Изготовление теплового насоса своими руками для отопления дома

Запасы привычных энергоносителей постепенно истощаются, что заставляет людей обращать внимание на альтернативные источники энергии. Теплонасосы являются весьма эффективным средством обогрева строений, но заводские модели отличаются высокой стоимостью. Чтобы сделать тепловой насос своими руками для отопления дома, необходимо разобраться с его принципом работы и конструкцией.

Принцип действия

Теплонасос представляет собой комплект оборудования, задачей которого является сбор тепловой энергии и ее доставка к потребителю. Источником теплоэнергии может быть любая среда либо тело с температурой выше 1 градуса. Чтобы глубже разобраться с принципом работы этих устройств, следует познакомиться с их функциональными особенностями:

• Агрегат не производит теплоэнергию самостоятельно.
• Для работы теплонасоса необходима электроэнергия.
• В основе принципа работы аппарата лежит цикл Карно, используемый во всех холодильных установках.

За последнее время технология изготовления тепловых насосов значительно улучшилась. Современные агрегаты способны забирать тепловую энергию из воздуха с температурой до -30 градусов, а также воды и почвы – до 2 градусов. В цикле Карно рабочим телом является фреон. Это газообразное вещество начинает кипеть при минусовой температуре. Хладагент последовательно испаряется и конденсируется в двух теплообменных камерах, поглощая при этом энергию из окружающей среды. Затем он транспортирует ее к потребителю.

Схема теплового насоса аналогична принципу действия кондиционера, работающего на обогрев:

• Пока фреон находится в жидком состоянии, хладагент циркулирует по трубам теплообменника. Забирая теплоэнергию из окружающей среды, фреон закипает и начинает испаряться.
• Затем газ попадает в компрессор, который повышает давление до нужного значения. В результате точка кипения хладагента повышается, и вещество конденсируется при более высокой температуре.
• Проходя через внутреннюю теплообменную камеру, фреон отдает накопленную энергию теплоносителю и снова переходит в жидкое состояние.
• После этого газ поступает в ресивер и дроссель. Когда давление вещества снижается, рабочий цикл повторяется.

Чтобы понять принцип действия агрегата и узнать, как устроен тепловой насос, должна быть изучена схема.

Основные виды

Получатели и поставщики теплоэнергии в тепловых насосах работают в паре. Именно на этом факте и основана общепринятая классификация агрегатов. В зависимости от источника энергии и теплоносителя теплонасосы делятся на такие типы:

• Воздух-воздух. Агрегат забирает тепловую энергию из окружающей среды, а затем отправляет ее по воздуху для обогрева помещения.
• Воздух-вода. Принцип действия аналогичен первому типу, но в качестве теплоносителя используется вода, циркулирующая в системе отопления.
• Вода-вода. Тепловая энергия забирается из водоема и передается жидкому теплоносителю.
• Геотермальный теплонасос. Агрегат в качестве источника энергии использует грунт.

Наиболее дорогими устройствами являются геотермальные, а самыми дешевыми – «воздух-воздух». Основным показателем, который должен учитываться при выборе агрегата, является коэффициент эффективности СОР. Он отражает зависимость между полученной и затраченной энергией. Например, у воздушных насосов показатель коэффициента СОР в среднем составляет 3. Это говорит о том, что затрачивая 1 кВт энергии на работу, в отапливаемое помещение передается 3 кВт тепла.

Грунтовые и водяные системы отличаются более высокой эффективностью. Однако даже они способны поднять температуру теплоносителя максимум до 40 градусов.

В этом они существенно уступают традиционным теплогенераторам. Именно поэтому производители рекомендуют подключать к низкотемпературным отопительным контурам, например, теплым полам.

Простейший агрегат

Наиболее дешевым самодельным устройством станет тепловой насос из кондиционера. Желательно приобрести модель, оснащенную реверсивным клапаном. Благодаря этому кондиционер может работать на обогрев. В противном случае придется дорабатывать контур хладагента. Также при выборе кондиционера следует обратить внимание на показатель производительности агрегата по холоду.

Алгоритм изготовления простейшего теплонасоса имеет следующий вид:

• Снимается верхний кожух аппарата и демонтируется внешняя теплообменная камера. На этом этапе необходимо проявить осторожность, чтобы не повредить трубки с хладагентом.
• Затем нужно снять с вала наружную крыльчатку.
• Изготавливается бак из металла. Его длина должна соответствовать размеру теплообменной камеры, а ширина будет на 100-150 мм больше.
• Чтобы радиатор не обмерзал, предстоит увеличить его площадь. Для этого по краям устанавливаются дополнительные алюминиевые либо медные пластины, в зависимости от материала теплообменной камеры.
• Модернизированный радиатор устанавливается в бак, который нужно затем закрыть герметичной крышкой.
• На финальном этапе к штуцерам подключаются шланги отбора и подачи теплоносителя, подсоединяются циркуляционные насосы. После этого остается заполнить емкость и проверить ее на герметичность.

Если проверка прошла успешно, теплонасос запускается, а также настраивается водяной поток для получения максимальной эффективности.

Геотермальная установка

Даже самодельный агрегат этого типа способен обеспечить показатель СОР равный 3. Однако затраты на его изготовление будут выше в сравнении с воздушной установкой.

Расчет теплообменника и грунтового контура

Изготавливаемый агрегат оснащен U-образными зондами, установленными в скважинах. Сначала предстоит рассчитать общую длину внешнего контура, а затем необходимую глубину и количество шахт. В качестве примера можно взять дом общей площадью в 90 м² и высотой потолков 2,8 м. Строение расположено в средней полосе. Так как задача состоит в расчете теплонасоса, показатель тепловой нагрузки можно взять примерно – 8 кВт. Вертикальный зонд представляет собой две петли из труб. Они опускаются на дно скважины и заливаются бетонным раствором.

Интенсивность процесса теплового обмена между хладагентом и почвой зависит от типа грунта. Таким образом, 1 м² вертикального зонда может получить следующее количество тепловой энергии:

• Подземные воды – 80 Вт/м.
• Каменистые почвы – 70 Вт/м.
• Глинистый влажный грунт – 50 Вт/м.
• Сухой грунт – 20 Вт/м.

Для извлечения из глинистой почвы 8 кВт тепла потребуется зонд длиной 8000/ 50 = 160 м. Чтобы распределить трубы по шахтам глубиной 20 м, необходимо сделать 8 сверлений почвы по 2 петли. Таким образом, общая протяженность трубопровода составит 8х20х4= 640 м.

Также потребуется рассчитать площади конденсатора и испарителя. В интернете встречается много различных формул, но чаще всего они не позволяют получить точный результат.

При выборе теплообменников стоит воспользоваться следующими рекомендациями:

• Обращать внимание стоит на продукты известных производителей, например, Анвитэк или Alfa Laval.
• На официальном веб-ресурсе производителя можно заполнить специальную форму для выбора теплообменных камер или обратиться в фирменный магазин. Основными данными являются тепловая нагрузка на систему обогрева, а также температура на выходе и входе.
• После этого будет предложена подходящая модель. В характеристиках изделия можно найти и наиболее важную – площадь поверхности теплообмена.

Наиболее эффективными являются пластинчатые устройства, но они имеют высокую стоимость. Выгоднее использовать кожухотрубные агрегаты, изготовленные из медных трубок диаметром 12,7 или 9,5 мм. Указанную в паспорте площадь обмена необходимо умножить на коэффициент 1,1, а затем разделить на длину окружности трубопровода. В результате станет известен необходимый метраж.

Сборка теплонасоса

На первом этапе необходимо собрать грунтовый контур. Для этого предстоит выполнить простые, но трудоемкие земляные работы. Если есть возможность, то стоит заказать буровую установку. Расстояние между соседними шахтами должно составлять 5 м. После этого нужно сделать следующее:

• Между скважинами прокапывается неглубокая траншея для трубопровода контура.
• В каждую шахту опускаются по 2 петли, изготовленные из полиэтиленовых труб. После этого сверление заливается бетонным раствором.
• Все магистрали сводятся в одну точку соединения, и монтируется единый коллектор.
• Уложенные в грунте трубы утепляются и засыпаются землей.

Соединять магистрали следует в соответствии со схемой

Когда теплонасос будет смонтирован и подключен к электросети, систему следует заполнить фреоном. Однако сложно сразу сказать, какое количество хладагента потребуется, так как в схему были установлены дополнительные элементы – испаритель и конденсатор. Решить задачу можно, заправляя контур фреоном по давлению и температуре перегрева вещества.

Когда система будет заполнена, нужно включить циркуляционные насосы на минимальную скорость и запустить компрессор. Температурные показатели рабочих жидкостей контролируются с помощью термометров. Во время прогрева системы трубопроводы с фреоном могут обмерзать, а затем иней исчезнет.

Сделать теплонасос своими руками довольно сложно. Скорее всего, после запуска агрегата потребуется доработать его конструкцию, чтобы устранить мелкие неполадки. Чаще всего проблемы возникают из-за ошибок при сборке. Затратив определенное количество времени, домашний мастер сможет добиться положительного результата.