Идеально подошла бы бочка на 65 литров. Но побоялся, труба ¾ очень плохо гнётся, поэтому взял размер побольше. Если у кого другие размеры или есть хороший трубогиб и навыки работы, то можно рискнуть и на этот размер. С бочкой 127 литров размеры моего ТН повысили ожидаемые габариты на 15 см вверх, 5 см в глубину и 10 см в ширину.
Рассчитал и изготовил испаритель по такому же принципу как и у конденсатора. Понадобилось 25 метров трубы ¾’ дюйма (19,2мм наружный) со стенкой 1,2мм. Как рёбра жёсткости использовал отрезки UD профиля для монтажа регипса. Скрутил обычной медной электротехнической проволокой без изоляции.
Важно: Испаритель затопленного типа. То есть жидкая фаза фреона заходит в охлаждаемую воду снизу, испаряется и в газообразном состоянии поднимается вверх к компрессору. Так лучше для теплопередачи.
Переходы можно взять пластмассовые от питьевой трубы PE 20*3/4’ с наружной резьбой, свинтив из с бочкой контргайками и уплотнением из льна и герметика. Подачу и сток воды сделал из обычных канализационных труб и резиновых уплотняющих манжет вставленных враспор.
Испаритель также был установлен на кронштейны L-400мм.
4. ТРВ:
Приобрёл ТРВ фирмы Honeywell (бывшая FLICA). На мою мощность потребовалась дюза к нему 3мм. И наличие выравнивателя давления.
Важно: ТРВ во время пайки нельзя перегреть выше +100с! Поэтому обматал его тряпочкой пропитанной водой для охлаждения. Прошу не ужасаться, после налёт почистил мелкой наждачной.
Припаял трубку линии выравнивания как положено к инструкции по монтажу ТРВ.
Сборка:
Прикупил комплект для жёсткой пайки Rotenberg. И электроды 3 штуки с 0% содержания серебра и 1 штуку с 40% содержания серебра для пайки в стороне компрессора (вибростойкий). С их помощью собрал всю систему.
Важно: Берите сразу баллон Максигаз 400 (жёлтый баллон)! Он не многим дороже Мультигаза 300 (красный), но производитель обещает до +2200с пламени. Но и этого недостаточно для ¾’ трубы. Паялось из рук вон плохо. Приходилось изловчаться, использовать тепловой экран, и т.д. В идеале конечно иметь кислородную горелку.
Да, и надо впаять в систему заправочный пипсик с ниппелем для подсоединения шланга. Не помню с головы его точное название.
Его впаял на входе в компрессор. Рядом же видна и входная труба выравнивателя ТРВ. Она впаивается после испарителя, термобаллона ТРВ, но до компрессора.
Важно: Заправочный пипсик паяем предварительно вывернув из него ниппель. Ни то от жары уплотнитель ниппеля однозначно выйдет из строя.
Редукционные тройники не использовал, так как боялся уменьшения надёжности от дополнительных паечных швов вблизи компрессора. Да и давление в этом месте не большое.
Заправка фреоном:
Собранную, но не заполненную водой систему надо вакуумировать. Лучше использовать вакуумный насос, если нет, то умельцы приспосабливают обычный компрессор от старого холодильника. Можно и просто, продуть-продавить систему фреоном выдавив воздух, но я вам этого не говорил, потому что так делать нельзя!
Баллон фреона самой небольшой ёмкости. Для системы вообще не нужно будет более 2 кг. фреона. Но чем богаты.
Также я приобрёл манометр для замера давления. Но не специальный фреоновый за 10 у.е., а обычный для насосной станции за 3,5 у.е. По нему и ориентировался при заполнении.
Заправил систему, на сколько возможно с помощью внутреннего давления фреона в баллоне. Дал постоять пару дней, давление не упало. Значит, утечки нет. Дополнительно промазал все соединения мыльной пеной, не пузырило.
Важно: Так как в моём случае заправочный ниппель впаян сразу перед компрессором (в дальнейшем будет замеряться давление в этом месте при настройке) ни в коем случае не заправлять систему с работающим компрессором жидким фреоном. Компрессор наверняка выйдет из строя. Только газообразной фазой - баллоном вверх!
Автоматика:
Необходимо однофазное пусковое реле, и при этом, на очень приличный пусковой ток около 40 А! Автоматический предохранитель С группы на 16А. Электрический щиток с DIN рейкой.
Также установил два реле температуры с копелярными термодатчиками. Один поставил на воду на выходе из конденсатора. Выставил примерно на 40 градусов, чтобы отключал систему при достижении водой этой температуры. И на выход воды из испарителя на 0 градусов, чтобы аварийно отключал систему и не разморозил её случаем.
В будущем думаю приобрести простейший контроллер, который учитывает эти две температуры. Но кроме внешнего вида и наглядности пользования у него есть и недостаток - запрограмированные значения сбиваются при даже кратковременном перебои электроснабжения. Пока в раздумьях.
Запуск (пробный):
Перед запуском напумповал в систему примерно 6 бар давления из баллона. Больше не получалось, да и незачем. Кинул временный провод, подсоединил пусковой конденсатор. Наполнил ёмкости водой предварительно. Они постояли с сутки, наполненные и потому, на момент запуска имели комнатную температуру около +15с.
Торжественно включил автомат. Его сразу же выбило. Ещё, то же самое. В этот небольшой промежуток слышно как двигатель гудит, но не запускается. Перебросил клеммы на конденсаторе (их почему-то три). Включил снова автомат. Приятный рокот работающего компрессора приласкал мой слух!!!
Давление на всасывании сразу упало до 2 бар. Открыл баллон с фреоном, чтобы система заполнялась. По табличке рассчитал необходимое давление кипения фреона.
Для моих необходимых на входе +6 и выходе воды +1, требуется температура кипения -4с. Фреон кипит при такой температуре при давлении 4,3 кг.см. (бар) (атмосфер). Таблицу можно найти и в Интернете.
Как не пытался выставить точное это давление, ничего не получалось. Система пока ещё не выведена на рабочий режим температур. Потому преждевременные регулировки лишь примерны.
Через минут пять подача достигла примерно +80 градусов. Пока не изолированная труба испарения покрылась лёгким инеем. Вода в конденсаторе через минут десять на ощупь уже нагрелась до +30 - +35. Вода в испарителе приблизилась к 0с. Чтобы чего не разморозить отключил систему.
Резюме: Пробный запуск показал полную работоспособность системы. Аномалий не замечено. Потребуется дальнейшие регулировки ТРВ и давления фреона после подключения контура отопления и охлаждения скважинной водой. Поэтому продолжение фоторепортажа и отчёта примерно через две-три недели , когда разберусь с этой частью работы.
К тому моменту, думаю:
1. Подсоединить контур обогрева помещений и контур теплообмена скважинной водой.
2. Произвести полный цикл пусконаладочных работ.
3. Изготовить какой-то корпус.
4. Сделать выводы и дать небольшое резюме.
Важно: ТН получился не такой уж маленький по размерам. Применив за место ёмкостных теплообменников пластинчатые, можно очень сильно сэкономить пространство.
Затраты на изготовление Теплового насоса примерной мощностью 9 киловат час по теплу:
Конденсатор:
Бак нержавейка 100 литров - 25 у.е.
Электроды нержавейка - 6 у.е.
Муфты нержавейка - 5 у.е.
Услуги сварщика (обед) - 5 у.е.
Медная труба 12,7 (1/2”)*0,8мм. 35 метров - 105 у.е.
Медная труба 10*1 мм. 1 метр - 3 у.е.
Отвоздушиватель Ду 15 - 5 у.е.
Предохранительный клапан 2,5 бар - 4 у.е.
Кран сливной Ду 15 - 2 у.е.
Итого: 163 у.е. (к сравнению, пластинчатый теплообменник Данфос 389 у.е)
Испаритель:
Бочка пласм. 120 литров - 12 у.е.
Медная труба 19.2 (3/4”)*1.2мм. 25 метров - 130 у.е.
Медная труба 6*1мм. 1 метр - 2 у.е.
Терморегулирующий вентиль Honeywell (дюза 3мм.) - 42 у.е.
Кронштейны L-400 2 штуки - 9 у.е.
Кран сливной Ду 15 - 2 у.е
Переходы на медь (комплект) - 3 у.е.
РВС труба 50-1м. 2 штуки - 4 у.е.
Резиновые переходы 75*50 2 штуки - 2 у.е.
Итого: 206 у.е. (к сравнению, пластинчатый теплообменник Данфос 389 у.е)
Компрессор:
Компрессор мало б/у 7,2 к.в. (25500 бту) - 30 у.е.
Кронштейны L-300 2 штуки - 8 у.е.
Фреон R22 2 кг. - 8 у.е.
Комплект монтажный - 4 у.е.
Итого: 50 у.е.
Монтажный комплект:
Паяльная лампа ROTENBERG (комплект) - 20 у.е.
Электроды жёсткой пайки (40% серебра) 3 штуки - 3,5 у.е.
Электроды жёсткой пайки (0% серебра) 3 штуки - 0,5 у.е.
Манометр для фреона 7 бар - 4 у.е.
Шланг заправочный - 7 у.е.
Итого: 35 у.е.
Автоматика:
Реле пускателя однофазное 20 А - 10 у.е.
Щиток электрический встраиваемый - 8 у.е.
Предохранитель однофазный С16 А - 4 у.е.
Итого: 22 у.е.
Итого в целом 476 у.е.
Важно: Потребуются на следующем этапе ещё циркуляционные насосы Calpada 25/60-180 60 у.е. и Calpeda 32/60-180 78 у.е. Они хоть и будут вынесены за приделы моего котла, но обычно относятся к самому котлу.
Тепловой насос, альтернативная энергия, отопление, энергосбережение, тепловой насос воими руками, самодельный тепловой насос
