Тепловой насос: 6 этапов работы аппарата

Тепловой насос — штука интересная, но дорогая. Примерная стоимость оборудования + устройства внешнего контура от 300$ до 1000$ за 1 кВт мощности. Зная «рукастость» российского люда, легко предположить, что уже не один тепловой насос, сделанный своими руками, работает на просторах нашей необъятной и разноклиматической родины. Чаще всего встречаются самодельные аппараты, которые изготовили «холодильщики». И это понятно, ведь тепловой насос и морозильная камера работают по одному и тому же принципу, просто система тепловых установок ориентирована на сбор тепла, а не на его отведение, и компрессор используется большей мощности.

О принципе работы читайте тут.

Что может стать источником тепла для теплового насоса

Тепло для обогрева помещения можно отбирать у воздуха на улице. Но тут неминуемо возникнут сложности при эксплуатации: слишком велики колебания температуры даже среднесуточные, не говоря уже о том, что нормальную эффективность тепловой насос показывает при температуре выше 0o C. А как много регионов у нас имеют зимой такую картину? Весной, да и то не ранней, и не на всей территории, и не постоянно.

Источником тепла для вашего дома с отоплением от теплового насоса может стать любая среда

Намного более приемлемым выглядит источник тепла, расположенный в воде. Если рядом есть речка, озеро или приличной глубины пруд — это просто здорово: можно трубопровод просто утопить. Важно только чтобы там рыбаки с донками не рыбачили.

Еще один неплохой вариант — колодец, однако есть вероятность, что упадет уровень воды и придется вам искать другой источник. Но пока все нормально, работать будет неплохо: средняя температура воды в подземных горизонтах 5-7 oC. Этого для работы теплового насоса более чем достаточно.

Вы будете, возможно, удивлены, но использовать можно и канализацию — там температуры выше, чем в колодцах. Трубопровод можно будет разместить в сточной яме или колодце, но при условии, что он будет покрыт водой постоянно. И трубу нужно будет выбрать химически стойкую.

Горизонтальный подземный коллектор — дело чрезвычайно трудоемкое: снять грунт придется с нескольких соток на глубину ниже точки промерзания. Это очень большие объемы, которые в одиночку или даже с помощником не осилить. И, как показала практика, в наших климатических условиях такие системы малоэффективны: слишком суровы зимы.

С вертикальными коллекторами дело не лучше — без бурильной техники обойтись вряд ли удастся. Количество и глубина скважин зависят от грунта: разброс возможного съема тепла с метра скважины очень большой. От 25 Вт/м в сухом щебенистом и песчаном грунте, до 80-85 Вт/м во влажных щебенистых и песчаных почвах или в граните. Соответственно и разница в длине скважин в 3 раза и выше.

Вот схема отопления дома тепловым насосом. При использовании, как в описываемом примере, двух скважин и при отсутствии замкнутого контура, расстояние между двумя колодцами должно быть не менее 20 метров. И нужно учесть направление потока, чтобы холодная вода от насоса не снижала температуру в «донорской» скважине

В описываемом примере самодельного теплового насоса, источник тепла — колодец с хорошей скоростью поступления воды. Вода прибывает настолько быстро, что покрывает расход на бытовые потребности и ее хватает для переноса нужного количества тепла (была рассчитана необходимая скорости подачи воды, и соответственно подобран насос). Но источником тепла для этой модификации может служить любой из описанных выше, кроме воздуха. Определившись с источником тепла, можно будет изготовить тепловой насос для отопления дома.

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 м2 необходим участок не меньше 250 м2, 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.

Из опыта эксплуатации сделанного своими руками теплового насоса

Как показала практика использования, производительность представленного варианта невелика: 2,6-2,8 кВт. Говорить о высокой эффективности данного теплового насоса не приходится: на площади 60 м2 при -5 oC на улице, сам он поддерживает +17oC. Но система считалась и монтировалась под котел — радиаторы, при входящей температуры +45oC, больше выдать просто не могут. Система в доме работала старая и количество радиаторов не увеличено, но пока в холода догревались печкой.

Если в конструкцию добавить регенеративный теплообменник, это повысит эффективность на 10-15%. Учитывая то, что затраты невелики, можно делать. Понадобиться две медные трубки по 1,5 метра. Одна диаметром 22 мм, вторая — 10 мм. На более тонкую для увеличения площади теплообмена, наматывается 4-х жильный проводник (длина 3-4 метра, диаметр 4 мм), концы его припаиваются к трубке, чтобы не разматывались. Трубка с намотанной проволокой аккуратно вставляется в трубку большего диаметра. Ее нужно установить между компрессором и испарителем. Доработка незначительная, но довольно ощутимо повышает эффективность. Правда, при определенных условиях небезопасная: в компрессор может попасть теплый фреон, что приведет к выходу его из строя.

Доработка схемы: можно добавить регенеративный теплообменник, что поднимет производительность примерно на 15-20%

Второй вариант повышения эффективности, более безопасный и не менее эффективный — встроить дополнительный теплообменник для подогрева воды или гликоля.

На что обратить внимание, если вы решили делать тепловой насос своими руками. Есть несколько вещей, о которых узнать можно только на опыте:

• Пусковые токи конкретно этой установки были очень даже приличными. Не всегда ресурсов сети хватало для запуска установки. Потому, если делать серьезную установку, лучше брать трехфазный компрессор, и подводить, соответственно, трехфазный ввод. Да, недешево, но для стабильного старта однофазного компрессора требуется электронный стабилизатор приличной мощности, что тоже дешевым не назовешь.
• Тепловой насос на готовой радиаторной системе не даст нормальной температуры в помещении. Они рассчитаны на другую температуру теплоносителей, которую эти установки, тем более самодельные, дать в состоянии крайне редко. Потому или модернизируйте систему (добавив как минимум столько же секций радиаторов), или устанавливайте водяные полы.
• Если в колодце есть три кольца воды, это не значит, что дебет у него большой. Нужно знать, сколько он в состоянии давать воды при постоянном ее отборе.

Принципы работы теплонасоса вода-вода

Конструкция подходит для организации теплоснабжения дома или хозяйственной постройки, бесперебойного поступления горячей воды. При этом забор тепла осуществляется из источников естественного происхождения: рек, озер, подземных вод. Даже в зимний период времени на глубине жидкость сохраняет положительную температуру. Есть возможность извлекать и использовать тепло, получаемое от воды, даже в лютые морозы.

У теплового насоса вода-вода принцип работы связан с циклом Карно. Суть его в следующем: перемещающееся в закрытом контуре вещество под воздействием факторов физического и термического характера меняет агрегатное состояние. Оно становится жидким, после чего снова преобразуется в газ. При этом происходит высвобождение и поглощение большого объема тепла.

Комплектующие, из которых состоит теплонасос вода-вода:

• компрессорная установка;
• испаритель;
• конденсатор;
• расширительный клапан индукционного типа;
• система, контролирующая в автоматическом режиме главные параметры;
• многочисленные медные трубные магистрали;
• хладагент.

Разберем подробнее, как работает тепловой насос вода-вода. Жидкость закачивается в трубки из источника в систему, где происходит ее взаимодействие с газом (фреоном). Он закипает при +2-3 градусах по Цельсию. Происходит поглощение части тепла фреоном и всасывание его компрессорной установкой. Там газ сжимается, вследствие чего нагревается.

На следующем этапе хладагент передается в конденсатор для нагрева воды. Жидкость может разогреваться до +80 градусов. Далее она движется по трубам отопительной конструкции. После охлаждения вода направляется в испаритель, затем происходит слив жидкости в приемной скважине. Фреон после пребывания в конденсационном устройстве переходит в жидкое состояние. Затем он направляется в дроссель, откуда возвращается в изначальный пункт. Далее происходит возобновление цикла.

Итоги

Несомненно, стоимость теплового насоса из кондиционера в разы ниже готовых заводских вариантов, даже китайского производства. Но нюансов тут море: нужно позаботиться об источнике и количестве подаваемого тепла, правильно рассчитать длину теплообменников (змеевиков), установить автоматику, обеспечить гарантированное питание, и т.д. Но если вы в состоянии решит эти проблемы, то это, несомненно, выгодно. Позволим дать вам совет: в первый год очень желательно иметь резервное отопление, а испытания и пробный пуск, лучше проводить еще летом, чтобы было время на доработку агрегата до начала отопительного сезона.

Изготовление теплового насоса для домашних нужд

Тепловой насос для отопления дома своими руками изготовить выгодно и удобно. Статистика утверждает, что ТН для дома площадью 200 м? окупится в течение первых трёх лет, и это ещё не предел, учитывая растущую стоимость топлива и электроэнергии. Можно эти затраты сократить, если в доме есть умельцы, которые могут собрать насос из подручных материалов. Для этого понадобится:

1. Мощный компрессор, например, предназначенный для кондиционера. Если дома такого нет, то можно подобрать в мастерских по ремонту холодильников и кондиционеров. Для него предварительно нужно подготовить крепление в удобном месте (обычно на стене дома).
2. Конденсатор, его можно сделать самостоятельно. Изготовить змеевик из медной трубки с толщиной стенки не менее 1 мм, который разместить в подходящем по размеру металлическом сварном корпусе. Установить на нём необходимые отводы и соединения. Его также размещают на стене, рядом с компрессором. Для того чтобы змеевик был сделан качественно, медную трубу наматывают, например, на газовый баллон, а межвитковое расстояние закрепляют уголком из алюминия. Окончательный монтаж конденсатора (пайку медной трубы, закачку фреона и т. п. ) лучше доверить профессионалу, чтобы не повредить ТН и не получить травмы во время сборки или эксплуатации.
3. Испаритель — ёмкость для превращения жидкого хладагента в парообразное состояние. Образовавшийся пар, поступает в компрессор, который перекачивает его под давлением в конденсатор.
4. Дроссельный клапан. Необходимо приобрести, учитывая параметры насоса.
5. Соединительные трубные элементы схемы в зависимости от выбранного типа установки.
6. Проверяют гидравлическую плотность трубопроводных систем путём опрессовки (воздушной или водяной).
7. Проверяют надёжность электросилового оборудования дома.