Как сделать тепловой насос своими руками

Что такое тепловой насос

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.

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.

Коэффициент преобразования теплоты

Коэффициент преобразования теплоты (COP, КПТ) – цифра, выражающая соотношение между тепловой и потребляемой мощностью ТН. По этому параметру оценивается производительность тепловой машины.

КПТ показывает, сколько тепловой энергии перемещает устройство, затрачивая 1 кВт электроэнергии. Чем больше COP, тем эффективнее работает тепловой насос. Современные модели вырабатывают 4-5 кВт и более тепла на 1 кВт электричества (COP – 4-5).

Важно: на COP влияет температура окружающей среды и температура теплоносителя при выходе из ТН (температура подачи). С увеличением разницы между ними уменьшается коэффициент преобразования

Поэтому для более точной характеристики тепловой машины производители указывают КПТ для конкретных температур.

Не путайте КПТ и КПД (коэффициент полезного действия). В отличие от COP, КПД всегда меньше 1.

Насосы типа «вода-вода»

Разместить на дне близлежащего водоема полиэтиленовые трубы коллектора может практически любой человек. Для этого не понадобится больших профессиональных знаний, навыков, инструментов. Достаточно равномерно распределить витки бухты по поверхности воды. Между витками должно быть расстояние не менее 30 см, а глубина затопления не менее 3 м. Затем надо привязать грузы к трубам, чтобы они ушли на дно. Тут вполне подойдет некондиционный кирпич или природный камень.

На монтаж коллектора ТН типа «вода-вода» потребуется значительно меньше времени и денег, чем при рытье траншей или бурении скважин. Расходы на приобретение труб также будут минимальными, поскольку съем тепла при конвективном теплообмене в водной среде достигает 80 Вт/м. Очевидная выгода применения ТН — не нужно сжигать углеродное топливо для получения тепла.

Альтернативный способ отопления дома становится все более востребованным, поскольку обладает еще несколькими преимуществами:

1. Экологически безопасен.
2. Использует возобновляемый источник энергии.
3. После окончания пусконаладочных работ отсутствуют регулярные затраты расходных материалов.
4. Автоматически регулирует нагревание внутри дома по температуре наружного воздуха.
5. Срок окупаемости начальных затрат 5–10 лет.
6. Можно подключить бойлер для горячего водоснабжения коттеджа.
7. Летом работает как кондиционер, охлаждая приточный воздух.
8. Срок службы оборудования — более 30 лет.
9. Минимальные энергозатраты — генерирует до 6 кВт тепла при использовании 1 кВт электричества.
10. Полная независимость отопления и кондиционирования коттеджа при наличии электрогенератора любого типа.
11. Возможна адаптация к системе «умный дом» для дистанционного управления, дополнительной экономии энергии.

При проектировании системы энергоснабжения следует учитывать, что на перекачивание насосом теплоносителя по внешнему контуру расходуется электроэнергия. Чем больше длина труб, изгибов, поворотов, тем менее выгоден ТН. Оптимальное расстояние от дома до берега — 100 м. Его можно удлинить на 25 % за счет увеличения диаметра труб коллектора с 32 до 40 мм.

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

1. Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
2. Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
3. При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
4. После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
5. Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
6. После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
7. Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
8. Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
9. В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

• Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
• Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
• Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

1. Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
2. Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)

Работа теплового насоса при работе по схеме грунт-вода

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт – вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме – кондиционирование.

Газовая система отопления имеет массу преимуществ и одно из главных – низкая стоимость газа. Как обустроить обогрев жилища газом, вам подскажет схема отопления частного дома с газовым котлом. Рассмотрим проект отопительной системы и требования к замещению.

Об особенностях выбора солнечных батарей для отопления дома читайте в этой теме.

Серия Smart HT

Серия высокоэффективных инверторных высокотемпературных тепловых насосов для нагрева теплоносителя системы отопления, нагрева горячей воды и охлаждения теплоносителя (опционально).

Основное назначение этой серии — нагрев системы отопления преимущественно состоящей из радиаторов отопления.

Такие тепловые насосы обладают всеми возможностями серии Smart, но имеют небольшие изменения в конструкции и другой хладагент — R134a. Использование компрессоров с большОй объёмной производительностью и хладагента R134a позволяет нагревать теплоноситель до 75 градусов.

• Нагрев теплоносителя до 75 градусов.
• Функция Preheating для быстрого нагрева горячей воды.
• Плавная регулировка мощности и отсутствие пусковых токов.
• Режим повышения мощности нагрева на 20% выше номинальной мощности (форсированный режим работы). Применение такого режима даёт запас по мощности.
• Режим снижения мощности нагрева на 50% ниже номинальной для экономии эл. энергии.
• Режим День/Ночь для работы с двухтарифным эл.счётчиком и снижения затрат на обогрев.
• Возможность подключения модуля удалённого доступа для управления со смартфона.
• Возможность подключения функции охлаждения.
• Однофазное и трёхфазное подключение. При необходимости однофазное исполнение до 25 кВт.

  Комплектация тепловых насосов серии Smart HT:

• Контроллер теплового насоса с графическим интерфейсом. Лёгкое управление, полностью на русском языке.
• Промышленный спиральный компрессор Danfoss увеличенной объёмной производительности для работы с хладагентом R134a/
• Высококачественные пластинчатые теплообменники Danfoss выполненные по микроканальной технологии — MPHE.
• Увеличенный теплообменник испарителя для работы в режиме повышенной мощности.
• Преобразователь частоты для управления скоростью компрессора. Использование преобразователя позволяет плавно запускаться компрессору убирая пусковые токи на электросеть дома, а так же изменять производительность компрессора, как ниже номинальной мощности (режим пониженной мощности), так и выше номинала (режим повышенной мощности).
• Функцию управления нагревом санитарной горячей воды (ГВС).
• Встроенный контактор для управления дополнительным нагревателем бойлера (ТЭН бойлера для догрева воды или антибактериальной обработки внутренней поверхности бойлера). 
• Встроенный силовой контактор для управления внешним эл. котлом или вторым источником тепла.
• Встроенные реле и защитные автоматы для подключения внешних циркуляционных насосов геотермального контура, системы отопления, загрузки теплообменника бойлера)
• Дополнительная опция — охлаждение. На этапе сборки в тепловой насос устанавливается реверсивный клапан позволяющий изменять направление движения хладагента. При выборе на панели управления режима «охлаждение», тепловой насос будет охлаждать теплоноситель системы отопления.
• Настройка режимов «День», «Ночь, для работы с двухтарифным учётом эл.энергии, а так же режим «ЭКОном» для поддержания пониженной температуры в доме при отсутствии людей.
• Дополнительная опция — дистанционное управление системой отопления.

Принцип работы

Технологическая схема воздушного теплового насоса состоит из следующих элементов:

• компрессор с электроприводом;
• испаритель;
• расширительный (дроссельный) клапан;
• конденсатор с вентилятором обдува;
• медные трубки для циркуляции хладагента (легкокипящей жидкости) между основными элементами схемы.

Испаритель представляет собой теплообменный радиатор и устанавливается на улице. В одном блоке с ним смонтирован компрессор и расширительный клапан. Конденсатор с вентилятором обдува находится в обогреваемом помещении. Для уменьшения нерациональных потерь энергии трубки циркуляционного контура покрыты слоем тепловой изоляции, чаще всего из вспененного полиэтилена или искусственного каучука.

В качестве хладагента используется легкокипящий фреон, не замерзающий при низкких температурах.

Простая схема работы

Рабочий процесс в тепловом насосе воздух-воздух складывается из 4-х последовательных циклов:

1. Хладагент, в жидком состоянии с температурой ниже, чем у наружного воздуха, находится в установленном на улице испарителе. Попадая на стенки трубок, он испаряется и переходит в газообразное состояние. При этом температура фреона возрастает.
2. Подогретый газ поступает в компрессор, который значительно повышает давление рабочей среды. Это приводит к дальнейшему росту температуры рабочей среды.
3. В сжатом и разогретом состоянии пары хладагента подаются на стенки трубок конденсатора обдуваемого конденсатора, где происходит его переход из газообразного в жидкое состояние с одновременным охлаждением и образованием смеси пара и жидкости.
4. Охлажденная смесь поступает в расширительный клапан, который пропускает только холодный жидкий фреон к испарителю и весь цикл повторяется снова.

Для того, чтобы повысить эффективность теплообмена в испарителе и конденсаторе их рабочую поверхность делают максимальной, на трубки устанавливают дополнительное оребрение и активно обдувают воздухом.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Прежде чем приступить к изготовлению теплового насоса, необходимо выбрать источник тепла и решить вопрос со схемой работы установки. Кроме компрессора понадобится и другое оборудование, а также инструменты.

Выполнение схем и чертежей. Чтобы установить тепловой насос, необходимо сделать скважину, потому что источник энергии должен находиться под землей. Глубина скважины должна быть такой, чтобы температура земли составляла не менее 5 градусов. Для этой цели также подойдут любые водоёмы.

Конструкции тепловых насосов похожи, поэтому вне зависимости от того, каким будет источник тепла, можно использовать практически любую схему, найденную в сети. Когда схема будет выбрана, необходимо выполнить чертежи и указать в них размеры и места соединения узлов.

Так как рассчитать мощность установки достаточно трудно, можно воспользоваться средними значениями. Например, для жилого помещения, имеющего низкие теплопотери, потребуется отопительная система с мощностью 25 Вт на кв. метр. Для здания, которое хорошо утеплено, это значение составит 45 Вт на кв. метр. Если у дома, достаточно высокие теплопотери, мощность установки должна быть не менее 70 Вт на кв. метр.

Выбор нужных деталей. Если компрессор, снятый с холодильника, поломан, то предпочтительнее приобрести новый. Не рекомендуется производить ремонт старого компрессора, ведь в будущем это может негативно повлиять на работу теплового насоса.

Дополнительно потребуется приобрести следующие детали:

• герметичная тара из нержавейки объёмом 120 литров;
• емкость из пластика объёмом 90 литров;
• три трубы из меди разного диаметра;
• трубы из металлопластика.

Для работы с металлическими деталями понадобятся сварочный аппарат и болгарка.

Сборка узлов и установка теплового насоса

В первую очередь следует установить на стену компрессор, используя кронштейны. Следующий шаг – работа с конденсатором. Бак из нержавейки нужно разделить на две части при помощи болгарки. В одну из половин монтируется медный змеевик, затем емкость необходимо заварить и сделать в ней резьбовые отверстия.

Чтобы изготовить теплообменник, нужно намотать на емкость из нержавейки медную трубу и закрепить концы витков рейками. Присоединить к выводам сантехнические переходы.

Как только работа с узлами будет окончена, нужно подобрать терморегулирующий клапан. Конструкцию следует собрать и заправить систему фреоном (для этой цели подойдет марка R-22 или R-422).

Подсоединение к заборному устройству. Вид устройства и нюансы подсоединения к нему будут зависеть от схемы:

• «Вода-земля». Следует установить коллектор ниже линии промерзания земли. Необходимо, чтобы трубы находились на таком же уровне.
• «Вода-воздух». Такую систему устанавливать легче, так как нет необходимости в бурении скважин. Коллектор монтируется в любом месте около дома.
• «Вода-вода». Коллектор изготавливается из металлопластиковых труб, а после помещается в водоём.

Также можно установить для обогрева дома комбинированную отопительную систему. В такой системе тепловой насос работает одновременно с электрическим котлом и используется как дополнительный источник отопления.

Тепловой насос для обогрева дома вполне можно собрать самостоятельно. В отличие от покупки готовой установки, это не потребует больших финансовых затрат, а результат обязательно порадует.

Принцип кондиционирования (активного и пассивного)

В зимнее время тепловой насос переносит из окружающей среды тепло, которое затем используется в  системе отопления. Летом, наоборот, «холод» из скважины (7-9°C) переносится в помещения дома. Принцип работы системы примерно такой же, только вместо радиаторов используются фанкойлы. При пассивном охлаждении теплоноситель просто циркулирует между фанкойлами и скважиной, т.е. холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования — компрессор не работает). Если пассивного охлаждения недостаточно, включается компрессор теплового насоса, который дополнительно охлаждает теплоноситель.

КПД и принцип работы теплового насоса

КПД теплового насоса для отопления всегда будет более 1. Для геотермальных систем более корректным является коэффициент преобразования тепла. Если он равен 4, то это означает, что при мощности 1 кВт, тепловой насос на выходе обеспечивает 4 кВт энергии, из которых 3 кВт дала земля.

Принцип, лежащий в основе работы теплового насоса для отопления дома, был разработан в начале XIX в. инженером Сади Карно и был назван циклом Карно. На этом основана работа обычного бытового холодильника, в котором продукты охлаждаются за счет того, что рассеянное тепло отводится через радиатор наружу. Но применять для отопления домов, когда все происходит с точностью до наоборот, т. е. работа теплового насоса основана на принципе обратного цикла Карно, его стали недавно.

Тепловой насос для отопления дома редставляет собой устройство, в котором происходит преобразование низкотемпературного в высокотемпературное тепло, которое и идет на обогрев. Источником тепла выступают земля, вода и воздух (первый из них распространен шире всего, поскольку он эффективен (хотя имеет значение уровень теплоизоляции дома, способ, который применяют для обогрева дома, и др.) и отличается оптимальным соотношением цены и потребительских качеств).

Для работы теплового насоса, предназначенного для отопления дома, требуется электричество, но при затратах в 1 кВт электроэнергии отдача составляет 4–6 кВт тепловой энергии.

Дополнительно к обогреву дома летом, тепловой насос может работать как кондиционер, для чего достаточно, чтобы система была способна на реверсивный режим работы. Тепловые насосы классифицируются на несколько типов:

• «земля – вода»;
• «земля – воздух»;
• «вода – вода»;
• «вода – воздух»
• «воздух – вода»;
• «воздух – воздух».

Далее подробно рассказывается о том, как работают разные типы тепловых насосов для отопления дома.

Самодельный тепловой насос – реально ли?

Если изготовить тепловой насос самостоятельно, можно значительно сэкономить, но эффективность таких устройств несколько ниже, чем у моделей промышленного изготовления. Сначала изготавливают отдельные элементы насоса, затем их соединяют в общую систему. Испаритель можно сделать из большого пластикового бака. Внутри устанавливают медный змеевик.

Для изготовления змеевика трубу из меди можно аккуратно намотать на газовый баллон или другой подходящий цилиндрический предмет, чтобы придать ей нужную форму. Таким же образом делают еще один змеевик – для испарителя. Этот элемент помещают внутри еще одного бака, на этот раз металлического, понадобятся сварочные работы.

Компрессор просто покупают или снимают с другого устройства, например, со сломанного кондиционера. Когда эти три устройства готовы, их соединяют в общую систему. Затем компрессор заправляют хладагентом. Остается соединить испаритель с вентилятором, который нагнетает воздух, а конденсатор – к системе подогрева воды в бассейне.

Значительно сложнее в устройстве тепловой насос типа вода-вода. Для его сооружения требуется наличие рядом с участком реки или естественного водоема, если их нет, то бурят скважины. Однако если получать энергию из воздуха невозможно по техническим причинам, этот вариант также будет полезен.

Итоги

Геотермальные насосы — не самая дешевая затея. Если у вас есть возможность подключить газ, и эта затея обойдется вам меньше, чем 15 000 долларов, подключайте газ. Если такой возможности нет или сумма получается больше — целесообразно установить тепловой насос. И лучше геотермальный. Он хоть и требует больших вложений на старте, но работает стабильнее и показывает большую производительность. Сумма вложений — очень приблизительная и зависит от конкретных условий. Но эти устройства тем и отличаются, что проект и расчет геотермального теплового насоса — вещь сугубо индивидуальная и считается под каждый проект. Даже на двух соседних участках условия (и сумма) могут значительно отличаться.

Выводы и полезное видео по теме

Практический опыт подогрева воды в бассейне с помощью тепловых насосов представлен в следующем видео:

Здесь наглядно продемонстрирован принцип работы воздушного теплового насоса:

На этом видео представлен очень подробный обзор работы и устройства модели теплового насоса типа “воздух-вода”:

Тепловой насос – удобный, эффективный и экологичный способ обогрева бассейна. При правильной эксплуатации стоимость модели окупится очень быстро, а грамотный монтаж существенно увеличит срок службы устройства.

Хотите поделиться полезной информацией по теме статьи? Может, знаете, как сделать тепловой насос для обустройства частного бассейна своими руками? Пишите, пожалуйста, комментарии в находящемся ниже блоке, задавайте вопросы, делитесь своим мнением и тематическими фотоснимками.