Занимаясь оснащением дома подачей горячей воды и отоплением, чаще всего человек сталкивается с множеством препятствий. Одно из первых – выбор энергоносителя. В случае, если рядом проложен газопровод, вопрос решается сам собой. Оформляете все необходимые документы на газификацию и обогреваете помещение. А что же делать, если газификации нет, и в ближайшее время не будет?
Несомненно, можно купить газовый баллон или же использовать дрова и уголь, но это не очень эффективно. Также можно воспользоваться к электрообогревом, но полученная в конце месяца сумма в квитанции будет довольно внушительная.
Наиболее правильным решением — использование тепла, добываемого с недр земли, воздуха и воды, получить которые можно с помощью тепловых насосов.
Создать тепловой насос своими руками очень легко. Все, что для этого необходимо — знать его разновидности и конструкционные особенности. Рассмотрим все это более подробно.
Деление насосов на виды осуществляется по средам, из которых добывается тепловая энергия. Существуют следующие разновидности:
Как работает тепловой насос?
Тепловой насос для отопления дома своими руками имеет довольно простой принцип работы. Основные составляющие системы следующие:
- Насос тепловой.
- Заборное устройство.
- Устройство, занимающееся распределением тепла.
Все насосы работают по «цикл Карно», который заключается в следующем: в коллектор податься температуростойкая жидкость, которая не будет замерзать при снижении температурных показателей. Она забирает тепловую энергию и перемещает ее к насосу.
Попадая в испаритель, энергия взаимодействует с хладогеном, в результате чего образуется пар. Давление увеличивается, температурные показатели подымаются. Тепловая энергия передается в помещение, хладаген становится жидким и вновь направляется в коллектор, таким образом, получается замкнутая система.
Как провести расчёт оборудования?
Любой самодельный тепловой насос своими руками требует проведения некоторых расчётов, показатели для которого берутся с учетом теплопотерь рассчитываемого дома. Само собой, перед установкой такого оборудования необходимо утеплить стены, пол, окна и крышу помещения. Показатели тепловой потребности для отдельно взятых зданий следующие:
- для старых хрущовок — 75 Вт/м ».
- для более новых построек – в районе 50 Вт/м » .
- для зданий с использованием последних технологий – 30 Вт/м » .
Важно! Расчет и заказ подобной установки лучше всего проводить еще до строительства здания. Это даст возможность подобрать наиболее подходящую систему отопления.
Большинство пользователей считают, что наиболее подходящей системой является пол с водяным подогревом, расчет мощности которого производится с учетом напольного покрытия. Наиболее подходящий вариант – плитка керамическая.
Создание теплового насоса своими руками
Изготовление теплового насоса своими руками довольно просто, однако потребует наличие хорошего компрессора, купить который можно в любой ремонтной мастерской. Идеальный конденсатор — бак из нержавеющей стали объёмом 100 л. и более. Тепловой насос для отопления дома своими руками имеет следующие этапы изготовления:
Для изготовления теплового насоса Френетта нам понадобится:
- Цилиндр со стали, диаметр которого прямопропорционально зависит от мощности насоса.
- Диски со стали, диаметр которых будет на 5-10 % меньше, нежели d цилиндра.
- Электродвигатель. Желательно покупать привод с удлинённым валом, на который в дальнейшем будут установлены диски.
- Теплообменник.
Выдаваемая на выходе температура будет напрямую зависеть от мощности двигателя. Для подогрева воды до температуры 100 С 0 обороты привода должны находиться в пределах 7,5-8 тысяч в минуту. Место вхождения вала уплотняется, так, как наличие любого люфта быстро износит механизм. Рабочие диски монтируются на вал двигателя, расстояние между которыми регулируется путем установки гаек.
В цилиндре делается два отверстия, к которым будут подведены трубы. После полной сборки цилиндр заполняется маслом, проводится подключение всех патрубков и их герметизация. Если у вас еще остались вопросы по его конструкции, то пропишите в поисковой системе – «тепловой насос своими руками чертеж» и ознакомитесь со всем этим более подробно.
Достоинства тепловых насосов
Преимуществ данного вида насосов довольно много. Основное из них – наличие блока управления, дающего возможность производить контроль всего процесса. Кроме этого, с его помощью можно регулировать степень разогрева, делая его большим или меньшим. Установленные специальные датчики постоянно следят за уровнем температуры, при необходимости подавая соответствующие сигналы. После достижения минимума или максимума, работа насоса прекращается или же наоборот, он запускается.
Важно! Современные насосы имеют большую функциональность. Теперь с их помощью можно не только обогревать дом, но и обеспечивать постоянное присутствие горячей воды в нем.
Кроме этого, отопление с использованием подобного насоса может, как нагревать, так и охлаждать воздух в помещении. Для этого в нем устанавливается реверсный клапан, позволяющий делать как одну, так и другую операции. Таким образом, выполнив установку такой системы у себя в доме, вы можете получить установку, которая будет полезна круглый год.
Да, несомненно, большинство пользователей указывают на его основной недостаток – довольно высокий ценовой диапазон. В этом случае стоит помнить тот факт, что потратившись всего один раз, вы долгие годы не будите ничего докупать и о чем-либо беспокоиться, тоесть далее — только экономия.
Монтажные работы
После изготовления основной части системы необходимо подключить ее к устройству распределения и забору тепла. Первый процесс довольно легок, а вот второй – достаточно трудоемкий. Разумеется, что человек, собравший устройство теплового насоса своими руками, подключит его самостоятельно, без посторонней помощи. Монтажные работы напрямую зависят от типа насоса, так, как каждый из них имеет некие особенности.
Затраты и окупаемость
Само собой, установка данного оборудования подразумевает внушительные затраты, так, как на приобретение ее комплектующих понадобится намного больше денежных средств, нежили на покупку электрического котла подобной мощности. Многих интересует вопрос, а выгодно ли это? Да, выгодно. Так, к примеру, установка в доме площадью 100 м 2 подобного типа системы окупится за полтора-два года, а в дальнейшем будет сплошная экономия. Кроме этого, тепловой насос может быть использован как кондиционер, позволяющий значительно понизить уровень температуры в помещении.
Безопасность и экологичность
Для тех людей, которые заботятся об экологичности и безопасности своего помещения, наиболее подходящий вариант для отопления помещения – тепловой насос. Это обусловлено тем, что он совершенно безвреден и не выбрасывает в атмосферу совершенно никаких вредных веществ. Возможность возгорания и взрыва практически исключены, так, как перегрев входящих в состав системы деталей практически невозможен.
Видео — тепловой насос своими руками
Экология познания. Усадьба: В последние десятилетия у владельцев домов появился довольно большой выбор систем отопления. Уже необязательно подключаться к централизованным сетям и использовать традиционные источники. Можно выбрать оборудование, работающее на альтернативной энергии, но его главный недостаток – дороговизна. Впрочем, если сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника, систему можно существенно удешевить.
Сегодня мало кто сомневается в том, что тепловой насос для отопления дома – самое эффективное средство из всех существующих. Оно же - самое дорогое и сложное в исполнении. По этой причине многие домашние умельцы взялись за самостоятельное решение данной проблемы.
Но ввиду ее высокой сложности достижение положительных результатов дается весьма непросто, нужно иметь энтузиазм, терпение и вдобавок хорошо изучить теорию. Наша статья для тех, кто делает первый шаг на пути внедрения у себя дома такого альтернативного источника энергии, как тепловой насос, сделанный своими руками.
Устройство и принцип работы теплового насоса
Для сборки действующей модели теплового насоса не обойтись без знания теории, а точнее, принципа действия этого устройства. Хотелось бы изначально отметить, что утверждения о КПД в 300, 500 и 1000% - это миф или просто маркетинговый ход, рассчитанный на незнание рядовым пользователем законов физики. Так вот, тепловой насос – это устройство, берущее тепловую энергию в одном месте и перемещающее ее в другое с определенным КПД, не превышающим 100%. В отличие от котельных установок, он самостоятельно тепло не производит.
Примером могут служить домашние холодильники и кондиционеры, чья конструкция основана на так называемом цикле Карно, его же использует принцип работы теплового насоса для отопления или ГВС. Суть этого цикла заключается в движении вещества (рабочего тела) по замкнутой системе и меняющего свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и наоборот. В момент перехода выделяется или поглощается огромное количество энергии.
Чтобы пояснить на более доступном языке, перечислим основные элементы, которые включает в себя устройство теплового насоса:
- компрессор;
- теплообменник, где рабочее тело переходит в газообразное состояние (испаритель);
- теплообменник, в котором рабочее тело конденсируется (конденсатор);
- расширительный (редукционный) клапан;
- средства управления и автоматики;
- магистрали из медных трубок.
В качестве рабочего тела выступает вещество, закипающее при низких температурах – фреон. Циркулируя по трубке в виде жидкости, первым делом он попадает в испаритель. После взаимодействия с теплоносителем от внешнего источника (воздух, вода, грунт) рабочее тело испаряется и продолжает свое движение в виде газа. На этом участке давление в системе - низкое. Всю цепочку цикла отражает принципиальная схема теплового насоса:
Пройдя компрессор, фреон под давлением движется ко второму теплообменнику, где ему предстоит сконденсироваться и передать полученное тепло воде, снова приняв жидкое состояние. Далее, рабочее тело попадает в расширительный клапан, давление снова падает и оно продолжает свой путь к испарению. Цикл завершен.
Заводские теплонасосы для жилого дома способны выдавать теплоноситель с температурой 55-60 ºС, этого достаточно для обогрева помещений радиаторами либо теплыми полами. При этом вся система отопления затрачивает электроэнергию на такие цели:
- питание компрессора;
- вращение роторов циркуляционных насосов наружного и внутреннего контура;
- питание средств автоматики и контроля.
Получается, что при потреблении 1 кВт электричества действие теплового насоса может переместить в дом до 5 кВт тепловой энергии извне, отсюда и небылицы о КПД 500%.
Тепловой насос воздух-воздух
Теоретически любая среда, имеющая температуру выше абсолютного нуля (минус 273 ºС), обладает запасом тепловой энергии. А значит, ее можно извлечь, уж тем более это нетрудно сделать при температуре окружающего воздуха минус 10-30 ºС.
Для этой цели служит тепловой насос воздух-воздух, отнимающий тепло у наружной окружающей среды и перемещающий его внутрь частного дома. Это самый доступный способ по цене оборудования и стоимости монтажа, он же – наименее эффективный. Чем крепче мороз на улице, тем меньше тепла удается получить. Принцип действия системы показан на рисунке:
Наружный блок воздушного теплового насоса внешне похож на такой же агрегат сплит-системы, только внутри у него нет компрессора. Остается лишь пластинчатый теплообменник и вентилятор, чьей задачей является повысить интенсивность процесса путем нагнетания через пластины большого количества воздуха.
Тепловой насос вода-вода
Более эффективным вариантом считается тепловой насос вода-вода. Он извлекает тепловую энергию из ближайшего водоема, если таковой есть на расстоянии до 100 м от дома. Другой, более распространенный способ – отбор тепла у грунтовых вод через скважину. По сути, скважин нужно 2: одна для выкачивания воды, другая – для ее сброса. Ниже представлены схемы тепловых насосов, действующих по такому принципу:
Здесь есть свои нюансы. Вода из скважины должна проходить очистку перед попаданием теплообменник, а трубы надо прокладывать ниже глубины промерзания грунта. Другое дело – контур на дне водоема, он заполняется незамерзающей жидкостью (пропиленгликолем), что служит посредником между водой и хладагентом.
Способность обеспечить частный дом тепловой энергией в этом случае зависит от производительности скважины и объема воды в пруде. Также существуют варианты погружения внешнего контура в проточную воду реки или канализационный септик.
Также существуют геотермальные тепловые насосы, чей принцип работы не отличается от предыдущих типов аппаратов, только тепло извлекается из грунта на глубине, где температура всегда одинакова – плюс 7 ºС. Для этого в землю закапывается горизонтальный контур из труб, занимающий большую площадь, либо в скважины глубиной 25 м опускаются геотермальные зонды. В обоих случаях в качестве теплоносителя используется антифриз.
Считается, что работа теплового насоса, добывающего тепло из грунта, - самая стабильная и эффективная. Но покупка и монтаж подобного оборудования очень дороги, а домашние мастера-умельцы редко прибегают к реализации этого варианта.
Как собрать тепловой насос в домашних условиях?
Поскольку термодинамический расчет теплового насоса представляет для большинства домашних мастеров - самодельщиков немалую сложность, приводить его здесь мы не будем. Наша задача – представить несколько действующих моделей, чтобы любой энтузиаст мог взять какую-нибудь из них за основу для создания собственного детища.
Необходимо отметить, что тепловой насос, придуманный и собранный своими руками, для подавляющего большинства рядовых пользователей останется недостижимой мечтой, если не приложить к его изготовлению массу усилий и времени.
Простейший тепловой насос из старого холодильника был описан в статье журнала «Инженер» за 2006 г. Он позиционируется, как нагреватель воздух – воздух для небольшого помещения или теплицы. Кстати, какой бы ни был мощный бытовой холодильник, на обогрев даже небольшого дома его не хватит, а вот на 1 комнатку – вполне. Решение реализуется 2 способами, причем внутренняя автоматика отключения демонтируется и все агрегаты соединяются напрямую для непрерывной работы. В первом случае старый холодильник находится в помещении, конструкция насоса показана на схеме:
Снаружи к нему прокладывается 2 воздуховода и врезается в переднюю дверку. Воздух по верхнему каналу попадает в морозилку, охлаждается и опускается к нижнему воздуховоду из-за увеличения плотности. Затем он покидает корпус холодильника, вытесняемый верхним потоком. Помещение прогревается от теплообменника, расположенного на задней стенке агрегата. По второму способу сделать своими руками тепловой насос так же просто, надо лишь встроить холодильник в наружную стену, как изображено на схеме:
Самодельный обогреватель из холодильника может функционировать до наружной температуры минус 5 ºС, не ниже.
Тепловой насос из кондиционера
Современные сплит-системы, особенно инверторного типа, успешно выполняют функции того же теплового насоса воздух – воздух. Их проблема в том, что эффективность работы падает вместе с наружной температурой, не спасает даже так называемый зимний комплект.
Домашние умельцы подошли к вопросу иначе: собрали самодельный тепловой насос из кондиционера, отбирающий теплоту проточной воды из скважины. По сути, от кондиционера тут используется только компрессор, иногда – внутренний блок, играющий роль фанкойла.
По большому счету, компрессор можно приобрести отдельно. К нему потребуется сделать теплообменник для нагрева воды (конденсатор). Медная трубка с толщиной стенки 1-1.2 мм длиной 35 м наматывается для придания формы змеевика на трубу диаметром 350-400 мм или баллон. После чего витки фиксируются перфорированным уголком, а затем вся конструкция помещается в стальную емкость с патрубками для воды.
Компрессор из сплит-системы присоединяется к нижнему вводу в конденсатор, а к верхнему подключается регулирующий клапан. Таким же образом изготавливается испаритель, для него сгодится обычная пластиковая бочка. Кстати, вместо самодельных емкостных теплообменников можно использовать заводские пластинчатые, но это обойдется недешево.
Сама по себе сборка насоса не слишком сложна, но здесь важно уметь правильно и качественно пропаивать соединения медных трубок. Также для заправки системы фреоном потребуются услуги мастера, не станете же вы специально покупать дополнительное оборудование. Дальше – этап наладки и пуска теплового насоса, который далеко не всегда проходит удачно. Возможно, придется немало повозиться, чтобы добиться результата.
Заключение
Конечно, отопление дома тепловым насосом – мечта многих домовладельцев. К сожалению, стоимость установок слишком высокая, а справиться с собственноручным изготовлением могут единицы. И то зачастую мощности хватает лишь на ГВС, об отоплении речь не идет. Если бы все было так просто, то у нас в каждом доме стоял самодельный тепловой насос, а пока что он остается недоступным широкому кругу пользователей.
Тепловой насос – инновационное устройство, относящееся к альтернативным источникам энергии. Извлекая тепло из природных ресурсов вокруг, прибор является экономичным устройством с большой степенью автономности.
Характеристики
На отоплении и водоснабжении частного дома хочется сэкономить большинству рачительных хозяев. Для таких целей подходит тепловой насос.
Его вполне возможно соорудить своими руками, хорошо при этом сэкономив − заводской прибор стоит очень недешево.
Свойства и устройство
Прибор имеет внешний и внутренний контур, по которым движется теплоноситель. Составляющие стандартного прибора: тепловой насос, устройство для забора и устройство для распределения тепла. Контур изнутри состоит из компрессора с питанием от сети, испарителя, дроссельного клапана, конденсатора. Используют также в приборе вентиляторы, систему труб, геотермальные зонды.
Преимущества теплонасоса:
- не выделяет никаких вредных веществ, абсолютно экологичный;
- нет затрат на покупку и доставку топлива (электроэнергия затрачивается только на перемещение фреона);
- нет необходимости дополнительных коммуникаций;
- абсолютно пожаро - и взрывобезопасный;
- полноценное отопление зимой и кондиционер летом;
- сооруженный тепловой насос своими руками – это автономная конструкция, требующая минимум усилий по управлению.
Применение
Теплонасос, собранный своими руками, подойдет для таких случаев:
- если есть желание сэкономить на топливе для обогрева дома;
- если к дому невозможно подвести газ или сделать это слишком хлопотно, когда покупать баллонный газ – не выход из ситуации;
- нет желания и возможностей топить углем, дровами, электричеством, иным топливом;
- если хозяин дома является приверженцем использования экологически чистой альтернативной энергии. Устройство достаточно практичное даже наряду с наличием возможностей применять другие источники энергии.
Тепловой насос своими руками изготовляется для дома, основываясь на технологиях забора тепла из земли, воды, воздуха. Он используется для отопления, нагрева воды и даже кондиционирования внутри помещения.
Принцип работы
Все окружающее нас пространство есть энергия - нужно только уметь ее использовать. Для теплового насоса нужно, чтобы температура окружающей среды была больше 1С°. Тут следует сказать, что даже земля зимой под снегом или на некоторой глубине сохраняет тепло. Работа геотермального или любого другого теплонасоса основывается на транспортировке тепла от его источника с помощью теплоносителя к контуру отопления дома.
Схема работы прибора по пунктам:
- носитель тепла (вода, грунт, воздух) наполняет находящийся под грунтом трубопровод и нагревает его;
- затем теплоноситель транспортируется в теплообменник (испаритель) с последующей передачей тепла на внутренний контур;
- во внешнем контуре находится хладагент – жидкость с низкой точкой кипения под низким давлением. Например, фреон, вода со спиртом, гликолевая смесь. Внутри испарителя это вещество нагревается и становится газом;
- газообразный хладагент направляется в компрессор, сжимается под высоким давлением и нагревается;
- горячий газ попадает в конденсатор и там его тепловая энергия переходит к теплоносителю системы отопления дома;
- завершается цикл превращением хладагента в жидкость, и она, вследствие потери тепла, возвращается назад в систему.
Тот же принцип используется для холодильников, поэтому тепловые насосы для дома можно применять как кондиционеры для охлаждения помещения. Проще говоря, тепловой насос – это такой холодильник с обратным действием: вместо холода вырабатывается тепло.
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.
Вертикальный коллектор энергии требует несколько скважин на 50–150 м. Такое устройство более эффективное, тепло передают специальные глубинные зонды.
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.
Этапы монтажа
Тепловой насос своими руками можно сделать полностью из старых запчастей, взятых, например, из нерабочего кондиционера.
Расходы, окупаемость, мощность
Заводской прибор стоит около 4000 евро и выше. Самодельный насос для отопления 100 м² площади окупится приблизительно по прошествии 2-х лет. Для домов с не очень хорошей теплоизоляцией мощность должна быть 75 Вт/м²., с хорошей теплоизоляцией достаточно - 50 Вт/м², а при использовании современных теплоизоляционных материалов - хватит и 30 Вт/м².
Идеальным вариантом будет, когда насос включается в проект для отопления дома с наличием теплого пола и плиточного покрытия.
Процесс создания
Сначала нужно достать компрессор от нерабочего кондиционера, необязательно нового. Дешевле будет приобрести его в мастерских по ремонту холодильников. Компрессор крепится к стене кронштейнами (подойдет L-300).
Для изготовления конденсатора подойдет бак из нержавейки на 100–120 л. Он разрезается пополам, внутри устанавливается змеевик. Змеевик можно изготовить самому из сантехнической медной трубки или от холодильника. Тут нужны толстые стенки – от 1 мм и больше. Трубка наматывается на обычный баллон (газовый, кислородный) с равномерным расстоянием между витками и фиксируется в таком положении перфорированным алюминиевым уголком (им оформляются углы под шпаклевкой). Он приматывается к змеевику, чтобы каждый виток располагался против дырки в уголке.
В результате будет ровный шаг витков и прочность конструкции. После создания змеевика половинки емкости свариваются. Резьбовые соединения также ввариваются. Затем создается испаритель. Для него может подойти обычная пластиковая емкость на 60–80 л. с вмонтированным внутри змеевиком из трубы диаметром ¾ дюйма. Простые трубы для водопровода используют для транспортировки воды.
Испаритель крепится на стене L-кронштейном. А вот закачку фреона должен сделать специалист по холодильному оборудованию: он сварит трубки и закачает в них фреон. После чего конструкцию подключают к системе отопления внутри дома, а затем – к наружному контуру.
Особенности для каждого вида
Вертикальный насос для отопления «грунт-вода» требует создания скважины на 50–150 м. В нее помещаются геотермальные зонды и подключаются к насосу. Зонды берут тепло из грунта, которое переносится с незамерзающей водой к насосу, а оттуда уже в систему отопления. Для маленьких участков подходят зонды, для больших – горизонтальный коллектор.
Для горизонтального аппарата типа «грунт-вода» нужно создать коллектор из системы труб. Его располагают ниже уровня промерзания (1–1,5 м) и выглядит он как своеобразный змеевик под землей. Снимается слой почвы, укладываются трубы и грунт засыпается обратно. Можно уложить трубы в отдельных траншеях.
Для агрегата по типу «вода-вода» собирается из ПНД-труб, которые заполняются носителем тепла и после этого переносятся к водоему. Трубы имеют вид большого змеевика на дне водоема. Желательно разместить их в его центре.
Аппарат типа «воздух-вода» не требует трудоемких земляных работ. Выбирается место около дома или на его крыше, где самодельный тепловой насос соединяется с внутридомовым отоплением. Тепло извлекается вентиляторами и испарителем.
Отопление тепловым насосом - это не только выгодно, но и практично. В условиях постоянного роста цен на энергоносители, автономные источники позволяют обеспечить дом теплом и существенно сократить затраты на электроэнергию. Кроме того, устройство без труда подключается по принципу двухконтурного котла к системе водоснабжения и обеспечивает горячей водой.
Теоретические основы
Принцип теплового насоса состоит в том, что устройство производит выкачку тепла из одного места и передачу его в другое, т.е. использует геотермальные физические законы. Если рассматривать принцип работы теплового насоса максимально просто, то он представляет собой систему труб, в которых течет незамерзающая жидкость. Она нагревается за счет внешних источников тепла, далее движется к насосу, отдает тепло системе отопления и возвращается обратно к термальному источнику.
Существуют две большие группы такого оборудования:
- промышленные тепловые насосы;
- бытовые тепловые насосы.
Работа теплового насоса промышленного типа основана на заборе тепла из земли. Для этого бурятся скважины глубиной до нескольких километров, в которые устанавливаются металлические спирали. По ним тепло передается на термальный контур, к которому подключен тепловой насос. Данный способ является наиболее эффективным, поскольку имеет высочайший уровень КПД. Тем не менее, стоимость установки оборудования достигает 10-15 тысяч долларов США. Это обстоятельство способствовало появлению бытовых насосов, менее эффективных, но и более дешевых.
Устройство бытового теплового насоса
Насос теплового действия состоит из трех основных частей:
- грунтового контура;
- контура фреона;
- отопительного контура.
Грунтовый контур - наиболее простая часть конструкции. Он представляет собой систему труб, установленных в земле или водоеме, в которых циркулирует незамерзающий рассол. Его температура составляет от -3 до -5 градусов Цельсия. Принципиальной разницы в температурном режиме нет, поскольку рассол может прогреться за счет внешних источников тепла только до нуля.
Этой температуры достаточно, чтобы закипятить фреон, который переходит в газообразное состоянии уже при температуре -2. Далее пар фреона передается в компрессор, который нагнетает давление и сжижает хладогент. В таком состоянии температура фреона возрастает до +100 градусов.
Далее кипяток передается в систему отопления, нагревает воду в радиаторах, остывает и возвращается обратно во фреоновый контур. Таким образом, расход электроэнергии происходит только на работу компрессора. Учитывая, что его мощность редко превышает 1 кВт, следует говорить о том, что тепловой насос по потреблению электричества схож с бойлером, но в отличии от него, способен не только нагреть воду, но и отопить весь дом.
Виды бытовых тепловых насосов
Принято различать три вида термального оборудования:
- с открытым циклом;
- с закрытым циклом и гидрообменником;
- с закрытым циклом и горизонтальным обменником.
Открытый цикл предполагает, что теплообменник связан с источником подземных вод. При использовании насоса, этот способ позволяет обеспечить дом не только водой, но и теплом.
В закрытом цикле с гидрообменником теплоноситель устанавливается в закрытом водоеме. Трубы с рассолом не имеют прямого контакта с водой, тепло передается через корпус. Актуален для домов с прудами или вблизи рек.
Горизонтальный теплообменник - это упрощенная версия промышленного теплового насоса. Трубы устанавливаются на глубине всего нескольких метров, но этого достаточно для качественного отопления 80-100 кв. м. Если в системе установлен циркуляционный насос, то глубину увеличивают до 250-300 м. Учитывая, что внизу температура будет около 15-18 градусов, КПД теплового насоса значительно возрастет. Но следует учитывать, что и затраты на электроэнергию также будут выше, поскольку циркуляционный насос работает исключительно от сети.
Схема теплового насоса
На сегодняшний день существует две наиболее распространенные конструкции:
- конденсаторная;
- на пластинах Пельтье.
Для начала рассмотрим принцип работы теплового насоса на основе электродинамики. Он состоит из:
- пластин с покрытиями, отличающимися разным уровнем энергии электронов;
- проводов электропитания;
- конденсатора тепла;
- источника питания переменного тока от 12 В.
Система теплового насоса работает крайне просто. Под воздействием тока одна из пластин нагревается, вторая охлаждается, когда полярность меняется, холодная и горячая сторона меняются. По обеим сторонам от пластин расположены конденсаторы, которые накапливают тепло и передают его в систему отопления.
При явных плюсах, таких как:
- бесшумность;
- простота монтажа;
- небольшие габариты.
Есть один весомый недостаток - очень маленькое КПД. Для борьбы с этой проблемой нужно увеличивать площадь пластин, а это, в свою очередь, приведет к более высоким затратам электроэнергии. Учитывая тот факт, что в нашей стране это не дешевое удовольствие, эффективнее использовать стандартный конденсаторный тепловой насос.
Тепловой насос под ключ своими руками
Для сборки теплового насоса понадобится:
- водопроводные трубы;
- металлопластиковы трубы для отопления;
- компрессор;
- емкость под расширительный бак;
- емкость под конденсатор;
- рассол;
- фреон;
- источник питания;
- бак для фреона.
На первом этапе понадобится собрать теплообменный контур:
1. Определяем термальный источник: земля или водоем.
2. Подводим трубы к термальному источнику.
3. Подключаем теплопровод к расширительному баку с фреоном.
На втором этапе собираем циркуляционную систему:
1. Подключаем бак с фреоном к компрессору, для этого газоотвод должен быть расположен в самой верхней части расширительного бака.
2. К компрессору подключаем трубу высокого давления.
3. Соединяем трубой компрессор и конденсатор, который должен быть разделен дросселем.
4. От конденсатора делаем обратный отвод к компрессору и расширительному баку.
Финальная стадия - подключение отопления:
1. К конденсатору необходимо подключить теплоноситель, как правило, это вода.
2. От бака с теплоносителем сделать разводку труб для отопления.
3. Подключить радиаторы.
Важно: рассмотрена простейшая система создания теплового насоса. Для ее нормальной работы понадобится дополнительная установка циркуляционного насоса, который обеспечит движение воды в системе.
Тепловой насос, установка которого описана выше, может быть дополнительно модернизирован насосом подкачки воды. Это актуально в том случае, если в регионе много подпочвенных вод. В таком случае, систему нужно будет переработать:
1. Закачивающая труба должна быть свернута в кольцо под баком с фреоном.
2. Во время работы насоса, по этой трубе будет подниматься вода, которая должна поступать в распределительный бак.
3. От бака имеет смысл установить тройник, отдельно на отопление, отдельно на водоснабжение дома.
Важно: подразумевается, что бак будет служить емкостью для теплоносителя, поэтому его размер должен быть пропорционален мощности насоса.
Тепловой насос: расчет эффективности
По мнению многих экспертов, эффективность тепловых насосов в 2-3 раза выше, чем у газовых котлов. Если брать стоимость энергоресурсов, то возражений никаких нет. Но проверить реальные возможности этого изобретения все же стоит.
Для расчета тепловой энергии, которая необходима на нагрев 1 куб. м воды воспользуемся стандартной формулой по физике:
- c - это удельная теплоемкость вещества;
- m - масса; рассчитывается по формуле - m=p*V, где p - плотность вещества, V - объем;
- t2 - желаемая температура;
- t1 - температура теплоносителя.
Подставим под формулу конкретные значения:
- Q=4183*1000 (1 куб. м)*(60-10);
- Q=209.15 мДж, что приблизительно равняется 58,6 кВт/ч.
Как видно из расчета, мощность теплового насоса для эффективного обогрева помещения должна быть около 60 кВт/ч, при условии, что в системе циркулирует 1 куб. м. воды.
Теперь рассчитаем реальные показатели мощности для фреона. Для того, чтобы не слишком углубляться в математику, составим простое, но наглядное уровнение:
- 209150000=2010*х*100;
- х=209150000/2010/100;
- х=1040,55.
В данном расчете х - это масса. Необходимо узнать объем:
- V=m/p;
- V=1040,55/196,2;
- V=5,3 куб. м. газа или 1,2 куб. м. жидкости.
Как видно из расчетов, для нормального обогрева помещения понадобится 5,3 куб. м. пара фреона. Величина достаточно условна, поскольку зависит от температуры, давления в системе, качества фреона и многих других показателей. Тем не менее, при данном расчете исходим из эталонных величин, без учета факторов окружающей среды. Точный показатель считается по уравнению Клапейрона-Менделеева.
Не смотря на условность расчетов, видно, что для обеспечения температуры теплоносителя в стандартные 60 градусов, понадобится фреона больше, чем воды в системе. Из этого прямо следует, что действительно эффективный тепловой насос должен иметь достаточно большие габариты, иначе будет наблюдаться нехватка тепла.
Определенным решением станет использование других хладогентов, например, на амиачной основе или их аналогов, где температура пара может быть значительно выше 100 градусов по Цельсию. Допустим, если разогреть пар до 200 градусов, соотношение изменится примерно на ¾, в пользу хладогента.
Конкретная система теплового насоса зависит от многих факторов и требует серьезных математически изысканий, так как без этого, отопление будет не эффективным. За расчетами лучше обратиться к экспертам, либо проконсультироваться со школьным учителем физики, так как большинство формул приходятся на программу 8-9 классов. Приводить в статье конкретные примеры нецелесообразно, поскольку невозможно обобщить формулы для каждого отдельно взятого случая.
Отопление дома тепловым насосом: цена
Перед тем, как приступать к поискам экспертов в области термодинамики, необходимо самостоятельно выполнить несложную процедуру - рассчитать потребляемую электроэнергию и затраты на изготовление насоса.
Учитывая рыночную стоимость строительных материалов, понадобится вложить около 600-800 долларов США. Кроме того, нужно приобрести качественный компрессор. Замена отопления в счет не берется, так как зависит от конкретных пожеланий. К примеру, один алюминиевый радиатор на 10 секций обойдется в 80-150$.
Но это единоразовые вложения. Затраты на электроэнергию высчитываются в зависимости от мощности компрессора:
- номинальную мощность умножить на время работы;
- номинальная мощность - мощность компрессора;
- время работы - период, который устройство потребляет электроэнергию.
Таким образом, компрессор с мощностью 1 кВт за 12 часов непрерывной работы накрутит 12 кВт электроэнергии.
Ели предположить, что компрессор работает практически постоянно, суточный расход будет порядка 20 кВт. За месяц получится расход в 600 кВт. Если считать по самому высокому тарифу для Москвы, получается 600*4,68=2748 руб. Для сравнения 1 куб. м газа стоит 3,87 руб. При качественно газовом отоплении 600 куб. м. хватит на 2-3 месяца.
Учитывая, что большинство компрессоров имеет мощность более 2 кВт, экономичность отопления ставится под сомнение. Решение проблемы - независимые источники электроэнергии.
Исходя из всего вышесказанного, монтаж теплового насоса остается спорным вопросом. При соблюдении определенных условий, он безусловно окупается, причем достаточно быстро. С другой стороны, качественное исполнение потребует больших финансовых затрат и установки дополнительного оборудования.
Для хозяев частных домой всегда остро стоит вопрос обогрева дома. Можно использовать центральное газовое или водное отопление, но можно изучить и другие варианты. Такой альтернативой является тепловой насос. Сэкономить можно с помощью самостоятельного сооружения, используя старую технику.
Теплонасосы способны работают от натуральных источников энергии. Прибор выделяет тепло без дизельного или твердого топлива.
При обустройстве отопительной системы главную роль занимает теплонасос. Его постройка требует особого внимания.
Сам насос не может выделить тепло, он просто переносит его в дом. На это требуется небольшое количество электричества. Достаточно иметь тепловой насос и внешний источник энергии для обогрева здания. Работает насос противоположно холодильнику. Тепло забирается снаружи и направляется в помещение.
Схема теплового насоса:
- Компрессор – промежуточный элемент системы;
- Испаритель – элемент передачи низкопотенциальной энергии;
- Дроссельный клапан – по нему перемещается фреон в испаритель;
- Конденсатор – в нем хладагент охлаждается и отдает свое тепло.
Сначала энергия выделяется из природных источников и попадает в испаритель. Дальше тепло передается фреону. В компрессоре хладагент поддается высокому давлению и его температура повышается. Дальше фреон направляется в конденсатор, где и происходит его отдача отопительной системе. Хладагент возвращается в испаритель, где процесс повторяется.
Самодельный тепловой насос из холодильника: этапы создания
Тепловой насос – достаточно дорогой прибор. Но при желании можно своими руками соорудить устройство из старого холодильника или кондиционера. Холодильное устройство имеет в своей системе две необходимые для насоса детали – конденсатор и компрессор.
Этапы сборки теплового насоса из холодильника:
- Сначала собирается конденсатор. На вид это волнистый элемент. В холодильнике он размещен сзади.
- Конденсатор необходимо уложить в прочный каркас, который хорошо удерживает тепло и переносит действие высоких температур. В определенных случаях приходится разрезать тару, чтобы беспроблемно установить конденсатор. По окончанию монтажа емкость сваривается.
- Дальше идет установка компрессора. Необходимо, чтобы агрегат был в хорошем состоянии.
- Функцию испарителя выполняет обыкновенная пластиковая бочка.
- Когда все будет подготовлены, следует скрепить элементы между собой. К отопительной системе теплообменник крепится трубами из ПВХ.
Так получается самодельный тепловой насос. Закачку фреона должен проводит профессионал, так как жидкость непроста в работе. К тому же для ее закачки необходимо иметь специальное оборудование.
Тепловые насосы из старой бытовой техники отлично подходят для обогрева небольших помещений хозяйственного назначения.
Холодильник может выполнить роль радиатора. Потребуется сделать два воздухоотвода, которые обеспечат его циркуляцию. Один отвод принимает холодный воздух, второй – выпускает горячий.
Виды теплонасосов: нюансы работы теплообменника фреон-вода
Контроллер для теплового насоса и другие элементы системы вода-вода
Трубы помещаются в ближайший водой в достаточно глубиной. Важно, чтобы вода полностью не промерзала. Конденсатор подключается к отопительной системе дома. Сама работа имеет 4 этапа.
Этапы работы насоса вода-вода:
- Хладагент принимает тепло от внешнего источника, нагревается и закипает;
- Фреон в виде газа поступает в компрессор, там он сжимается под давлением;
- Теплоотдача отопительной системе, хладагент снова принимает жидкое состояние;
- Фреон возвращается на изначальные позиции и готов к принятию тепла.
Главное в данной системе – компрессор. Фреон не сможет самостоятельно сконденсироваться, если в доме высокая температура. Для этого потребуется повышенное давление, что и выполняет данный элемент.
Так теплонасос берет наружное тепло, добавляет собственное, а также нагревается в компрессоре. Водный источник охлаждается, а дом обогревается. Автоматику работы гарантирует контроллер. Все данные отмечены на датчиках давления и температуры.
Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника (видео)
Тепловой насос имеет простой принцип работы. Переделка существующей сплит-системы требует особых знаний, но можно черпать энергию из натуральных источников. Ими может послужить колодец, грунт, водоем, воздух.