Тепловые насосы своими руками

Принцип работы и составные части теплового насоса

В принципе, работа теплового насоса представляет собой совместное функционирование трех замкнутых контуров, которые взаимодействуют между собой:

Первый, по которому циркулирует теплоноситель, забирающий тепловую энергию из низкотемпературной окружающей среды (почвы, воды, воздуха);
Второй, в котором циркулирует жидкость с низкой температурой испарения (например, фреон), забирает эту энергию, с помощью процессов испарения и конденсации увеличивает температуру и отдает тепло третьему контуру;
Третий контур представляет собой ни что иное, как систему отопления дома (чаще всего теплые полы), он забирает тепловую энергию из конденсатора и отдает помещению.
По такому принципу работают все тепловые насосы, но в устройствах типа «грунт, вода/вода» в первом и третьем контурах жидкий теплоноситель, в устройствах «воздух/вода» — вместо первого контура наружный воздух, а в устройствах «воздух/воздух» и вместо первого и третьего контуров воздух наружный и помещения соответственно.

Для того чтобы такая система работала необходимы такие основные элементы:

Испаритель –в котором под воздействием тепловой энергии теплоносителя первого контура , через теплообменник, происходит нагревание и испарение жидкого хладагента (фреона);
Компрессор, который сжимает парообразный хладагент (при этом происходит выделение тепловой энергии);
Конденсатор, в котором теплый сжатый хладагент с помощью теплообменника отдает свою энергию теплоносителю третьего контура, а сам конденсируется (превращается в жидкость).
Терморегулирующий вентиль или клапан (ТРВ).

Все эти элементы соединены между собой герметичным трубопроводом второго контура. Испаритель, кроме того, должен иметь возможность подсоединения к первому контуру, а конденсатор – к системе отопления дома.

Рис. 1 Основные элементы теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов

Стоит отметить, что практически любая среда обладает тепловой энергией. Почему бы не использовать возможное тепло для отопления своего дома? Поможет в этом тепловой насос.

Принцип работы теплового насоса таков: тепло передается теплоносителю от источника энергии с низким потенциалом. На практике же все происходит следующим образом.

Теплоноситель проходит через трубы, которые зарыты, к примеру, в земле. Потом теплоноситель попадает в теплообменник, где собранная тепловая энергия передается на второй контур. Хладагент, который расположен во внешнем контуре, нагревается, и превращается в газ. После этого газообразный хладагент проходит в компрессор, где сжимается. Это приводит к тому, что хладагент еще больше нагревается. Горячий газ идет в конденсатор, а там тепло переходит к теплоносителю, который уже обогревает сам дом.

Геотермальное отопление дома: принцип работы

Холодильные системы устроены по такому же принципу. Это значит, что холодильные установки могут использоваться для охлаждения воздуха в помещении.

Виды тепловых насосов

Существует несколько видов тепловых насосов. Но чаще всего устройства классифицируются характером теплоносителя на внешнем контуре.

Устройства могут черпать энергию с

воды,
грунта,
воздуха.

Полученная энергия в доме может применяться для отопления помещения, для нагревания воды. Потому и различают несколько видов тепловых насосов.

Тепловые насосы: грунт — вода

Самый лучший вариант альтернативного отопления – получение тепловой энергии из грунта. Так, уже на глубине шести метров земля имеет постоянную и неизменную температуру. В качестве теплоносителя в трубах используется специальная жидкость. Наружный контур системы выполняется из пластиковых труб. Трубы в грунте могут размещаться вертикально или горизонтально. Если трубы размещаются горизонтально, то необходимо выделять большую площадь. Там, где трубы устанавливаются горизонтально, невозможно использовать земли для сельскохозяйственных нужд. Можно только устраивать газоны или сажать однолетние растения.

Чтобы устроить вертикально трубы в грунте, необходимо сделать несколько скважин глубиной до 150 метров. Это будет эффективный геотермальный насос, так как температура на большой глубине у земли высокая. Для передачи тепла применяются глубинные зонды.

Тип насоса «вода — вода»

Кроме того, тепло можно получать из воды, которая находится глубоко под землей. Могут использоваться водоемы, грунтовые воды или сточные воды.

Стоит отметить, что принципиальных отличий между двумя системами нет. Самые малые затраты требуются тогда, когда создается система получения тепла из водоема. Трубы нужно наполнить теплоносителем и погрузить в воду. Более сложная конструкция нужна для того, чтобы создать систему получения тепла из грунтовых вод.

Насосы «воздух — вода»

Можно собирать тепло и с воздуха, но в регионах, где очень холодные зимы, такая система не эффективна. В то же время монтаж системы очень простой. Вам понадобится только выбрать и установить нужное устройство.

Еще немного о принципе действия геотермических насосов

Для отопления очень выгодно использовать тепловые насосы. Дома, площадь которых имеет более 400 квадратных метров, очень быстро окупают затраты на систему. Но если ваш дом не очень большой, то можно сделать систему отопления своими руками.

Сначала нужно купить компрессор. Подойдет устройство, который оснащен обычный кондиционер. Его крепим на стене. Конденсатор можно изготовить самому. Нужно сделать из медных труб змеевик. Его помещают в пластиковый корпус. Испаритель также устанавливается на стене. Пайку, заправку фреоном и тому подобные работы должен выполнять только профессионал. Неумелые действия не приведут к хорошему результату. Мало того, можно получить травму.

Перед тем, как запустить в работу тепловой насос, необходимо проверить состояние электрификации дома. Мощность счетчика должна быть рассчитана на 40 ампер.

Самодельный тепловой геотермальный насос

Отметим, что не всегда созданный своими руками тепловой насос оправдывает ожидания. Причина тому – отсутствие правильных тепловых расчетов. Система имеет малую мощность, а также растут затраты на обслуживание

Поэтому важно провести точно все расчеты. опубликовано econet.ru

Технология монтажа

Сборка оборудования этого типа производится в несколько этапов:

составляется проект;
собираются коллекторные коммуникации;
в систему устанавливается тепловой насос;
монтируется оборудование внутри дома;
производится заливка теплоносителя.

Далее рассмотрим, как установить тепловой насос под ключ своими руками пошагово.

Как составить проект

Прежде чем приступать к сборке коммуникаций этого типа, конечно же, следует произвести все необходимые расчеты. Работа внешней части системы должна быть полностью согласована с работой внутренней. Расчеты производятся в зависимости от выбранного типа оборудования. Для горизонтальных коллекторов они выполняются так:

Определяется количество необходимого антифриза. При этом используется формула Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·t), где Qo — тепловая мощность источника, t — разность температур между подающей и обратной линией. Параметр Qo рассчитывается как разница между мощностью насоса и электромощностью, затрачиваемой на нагрев хладагента.
Определяется необходимая длина коллектора. Формула расчета в этом случае выглядит так: L = Qo/q, где q — удельный теплосъем. Величина последнего показателя зависит от типа грунта на участке. Для глины, она, к примеру, составляет 20 Вт на п. м., для песка — 10 Вт и т. д.
Определяется необходимая под укладку коллектора площадь участка. В данном случае расчет ведется по формуле A = L·da, где da — шаг укладки труб.

Мощность теплового насоса определяется приблизительно из расчета 70 Вт тепла на 1 м2 при высоте потолков в 2.7 м. Трубы коллектора обычно прокладывают на расстоянии 0.8 м друг от друга или чуть больше.

Как собрать тепловой насос

Стоит оборудование этого типа довольно-таки дорого. Конструкция же теплового насоса относительно проста. Поэтому сделать его можно попробовать и самостоятельно. Выполняется эта процедура примерно так:

Приобретается компрессор (подойдет оборудование от кондиционера).
Изготавливается корпус конденсатора. Для этого бачок из нержавейки на 100 л разрезается напополам.
Изготавливается змеевик. Газовый или кислородный баллон обматывается медной трубкой от холодильника. Последнюю можно зафиксировать с помощью алюминиевых перфорированных уголков.
Змеевик устанавливается в корпус, после чего последний запаивается.
Из пластмассовой емкости 80 л изготавливается испаритель. В него монтируется змеевик из трубы ¾ дюйма.
К испарителю подключаются водопроводные трубы для доставки и слива воды.
Система заполняется хладагентом. Эту операцию стоит доверить специалисту. При неумелых действиях можно не только испортить собранное оборудование, но и получить травму.

Монтаж коллекторных коммуникаций

Технология установки внешнего контура системы отопления также зависит от ее разновидности. Для вертикального коллектора пробуриваются скважины глубиной 20-100 м. Под горизонтальный прорываются траншеи глубиной в 1.5 м. На следующем этапе производится укладка труб. Рядом с горизонтальным коллектором не должно расти деревьев, так как их корни могут повредить магистрали. Для сборки последних можно использовать полиэтиленовые трубы низкого давления.

Установка оборудования

Производится эта операция обычным образом. То есть в помещениях устанавливаются радиаторы отопления, проводятся магистрали и производится их подключение к котлу. На обратной трубе монтируются расширительный бак, фильтр и циркуляционный насос на байпасе. Можно также собрать и подключить к тепловому насосу систему «теплый пол». На заключительном этапе во внешний и внутренний контур заливается выбранный тип теплоносителя.

Как видите, смонтировать тепловой насос и коллектор можно и самостоятельно. Технологически процедура это не особенно сложная. Однако в отличие от других видов подобного оборудования, сборка такой системы даже горизонтального типа — операция физически довольно-таки трудоемкая. Скважины же для вертикальной пробурить самостоятельно без специального оборудования и вообще практически нереально. Поэтому, возможно, для выполнения расчетов и работ по сборке системы стоит все же нанять специалистов. Сегодня на рынке существуют компании, устанавливающие такое оборудование, как тепловой насос, под ключ.

Технология

В задачи гелиоколлектора (его также называют солнечным коллектором) входит получение и преобразование солнечной энергии для ее применения внутри дома. Основным элементом данной системы является абсорбер, размещаемый внутри коллектора. Также в состав гелиоколлектора входят гидравлический контур из трубопроводов, клапаны, фильтры, насос, который обеспечивает движение теплоносителя в системе, и системы регулирования.

Абсорбер поглощает излучение, нагревается и преобразует его в тепловую энергию. От абсорбера теплота передается к теплоносителю (это может быть вода или другая жидкость), который протекает по встроенным в коллектор трубкам. Теплоноситель перетекает по трубопроводу в буферный бак-накопитель, нагревает там запас воды и, охлажденный, возвращается в коллектор.

Варианты

Эффективность работы абсорбера зависит от его вида. Самый простой большую часть энергии отражает. Более полезен так называемый селективный абсорбер, который собирает до 95% попадающей на него энергии.

Не менее важно правильно выбрать и тип самого коллектора. Плоские прямоугольные модели прочны и надежны, но хорошо будут работать только в теплое время года и в ясную погоду. И все же именно эти варианты наиболее популярны, поскольку стоят дешевле и требуют меньше внимания при обслуживании

Цена у трубчатых коллекторов выше, но и полезное действие ощутимо больше. Такие устройства смогут «ловить» солнечное тепло даже зимой и в пасмурные дни. Так что их установка более разумна и в долгосрочной перспективе выгодна

И все же именно эти варианты наиболее популярны, поскольку стоят дешевле и требуют меньше внимания при обслуживании. Цена у трубчатых коллекторов выше, но и полезное действие ощутимо больше. Такие устройства смогут «ловить» солнечное тепло даже зимой и в пасмурные дни. Так что их установка более разумна и в долгосрочной перспективе выгодна.

Монтаж солнечного коллектора

Установку гелиоколлекторов, как и тепловых насосов, следует доверить специалисту. Иногда их располагают на подпорных конструкциях на приусадебном участке, однако в большинстве случаев солнечные коллекторы размещают на крыше здания. А плоские коллекторы нередко встраивают в ее конструкцию, правда, при условии, что скат крыши составляет не менее 25°. Держатели дают возможность укрепить оба типа коллекторов на крыше любой формы и конфигурации.

С 1 м2 площади гелиоколлектора можно получить до 3 кВт*ч тепловой энергии в сутки. Этот показатель увеличивается летом, но снижается в 1,5-2 раза зимой. Имеют значение и региональные различия: на самую высокую отдачу можно рассчитывать в южных областях страны.

Однако польза от применения гелиоколлекторов будет в любой точке страны. Конечно, при условии разумного подхода к выбору их местоположения. Так, наиболее полезны те из них, что «смотрят» в южном направлении. Трубчатые коллекторы можно также направить на юго-запад или юго-восток. При планировании монтажа следует обязательно учитывать расположение деревьев (с учетом их будущего роста) и соседних построек.

Потребители тепловой энергии

После того была собрана какая-либо модель теплового насоса, необходимо подключить его к какому-либо потребителю. Так как мощность данной системы не слишком высокая, то следует подключать его к специализированным системам отопления, к примеру, обогревателю. Отличным вариантом будет подсоединить такое устройство к теплому полу. Возможен вариант соединения с низкоинерционными радиаторами из алюминия или же стали с большой площадью излучения.

Уместно будет сказать, что самодельные варианты также лучше всего подходят только в качестве дополнительного источника отопления. Полностью обеспечить обогрев дома при помощи самоделки не получится, или же температура будет небольшой. Самостоятельно с этой задачей сможет справиться лишь промышленная установка. Кроме того, широкое распространение таких установок произошло благодаря тому, что они экологичны на 100 %. Переход на такие системы отопления значительно скажется на улучшении экологии.

Для чего нужно это устройство

Во время организации горячего водоснабжения и отопления частного или загородного дома далеко не всегда удается реализовать именно тот проект, который задумывался изначально. Особенно это касается нужного энергоносителя. Хорошо, когда рядом проведен газопровод, тогда достаточно оформить газификацию дома, и можно наслаждаться теплом. Хуже, когда газ доступен только в баллонах. Переходить на отопление традиционными дровами и углем – достаточно хлопотно и дорого, учитывая цену угля, а греться с помощью электричества – тоже недешево и расточительно.

К счастью, разработки в сфере новых источников энергии уже вполне доступны для простых людей. Подобные технологии могут извлекать тепло из воды, земли и даже воздуха. К таким новым устройствам и относится тепловой насос.

Принцип действия – обобщенная схема

Чтобы понять принцип действия теплового насоса, ознакомимся вначале с обобщенной схемой его устройства. Благодаря этому, у нас появится возможность двигаться от простого к сложному.

Разбираемся с принципом действия теплового насоса

Начать следует с замкнутого контура. В этом контуре движется газ, который циркулирует благодаря компрессору. Согласитесь, сейчас у данной конструкции практически нет никаких функций, однако если оборудовать ее некоторыми компонентами, то можно получить функционирующий тепловой насос.

Замкнутый контур

В первую очередь, добавляем в нашу схему расширительный клапан.

Добавлен расширительный клапан

Сейчас в нашем контуре имеются две области — высокого и низкого давления. Вместе с тем, мы можем наблюдать немаловажный физический эффект: сжимающийся газ нагревается, а во время снижения давления, напротив, его температура снижается.

Контур состоит из двух областей

Максимальная в данном случае температура наблюдается в точке, где газ выходит из компрессора.

Температура газа на выходе из компрессора самая высокая

Наименьшая же температура наблюдается на выходе из расширительного клапана.

Температура газа на выходе из расширительного клапана самая низкая

Далее в систему добавляем пару теплообменников.

В систему добавлены теплообменники

Газ, у которого высокая температура, при прохождении через теплообменник будет большую часть тепла отдавать внешнему потребителю. Вместе с тем, газ, температура которого низкая, при прохождении через теплообменник, напротив, будет поглощать тепловую энергию из наружного источника.

Прохождение горячего газа через теплообменник

Конструкция, которая у нас получилась, имеет все функции, которые должны присутствовать у теплового насоса. Но чтобы она была полноценной, необходимо оснастить ее источником низкотемпературного тепла, а также выполнить подключение к отопительной системе.

У этой конструкции имеются все функции теплового насоса

Самым оптимальным для нашего региона вариантом является применение геотермальных зондов, которые и будут служить источниками упомянутого выше низкотемпературного тепла.

Использование геотермальных зондов

Что же касается отопительных приборов, то в качестве таковых могут использоваться батареи, теплые полы/стены.

Подключение к отопительным приборам

Виды

Тепловые насосы своими руками можно сконструировать на основе трех принципов — по источнику энергии, теплоносителю и их комбинации. Источником энергии может быть вода (водоем, река), грунт, воздух. Все виды насосов основаны на одном принципе работы.

Классификация

Выделяют три группы устройств:

вода-вода;
грунтово-водяные (геотермальные тепловые насосы);
используют воду и воздух.

Тепловой коллектор «грунт-вода»

Тепловой насос своими руками — самый распространенный и эффективный способ добычи энергии. На глубине нескольких метров грунт имеет одну постоянную температуру и мало подвержен погодным условиям. На внешнем контуре такого геотермального насоса применяется специальная экологически безопасная жидкость, в народе называемая «рассолом».

Наружный контур геотермального насоса создают из пластиковых труб. Их вкапывают в грунт вертикально или горизонтально. В первом случае на один киловатт может понадобиться достаточно значительная площадь работ – 25–50 м2. Площадь нельзя использовать для посадочных работ — тут допускается только высадка однолетних цветущих растений.

«Вода-вода»

На большой глубине температура воды постоянная и стабильная. Источником низкопотенциальной энергии может служить открытый водоем, грунтовые воды (колодец, скважина), сточные воды. Принципиальных различий в конструкции для отопления такого типа с разными теплоносителями нет.

Устройство «вода-вода» наименее трудозатратное: достаточно оснастить трубы с носителем тепла грузом и поместить в воду, если это водоем. Для грунтовых вод потребуется более сложная конструкция и может возникнуть нужда в сооружении колодца под сброс воды, проходящей через обменник тепла.

«Воздух-вода»

Такой насос немного уступает двум первым и в холодное время его мощность снижается. Но он более универсальный: для него не нужно копать землю, создавать скважины. Нужно только установить необходимое оборудование, например, на крыше дома. Для этого не требуется сложных монтажных работ.

Основным преимуществом является возможность повторно использовать тепло, покидающее помещение. Зимой рекомендуют иметь еще один источник тепла, поскольку мощность такого обогревателя может значительно уменьшиться.

Однотрубные и двухтрубные системы водяного отопления

Также различаются однотрубная и двухтрубная системы водяного отоплении. В однотрубной системе радиаторы подключены к системе отопления последовательно, в двух трубной параллельно.

На это об основных принципах водяного отопления все! Тепло вашему дому.

Несколько визуальных сконструированных рисунка систем водяного отопления:

Закрытая,двухконтурная закрытая система водяного отопления с бойлером ГВС с Экспансоматом

Закрытая, двухконтурная закрытая система водяного отопления

Закрытая одноконтурная система отопления

Открытая система водяного отопления с искусственной циркуляцией и расширительным баком

Открытая система водяного отопления с естественной циркуляцией и расширительным баком

Obotoplenii.ru

Тепловые насосы своими руками: делаем тепловой насос для дома

Принцип работы и составные части теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов