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. Согласны?
Впрочем, если соорудить тепловой насос своими руками из старого холодильника, систему можно существенно удешевить. А мы расскажем вам как это сделать.
В статье мы подобрали самые простые решения и снабдили их подробными чертежами и схемами. Поэтому для домашнего умельца разобраться в них не составит труда. Кроме того, здесь вы найдете пошаговую инструкцию по изготовлению отопительного оборудования. А размещенные видеоролики расскажут о конструктивных особенностях теплового насоса и особенностях его подключения.
Теоретически у любого человека есть большой выбор источников энергии. Помимо природного газа, электричества, угля, это еще и ветер, солнце, разница температур земли и воздуха, земли и воды.
На практике выбор ограничен, т.к. все упирается в стоимость оборудования и его обслуживания, а также стабильность работы и сроки окупаемости установок.
Каждый из источников энергии имеет как достоинства, так и серьезные недостатки, ограничивающие его использование.
Галерея изображений
Установка отопительной системы с теплонасосом – это выгодно с точки зрения удобства эксплуатации. Во время работы оборудования нет шума, посторонних запахов, не требуется установка дымоходов или других вспомогательных конструкций.
Система энергозависима, но для работы теплового насоса нужно минимальное количество электричества.
Теплонасос – хорошая альтернатива привычным отопительным системам. Чтобы сократить начальные расходы на оборудование, можно его собрать своими руками
Сами тепловые установки чрезвычайно экономичны и не требуют особых затрат на обслуживание, но их первоначальная стоимость очень высока.
Далеко не каждый владелец дома или дачи может позволить себе покупку такого дорогого оборудования. Если собрать его самостоятельно и использовать детали от старого холодильника, можно существенно сэкономить.
Тепловые насосы промышленного производства дороги. Считается, что их установка окупается в среднем за 5-7 лет работы, однако этот срок зависит от начальной цены конструкции и может быть гораздо большим
Самодельные установки обходятся буквально в копейки, а их использование позволяет заметно экономить.
Единственный нюанс: производительность самоделок невысока, и они не могут быть полноценной заменой традиционным системам отопления. Поэтому их часто используют как дополнительные или альтернативные варианты отопления.
5 основных выгод для владельцев установок
К преимуществам систем обогрева с тепловыми насосами относят такие:
- Экономическая эффективность . При затратах 1 кВт электрической энергии можно получить 3-4 кВт тепловой. Это усредненные показатели, т.к. коэффициент преобразования тепла зависит от типа оборудования и особенностей конструкции.
- Экологическая безопасность . При работе тепловой установки в окружающую среду не попадают продукты сгорания или другие потенциально опасные вещества. Оборудование озонобезопасно. Его применение позволяет получить тепло без малейшего вреда для экологии.
- Универсальность применения . При установке систем отопления, работающих от традиционных источников энергии, владелец дома попадает в зависимость от монополистов. Солнечные батареи и не всегда рентабельны. Зато тепловые насосы можно устанавливать где угодно. Главное – правильно выбрать тип системы.
- Многофункциональность . В холодное время года установки отапливают дом, а в летнюю жару способны работать в режиме кондиционеров. Оборудование применяют в системах ГВС, подключают к контурам теплых полов.
- Безопасность эксплуатации . Теплонасосам не требуется топливо, при их работе не выделяются токсичные вещества, а предельная температура узлов оборудования не превышает 90 градусов. Эти отопительные системы не опаснее холодильников.
Идеальных приборов не существует. Тепловые насосы надежны, долговечны и безопасны, но их стоимость напрямую зависит от мощности.
Качественное оборудование для полноценного обогрева и горячего водоснабжения дома 80 м.кв. обойдется примерно в 8000-10000 евро. Самоделки маломощны, их можно использовать для отопления отдельных комнат или подсобных помещений.
Эффективность установки зависит от теплопотерь дома. Оборудование имеет смысл устанавливать только в тех зданиях, где обеспечен высокий уровень изоляции, а показатели теплопотерь не выше 100 Вт/м.кв.
Теплонасосы способны прослужить 30 лет и более. Особенно рентабельно их применение для ГВС, а также в комбинированных отопительных системах, включающих теплые полы.
Оборудование надежно и редко ломается. Если оно самодельное, то важно подобрать качественный компрессор, лучше всего – от холодильника или кондиционера проверенной марки.
Типы теплонасосов для отопления дома
Различают компрессионные и абсорбционные теплонасосы. Установки первого типа наиболее распространены, и именно такой тепловой насос можно собрать из холодильника или старого кондиционера, использовав готовый компрессор.
Также потребуются расширитель, испаритель, конденсатор. Для работы абсорбционных установок необходим абсорбент-хладон.
Теплонасосы чаще всего собирают из узлов кондиционеров и холодильников. Такие конструкции кустарного производства просты, эффективны, а при наличии у мастера навыков подобной работы их можно сделать буквально за несколько дней
По виду источника тепла установки бывают воздушными, а также использующими вторичное тепло (например, сточных вод и т.п.).
Во входном и выходном контурах используют один или два разных теплоносителя, и в зависимости от этого выделяют такие типы оборудования:
- вода-воздух;
- грунт-вода;
- лед-вода.
Система может быть эффективной только в том случае, если потребляет меньше энергии, чем отдает. Эту разницу называют коэффициентом преобразования. Он зависит от многих факторов, но наиболее значимый – температура теплоносителя входного и выходного контуров. Чем больше разница, тем лучше работает система.
Галерея изображений
Тепловой насос "воздух-вода"
Тепловой насос "лед-вода"
Надежных формул расчета производительности теплонасосов нет, т.к. их работа зависит от многих факторов.
При самостоятельной сборке тепловой установки нельзя ожидать, что она будет настолько же эффективной, как оборудование промышленного производства, но ее вполне хватит для создания экономичной дополнительной системы отопления.
Пошаговая инструкция по изготовлению оборудования
Прежде чем разобраться со способами, как можно сделать тепловой насос из холодильника, следует определиться с источником тепла и схемой работы прибора. Помимо компрессора холодильника потребуются другие узлы. Также придется докупать или арендовать некоторые инструменты.
Такую самоделку можно подключить к теплому полу, системе ГВС или к водяному отоплению, если используются низкотемпературные радиаторы
Даже если придется покупать компрессор и другие узлы, самодельная установка обойдется гораздо дешевле, чем готовое оборудование промышленного изготовления.
Этап #1. Подготовка схемы и чертежа
Источник энергии должен быть расположен под землей. Для установки теплонасоса придется пробурить скважину или хотя бы вырыть траншею на глубину, где температура грунта не бывает ниже 5 градусов. Также можно использовать водоемы естественного или искусственного происхождения.
Предложенная схема подходит для любого источника тепла. Чтобы собрать самоделку, следует адаптировать саму схему к условиям эксплуатации будущего оборудования и разработать чертеж
Независимо от источника тепла конструкции теплонасосов схожи, поэтому подойдет почти любая схема, которую можно найти в сети.
После ее выбора следует подготовить подробные чертежи, где будут указаны точные размеры, расстояния и точки подключения узлов установки.
Чтобы сделать теплонасос, придется разобрать холодильник и извлечь компрессор. Это главный элемент конструкции. Он будет прокачивать воду и фреон по проложенному трубопроводу, обеспечивая работу отопления
Хотя расчеты мощности установки затруднены, можно ориентироваться на средние показатели. Так, для дома с повышенными показателями теплоэффективности нужна система отопления мощностью 25 Вт/м.кв. Это идеальный вариант, если теплопотери минимальны.
Для хорошо утепленного дома этот показатель составляет 45 Вт/м.кв., а для здания с относительно большими теплопотерями – 70 Вт/м.кв.
Этап #2. Подбор необходимых деталей
Компрессор можно снять со старого холодильника. Если он неисправен, лучше купить новый. Не стоит ремонтировать: это нерентабельно, а работоспособность самоделки будет под вопросом.
Для сборки конструкции также потребуется терморегулирующий клапан. Желательно, чтобы все комплектующие были от одной системы и легко совмещались.
Для монтажа теплонасоса понадобятся 30-сантиметровые L-образные кронштейны.
Также придется докупить некоторые детали:
- качественную герметичную емкость из нержавеющей стали объемом 120 л;
- большой пластиковый бак объемом 90 л;
- 3 медные трубы различных диаметров;
- полимерные (лучше всего металлопластиковые) трубы.
Для сборки системы потребуется стандартный набор инструментов, а для резки и соединения металлических деталей – болгарка и сварочный аппарат.
Этап #3. Монтаж узлов системы
Компрессор устанавливают на стену с помощью кронштейнов, после чего приступают к изготовлению конденсатора. Для этого металлический бак разрезают болгаркой пополам. В одну часть устанавливают медный змеевик, после чего емкость сваривают и подготавливают в ней резьбовые отверстия.
Теплообменник для теплонасоса практически не отличается от такого же узла, который изготавливают для банной печи. Лучше всего подойдет емкость из нержавеющей стали толщиной 2,5 мм
Для изготовления теплообменника на 120-литровый стальной бак наматывают длинную медную трубу, закрепляя концы витков рейками. К выводам подсоединяют сантехнические переходы.
На пластиковый бак тоже крепят змеевик и используют в качестве испарителя. Он не перегревается, поэтому необязательно брать металлическую емкость. Готовый испаритель крепят к стене с помощью кронштейнов.
При выборе компрессора и испарителя следует делать расчет мощности с запасом 20%, иначе мощность готовой отопительной системы будет ниже желаемой
Когда основные узлы подготовлены, подбирают подходящий терморегулирующий клапан, собирают конструкцию и закачивают в систему фреон марки R-22 или R-422. Если нет соответствующих навыков, имеет смысл пригласить специалиста, т.к. процедура небезопасна.
Этап #4. Подключение к заборному устройству
Тип заборного устройства и особенности подключения к нему теплонасоса зависят от схемы:
- «Вода-земля» . Коллектор устанавливают ниже уровня промерзания почвы. Трубы системы должны располагаться на той же глубине.
- «Вода-воздух» . Системы этого типа монтировать относительно просто, т.к. не требуются земляные работы. Для установки коллектора подойдет удобное место возле дома или на крыше.
- «Вода-вода» . Конструкцию коллектора собирают из полимерных труб, а затем опускают в центр водоема.
Возможна установка комбинированной (бивалентной) отопительной системы. В этом случае теплонасос подключают параллельно с электрическим котлом. Он выполняет функцию дополнительного отопления.
Установка бивалентной отопительной системы позволяет добиться оптимальной температуры в доме даже при сильных морозах, а ее энергопотребление будет минимальным.
В процессе сборки, монтажа и подключения теплового насоса нужно внимательно следить за качеством сварных швов, стыков и соединений. Система должна быть абсолютно герметичной
Выводы и полезное видео по теме
Схемы обогрева с теплонасосами не всегда рентабельны и удобны, поэтому обязательно взвесьте плюсы и минусы отопления этого типа.
Если придете к выводу, что такая система подойдет для вашего дома, не торопитесь тратить огромные суммы на готовую установку и соберите конструкцию самостоятельно. Это не так уж и сложно, требует гораздо меньших денежных вложений, а эффект может превзойти все ожидания.
Тепловые насосы позволяют забирать рассеянную энергию из окружающей природы: воздуха, воды и земли, аккумулировать и направлять ее на отопление дома. Энергию также используют на нагрев воды для мытья или кондиционирование воздуха в помещениях. Это дает возможность экономить средства, уменьшая расход традиционных источников тепла: электричества, газа, дров. В статье мы расскажем, как сделать тепловой насос своими руками.
Что такое геотермальный насос
Для начала нужно понять, что такое геотермальный насос, и по какому принципу работает, ведь именно он является сердцем всего описываемого нами устройства.
Ни для кого не секрет, что в толще земли всегда поддерживается плюсовая температура. В таком же состоянии находится и вода подо льдом. В этой, относительно теплой среде, размещается замкнутый трубопровод с жидкостью.
Схема работы у тепловых насосов достаточно проста и основана на обратном принципе Карно:
- Теплоноситель, продвигаясь по внешнему контуру, нагревается от выбранного источника и попадает в испаритель.
- Там он обменивается энергией с хладагентом (обычно это фреон).
- Фреон закипает, переходит в газообразное состояние и сжимается компрессором.
- Горячий газ (он нагревается в пределах 35–65 o C) поступает в другой теплообменник, в котором отдает свое тепло системе отопления или горячего водоснабжения дома.
- Остывший хладагент снова становится жидким и возвращается на новый круг.
Насос из холодильника
Основной частью системы является компрессор. Его лучше купить готовым в магазине или использовать имеющийся от холодильника или кондиционера. Все остальные компоненты – испаритель, конденсатор, трубопровод – под силу собрать самому. Энергию такой аппарат будет потреблять только на сжатие и перенос тепла, вырабатывая при этом в 5 раз больше.
Используя старый компрессор, нужно рассчитывать на то, что его срок службы может быть недолгим, а мощность системы снизится. Кроме того, мощности изношенного компрессора может не хвать для полноценной работы системы.
Некоторые умельцы пошли дальше и сделали тепловой насос из холодильника, поместив внутри него радиаторы, подогреваемые теплом земли. Внутри постоянно поддерживается плюсовая температура, которая заставляет холодильник постоянно работать, нагревая радиатор, находящимся сзади него. Используя родной радиатор, делают из него теплообменник (или изготавливают самодельный), отбирают выделяемое им тепло.
Эффективность работы такого теплового насоса подходит больше для демонстрации работы устройства, так как его КПД очень низкое. Кроме того, холодильник не рассчитан на такой режим работы и может быстро выйти из строя.
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 м 2 необходим участок не меньше 250 м 2 , 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.
Как уже говорилось, компрессор предпочтительнее купить готовый. Пригодна любая модель, применяемая в кондиционерах.
Все остальные составляющие собираем самостоятельно:
- В качестве корпуса конденсатора берется нержавеющий бак емкостью около 100 л. Его разрезают пополам и внутри монтируют змеевик из медной трубки толщиной стенки не меньше 1 мм. В оболочку впаиваются резьбовые соединения для подключения к контуру. После этого части бака можно сваривать.
- Для испарителя отлично подойдет полиэтиленовая бутыль объемом 80 л или отрезок трубы. В нее также вставляется змеевик и подводятся входы и выходы воды. Теплоносители изолируются от внешней среды поролоновой «шубой».
- Теперь необходимо поставить всю систему, спаять трубки и залить хладагент. Количество фреона очень важно для правильной работы насоса, этот расчет лучше поручить инженеру по теплотехнике. Он же сможет окончательно подключить установку и настроить компрессор.
- Осталось только присоединить наружный контур. Его сборка будет зависеть от типа насоса.
Вертикальная установка «почва-вода» требует скважины, в нее опускается геотермальный зонд.
Для горизонтального аппарата собирается коллектор и закапывается в землю на глубине, исключающей промерзание.
В системе «вода-вода» контур состоит из сети пластиковых труб, по которым будет протекать теплоноситель. Затем все это надо закрепить в водоеме на необходимой глубине.
Коллектор насоса «воздух-вода» выполняется также и монтируется на крыше дома или поблизости от него.
Для стабильной работы и защиты от поломки машину желательно дополнить возможностью ручного запуска компрессора на случай внезапного отключения электричества. Стоимость подобной установки достаточно высока. Еще дороже стоит заводской насос. Однако практика показывает, что приобретение окупается за несколько лет эксплуатации.
Видео
Экология потребления.Усадьба:Сегодня люди стараются искать альтернативные источники тепла для того, чтобы обогреть свой загородный дом или дачу. Так, тепловые насосы получили большую популярность.
Сегодня люди стараются искать альтернативные источники тепла для того, чтобы обогреть свой загородный дом или дачу. Так, тепловые насосы получили большую популярность. Однако стоимость самого оборудования, да и его монтаж доступны не всем. Получается, что не удается сэкономить средства на отоплении. Потому нужно рассмотреть, возможно ли сделать тепловой насос на даче своими руками.
Тепловые насосы: принцип действия
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
Человечество с древнейших времен «привыкло» использовать доступные природные энергоносители, которые попросту сжигаются для получения тепла или для преобразования в иные виды энергии. Научились люди применять и скрытый потенциал водных потоков – начали от водяных мельниц и дошли до мощных гидроэлектростанций. Однако то, что казалось вполне достаточным еще сотню лет назад, сегодня уже никак не может удовлетворить потребности растущего населения Земли.
Во-первых, природные «кладовые » все же не бездонны, и добыча энергоносителей с каждым годом становится все сложнее, перебираясь в труднодоступные регионы или даже на морские шельфы. Во-вторых, сжигание природного сырья всегда сопряжено с выбросами продуктов сгорания в атмосферу, что при нынешних громадных объемах таких выбросов уже поставило планету на грань экологического бедствия. Энергии гидроэлектростанций недостаточно, да и нарушение гидрологического баланса рек также влечет массу негативных последствий. Ядерная энергетика, на которую некогда смотрели, как на «панацею», после целого ряда резонансных техногенных катастроф вызывает массу вопросов, а во многих регионах планеты строительство АЭС просто запрещено законодательно.
Однако, есть и другие, практически неиссякаемые источники энергии, которые стали широко использоваться сравнительно недавно. Современные технологии позволили весьма эффективно применять для получения электричества или тепла энергию ветра, солнечного света, океанских приливов и т.п . Одним из альтернативных источников является и тепловая энергия земных недр, водоемов , атмосферы. Именно на использовании таких источников основана работа тепловых насосов. Подобное оборудования для нас пока еще входит в разряд «экзотических новинок», а в то же время именно таким способом отапливают свое жилье очень многие жители Европы – например, в Швейцарии или странах Скандинавии количество домов с подобными системами перевалило за 50%. Постепенно начинает такой вид получения тепла практиковаться и на российских просторах, хотя цены на приобретения высокотехнологичного комплекта оборудования пока выглядят очень пугающими. Но, как всегда, находятся мастера-энтузиасты, которые проявляют свои творческие способности и собирают тепловые насосы своими руками.
Публикация нацелена на то, чтобы читатель смог поближе рассмотреть принцип действия и базовое устройство тепловых насосов, узнать о тих преимуществах и недостатках. Кроме того, будет рассказано об успешных опытах создания действующих установок своими силами.
Не все об этом задумывались, но вокруг нас – немало источников тепла, которые «работают» круглогодично и круглосуточно. Для примера – даже в самые сильные холода температура подо льдом замерзшего водоема все равно остается положительной. Та же картина и при углублении в толщу грунта – ниже границы его промерзания температура практически всегда стабильна и примерно равна среднегодовой, характерной для данного региона. Немалый тепловой потенциал несет в себе и воздух.
Возможно, кого-то смутят совсем, казалось бы, невысокие температуры воды, грунта или воздуха. Да, они относятся к низкопотенциальным источникам энергии, но их главный «козырь» — стабильность, а современные технологии, основанные на законах теплофизики, позволяют даже незначительную разницу преобразовывать в необходимый нагрев. Да и, согласитесь, когда на улице зимой стоит мороз в 20 градусов, а ниже уровня промерзания грунт имеет 5 ÷ 7 градусов, то такой амплитудный перепад — уже весьма приличен.
Именно это свойство непрерывности поступления низкопотенциальной энергии заложено в схему теплового насоса. По сути, этот агрегат является устройством, который «перекачивает» и «концертирует» тепло, забираемое из неиссякаемого источника.
Можно провести некую аналогию со всем знакомым холодильником. Продукты, которые в него укладываются для охлаждения и хранения и попадающий в камеру при открытии дверцы воздух – тоже имеют не слишком высокую температуру. Но если прикоснуться к теплообменной решетке конденсатора на задней стенке холодильника, то она или очень теплая , или даже горячая.
Прообраз теплового насоса — знакомый всем холодильник, решетка конденсатора которого при работе нагревается.
Так почему бы не использовать этот принцип для нагрева теплоносителя?Конечно с холодильником аналогия не прямая – там нет стабильного внешнего источника тепла, и по большей мере тратится электроэнергия. Но в случае с тепловым насосом такой источник можно найти (организовать), и тогда это получится «холодильник наоборот » — основная направленность агрегата будет именно на получение тепла.
По какому принципу работает ?
Он представляет собой систему из трех контуров с циркулирующими по ним теплоносителями.
- В самом корпусе теплового насоса (поз . 1) размещены два теплообменника (поз . 4 и 8), компрессор (поз . 7), контур циркуляции хладагента (поз . 5), приборы регулировки и управления.
- Первый контур (поз. 1) с собственным циркуляционным насосом (поз. 2) размещен (погружен ) в источнике низкопотенциального тепла (об их устройстве будет сказано ниже). Получая тепловую энергию от внешнего бесперебойного источника (показано широкой розовой стрелкой), подогреваясь всего на несколько градусов (обычно, при использовании зондов или коллекторов в грунте или в воде – до 4 ÷ 6 ° С ), циркулирующий теплоноситель попадает в теплообменник-испаритель (поз. 4). Здесь происходит первичная передача тепла, полученного извне.
- Хладагент, используемый во внутреннем контуре насоса (поз. 5), имеет крайне низкую температуру кипения. Обычно здесь применяется один из современных, безопасных для окружающей среды фреонов, либо двуокись углерода (по сути – сжиженный углекислый газ). На вход в испаритель (поз. 6) он подходит в жидком состоянии, при пониженном давлении — это обеспечивает регулируемый дроссель (поз. 10). Особая форма входного отверстия капиллярного типа и форма испарителя способствуют практически мгновенному переходу хладагента в газообразное состояние. По законам физики, испарение всегда сопровождается резким охлаждением и поглощением окружающего тепла. Так как этот участок внутреннего контура расположен в одном теплообменнике с первым контуром, то фреон отбирает тепловую энергию от теплоносителя, одновременно охлаждая его (широкая оранжевая стрелка). Охлажденные теплоноситель продолжает циркуляцию, и вновь набирает тепловую энергию из внешнего источника.
- Хладагент уже в газообразном состоянии, перенося переданное ему тепло, попадает в компрессор (поз. 7), где под воздействием сжатия его температура резко поднимается. Далее, он попадает в следующий теплообменник (поз. 8), в котором расположен конденсатор и трубы третьего контура теплового насоса. (поз. 11).
- Здесь происходит полностью противоположный процесс – хладагент конденсируется, переходя в жидкое состояние, при этом отдавая свой нагрев теплоносителю третьего контура. Далее, в жидком состоянии при высоком давлении он проходит через дроссель, где давление снижается, и цикл физических превращений агрегатного состояния хладагента повторяется вновь и вновь.
- Теперь переходит к третьему контуру (поз. 11) теплового насоса. Ему через теплообменник (поз. 8) предается тепловая энергия от разогретого компрессией хладагента (широкая красная стрелка). Этот контур имеет собственные циркуляционный насос (поз. 12), которые обеспечивает движение теплоносителя по трубам отопления. Однако намного разумнее использовать еще и аккумулирующую, тщательно изолированную буферную емкость (поз. 13), в которой будет накапливаться переданное тепло. Накопленный запас тепловой энергии расходуется уже для нужд отопления и горячего водоснабжения, расходуясь постепенно, по мере надобности. Подобная мера позволяет подстраховаться на случай перебоев в электропитании или использовать более дешевый ночной тариф на электроэнергию, необходимую для работы теплового насоса.
Если устанавливается буферный аккумулирующий бак, то к нему уже подводится контур отопления (поз . 14) с собственным циркуляционным насосом (поз . 15), обеспечивающим перемещение теплоносителя по трубам системы (поз . 16). Как уже говорилось, может быть и второй контур, который обеспечивает подачу горячей воды для бытовых нужд.
Тепловой насос не может работать без электропитания – оно требуется для функционирования компрессора (широкая зеленая стрелка), да и циркуляционные насосы во внешних контурах также потребляют электроэнергию. Однако, как уверяют разработчики и производители тепловых насосов, потребление электричества несопоставимо с получаемым «объемом » тепловой энергии. Так, при правильной сборке и оптимальных условиях эксплуатации, часто ведется разговор о 300 и более процентах КПД, то есть при одно затраченном киловатте электричества тепловой насос может дать «на-гора» 4 киловатта тепловой энергии.
На самом деле подобное утверждение о КПД несколько некорректно. Законы физики никто не отменял, и КПД выше 100% — такая же утопия, как и « perpetummobile » — вечный двигатель. Речь в данном случае идет о рациональном использовании электричества в целях «перекачки» и преобразования энергии, поступающей из неиссякаемого внешнего источника. Здесь уместнее использовать понятие СОР (от английского «coefficient of performance» ) что в русском языке чаще называется «коэффициентом преобразования теплоты». В этом случае, действительно, могут получиться значения, превышающие единицу:
CO Р = Q п / А , где:
CO Р – коэффициент пр еобразования теплоты;
Q п – количество тепловой энергии, полученное потребителем;
А – работа, выполненная компрессорной установкой.
Существует еще один нюанс, про который часто просто забывают – определенного расхода энергии для нормального функционирования насоса требует не только компрессор, но и циркуляционные насосы во внешних контурах. Потребляемая мощность у них, конечно, значительно меньше, но, тем не менее , ее тоже можно учесть, а этого часто в маркетинговых целях просто не делается.
Полученное суммарно количество тепловой энергии может расходоваться:
1 – оптимальное решение – это система теплых водяных полов. Как правило, тепловые насосы дают «подъем » температуры до уровня примерно в 50 ÷ 60 ° С – это достаточно для подогрева пола.
2 – горячее водоснабжение дома. Обычно в системах ГВС температура на таком уровне и поддерживается – около 45 ÷ 55 °С .
3 – а вот для обычных радиаторов такого нагрева будет явно недостаточно. Выход – увеличивать количество секций или же использовать специальные низкотемпературные радиаторы. Помогут решить вопрос и отопительные приборы конвекционного типа.
4 – одно из важнейших достоинств тепловых насосов – возможность их переключения на «противоположный» режим работы. В летнее время такой агрегат может выполнять функцию кондиционирования воздуха – отбирая тепло из помещений и перенося его в грунт или водоем .
Источники низкопотенциальной энергии
Какие же источники низкопотенциальной энергии способны использовать тепловые насосы? В этой роли могут выступать горные породы, грунт на различной глубине, вода из естественных водоемов , или подземных водоносных горизонтов, атмосферный воздух или теплые воздушные потоки, отводимые из зданий или от промышленных технологических комплексов.
А. Использование тепловой энергии грунтов
Как уже говорилась, ниже уровня промерзания почвы, характерного для данного региона, температура грунта отличается стабильностью в течение всего года. Это и используется для работы тепловых насосов по схеме «грунт – вода ».
Принципиальная схема отбора энергии «грунт — вода»
Для создания такой системы готовятся специальные поверхностные тепловые поля, на которых снимаются верхние слои грунта на глубину порядка 1,2 ÷ 1, 5 метров . В них укладывают контуры, выполненные из пластиковых или металлопластиковых труб диаметром, как правило, 40 мм. Эффективность съема тепловой энергии зависит от местных климатических условий и от общей протяженности создаваемого контура.
Ориентировочно, для средней полосы России, можно оперировать следующими соотношениями:
- Сухие песчаные грунты – 10 Вт энергии с одного погонного метра трубы.
- Сухие глинистые грунты – 20 Вт/м.
- Влажные глинистые грунты – 25 Вт/м.
- Глинистая порода с высоким расположением грунтовых вод – 35 Вт/м.
При всей кажущейся простоте такого теплообмена, способ отнюдь не всегда является оптимальным решением. Дело в том, что он предполагает очень значительные объемы земляных работ. То, что выглядит простым на схеме – значительно сложнее в практическом исполнении. Посудите сами – для того, чтобы «снять» с подземного контура даже всего 10 кВт т епловой энергии на глинистом грунте потребуется порядка 400 метров трубы. Если еще учитывать обязательное правило, что между витками контура должен быть интервал никак не меньше 1, 2 метров , то для укладки будет необходим участок площадью 4 сотки (20 × 20 метров).
Закладка поля для отбора тепла из грунта — чрезвычайно масштабная и трудоемкая задача
Во-первых, далеко не у всех есть возможность выделить такую территорию. Во-вторых, на этом участке полностью исключаются какие-либо постройки, так как велика вероятность повреждения контура. И в-третьих – отбор тепла из грунта, особенно при некачественно проведенных расчетах , может не пройти бесследно. Не исключен эффект переохлаждения участка, когда летнее тепло не сможет полностью восстановить температурный баланс на глубине залегания контура. Это может негативно сказаться на биологическом балансе в поверхностных слоях почвы, и в итоге некоторые растения просто не будут расти на переохлаждённом участке – такой своеобразный локальный эффект «ледникового периода».
Б. Тепловая энергия из скважин
Даже небольшой размер участка не будет препятствием для организации забота тепловой энергии из пробуренной скважины.
В качестве источника низкопотенциального тепла — глубокая скважина
Температура грунта с увеличение глубины становится только стабильнее, а на глубинах свыше 15 — 20 метров прочно стоит на 10-градусной отметке, увеличиваясь на два ÷ три градуса на каждые 100 м погружения. Причём , эта величина – абсолютно не зависит от времени года или капризов погоды, что делает именно скважину самым стабильным и предсказуемым источником тепла.
В скважины опускается зонд, представляющий собой U-образную петлю из пластиковых (металлопластиковых) труб с циркулирующим по ним теплоносителем. Чаще всего делается несколько скважин глубиной от 40 ÷ 50 и до 150 метров, не ближе 6 м одна от другой, которые связываются или последовательно, или с подключением к общему коллектору. Теплоотдача грунта при таком расположении труб – значительно выше:
- При сухих осадочных породах – 20 Вт/м.
- Каменистые грунтовые слои или насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м.
- Твердые горные породы, обладающие высокой теплопроводностью – 70 Вт/м.
- Если повезло, и попался подземный водоносный горизонт – порядка 80 Вт/м.
При недостаточности места или при сложностях в глубоком бурении из-за особенностей грунта может выполняться несколько наклонных скважин лучами из одной точки.
Кстати, в том случае, если скважина приходится на водоносный горизонт со стабильным дебетом, то иногда применяют открытый контур первичного теплообмена. При этом вода закачивается насосом с глубины, участвует в теплообмене, а затем, охлажденная , сбрасывается во вторую скважину того же горизонта, на расположенную на определенном расстоянии от первой (это вычисляется при проектировании системы). Одновременно может быть организован и водозабор для бытовых нужд.
Основной недостаток скважинного способа отбора тепла – высокая стоимость бурильных работ, которые провести собственными силами, не располагая соответствующим оборудованием, очень сложно или попросту невозможно. Кроме того, бурение скважин часто требует разрешительных документов от органов природонадзора . Кстати, и использование прямого теплообмена с обратным сбросом воды в скважину тоже может оказаться запрещенным .
Можно ли самостоятельно пробурить скважину?
Безусловно, это чрезвычайно сложная задача, однако есть технологии, позволяющие при определённых условиях выполнить ее самостоятельно.
О том, как можно – в специальной публикации нашего портала.
В. Использование водоемов в качестве источников тепла
Расположенный поблизости от дома водоем достаточной глубины вполне может стать неплохим источником тепловой энергии. Вода даже зимнее время под верхней коркой льда остается в жидком состоянии, и ее температура выше нуля – это и нужно тепловому насосу.
Ориентировочная теплоотдача с контура, погруженного в воду – 30 кВт/м. Значит, чтобы получить отдачу в 10 кВт, потребуется контур порядка 350 м .
Такие контуры-коллекторы монтируются на суше из пластиковых труб. Затем они перемещаются в водоем и погружаются на дно, на глубину не менее 2 метров, для чего привязываются грузы из расчета 5 кг на 1 погонный метр тр убы.
Затем выполняется термоизолированная прокладка труб к дому и подключение их к теплообменнику теплового насоса.
Однако, не следует думать, что любой водоем в полной мере подойдет для подобных целей – опять же, понадобятся весьма сложные теплотехнические расчеты . Например, небольшой и недостаточно глубокий пруд или мелкая тихая речушка мало того, что могут не справиться с задачей бесперебойной подачи низкопотенциальной энергии – их можно попросту переморозить вообще до дна, убив тем самым всех обитателей водоема .
Достоинства водяных источников тепла – нет необходимости в буровых работах, до минимума сводятся и земляные – только выкапывание траншей к дому для укладки труб. А как недостаток можно отметить малую доступность для большинства домовладельцев просто из-за отсутствия водоемов в разумной близости от жилья.
Кстати, в целях теплообмена нередко используют стоки – у них даже в холода достаточно стабилизированная положительная температура.
Г. Забор тепла из воздуха
Тепло для обогрева жилья или для горячего водоснабжения можно брать буквально из воздуха. На таком принципе работают тепловые насосы «воздух – вода» или «воздух – воздух ».
По большому счету – это тот же кондиционер, только переключенный на режим «зима». Эффективность такой системы обогрева очень сильно зависит и от климатических условий региона, и от капризов погоды. Современные установки хотя и рассчитаны для работы даже при очень низких температурах (до – 25, а некоторые – даже до – 40 ° С ), но коэффициент пр еобразования энергии при этом резко падает, рентабельность и целесообразность подобного подхода сразу начинают вызывать кучу вопросов.
Но зато такой тепловой насос вообще не требует никаких трудоемких операций – чаще всего его первичный теплообменный блок устанавливается или на стене (крыше) здания, либо в непосредственной близости от него. Его, кстати, практически нельзя отличить от внешнего блока сплит-системы кондиционирования.
Такие тепловые насосы часто используют в качестве дополнительных источников тепловой энергии для отопления, а в летнее время – в роли теплогенератора для горячего водоснабжения.
Применение подобных тепловых насосов в полне оправдано для рекуперации – использования вторичного тепла, например, на выходах вентиляционных шахт (каналов). Так установка получает достаточно стабильный и высокотемпературный источник энергии – это широко применяется на промышленных предприятиях, где постоянно имеются источники вторичного тепла для его утилизации.
В системах «воздух-воздух» и «воздух – вода» первичного контура теплообмена вообще нет. Вентиляторы создают воздушный поток, который обдувает непосредственно трубки испарителя с циркулирующим по ним хладагентом.
Кстати, существует целая линейка тепловых насосов DХ – типа (от английского «direct exchange» , что означает «прямой обмен»). В них тоже , по сути, отсутствует первичный контур. Теплообмен с источником низкопотенциального тепла (в скважинах или в слое грунта) проходит сразу в медных трубах, заполненных х ладагентом. Это, с одной стороны , дороже и сложнее в исполнении, но зато позволяет существенно уменьшить и глубину скважин (достаточно одной 30-метровой вертикальной или нескольких наклонных до 15 м ), и общую площадь теплообменного горизонтального поля, если оно расположено под верхним слоем грунта. Соответственно, можно говорить и о большем коэффициенте преобразования, и в целом – эффективности теплового насоса. Но вот только и медные теплообменные трубы намного дороже пластиковых и сложнее в монтаже, и стоимость хладагента значительно выше, чем обычного теплоносителя-антифриза.
А как устроен кондиционер, и можно ли его смонтировать самостоятельно?
Уже говорилось, что по базовому принципу действия кондиционер и тепловой насос – практически «близнецы», но в «зеркальном отображении».
Подробнее об устройстве и основных правилах – в специальной публикации портала.
Видео: полезная информация по теории и практике использования тепловых насосов
Общие достоинства и недостатки тепловых насосов
Итак, можно подвести определенную черту в рассмотрении тепловых насосов, акцентировав в нимание на их основных, мнимых и действительных, достоинствах и недостатках.
А. Высокая экономичность и общая рентабельность такого типа отопления.
Об этом уже упоминалось выше – в продуманной и правильно смонтированной системе, при оптимальных условиях эксплуатации, можно рассчитывать на получение 4 кВт т епловой энергии взамен потраченного 1 кВт – электрической.
Все это будет справедливым лишь в том случае, если жилье получило самое высококачественное утепление. Это, безусловно, касается любых систем отопления, просто эти «магические цифры» в 300% в большей мере показывают важность надежной термоизоляции.
По регулярным расходам на потребляемые энергоресурсы тепловые насосы стоят на первом месте в плане экономичности, несколько опережая даже дешевый сетевой газ. При этом следует учесть и то, что отпадает необходимость подвоза и складирования топливных запасов— если речь идет о колах на твердом или жидком топливе.
Б. Тепловой насос может стать высокоэкономичным основным источником отопления и горячего водоснабжения.
Этот вопрос также уже затрагивался. Если в доме в качестве основного источника обогрева в помещениях используются , то тепловой насос соответствующей мощности такую нагрузку должен «потянуть». Для большинства же привычных радиаторов температура в 50 ÷ 55 градусов будет явно недостаточна.
Особо стоит упомянуть насосы, отбирающие тепло из воздуха. Они – крайне чувствительны к текущим погодным условиям. Хотя производители заявляют о возможности работы при — 25 и даже -40 ° С , эффективность резко снижается, и ни о каких 300% уже речи идти не может.
Разумное решение – создавать комбинированную систему отопления (бивалентную ). Пока хватает мощности ТН , он выступает основным источником тепла, при недостаточности мощности при наступлении настоящих холодов – на подмогу приходят электрический нагрев, жидко— или твердотопливный котел , солнечный коллектор и т.п . Газовое оборудование в этом случае не рассматривается – если есть возможность применять для отопления сетевой газ, то потребность в тепловом насосе выглядит весьма сомнительно, по крайней мере, при нынешнем уровне цен на энергоносители.
В. Система отопления с тепловым насосом не требует дымохода. Работает она практически бесшумно.
Действительно, сложностей с обустройством дымохода у хозяев не возникнет. Что же касается тишины работы, то как и у любой другой бытовой техники с теми или иными приводами, шумовой фон все равно присутствует — от работы компрессора, циркуляционных насосов. Другой вопрос, что в современных моделях этот уровень шумности при правильной отладке агрегата – весьма невелик и не причиняет беспокойства жильцам. Кроме того, наверное, мало кому придет в голову устанавливать подобное оборудование в жилых комнатах.
Г. Полная экологичность системы – полностью отсутствуют какие-либо выбросы в атмосферу, нет никакой угрозы жильцам дома.
Все верно , особенно в отношении моделей, в которых в качестве хладагента применяется современный, безвредный для озонового слоя фреон (например, R-410А ).
Можно также сразу отметить пожаро — и взрывобезопасность такой системы – нет легковоспламеняющихся или горючих веществ, исключается скопление их взрывоопасных концентраций.
Д. Современные тепловые насосы являются универсальными климатическими установками, способными работать и на отопление, и на кондиционирование – в летнее время.
Это очень важное преимущество, которое, действительно, дает хозяевам массу дополнительных удобств.
Е. Работа теплового насоса полностью контролируется автоматикой, и не требует вмешательства пользователя. Такая система, в отличие от других, не нуждается в регулярном обслуживании и профилактике.
С первым утверждением можно полностью согласиться, однако, не забыв упомянуть и то, что большинство современных отопительных газовых или электрических установок также полностью автоматизированы, то есть таким достоинством обладают не только тепловые насосы.
А вот по второму вопросу можно вступить в дискуссию. Наверное, ни один из промышленных или бытовых отопительных агрегатов не может обойтись без регулярных проверок и профилактических работ. Даже если справедливо предположить, что во внутренний контур с хладагентом и в автоматику самостоятельно лезть не стоит, то внешние контуры с антифризом или иным теплоносителем определенного участия все же потребуют. Здесь и регулярная чистка (особенно в воздушных системах), и контроль состава и уровня теплоносителя, и ревизия работы циркуляционных насосов, и проверка состояния труб на целостность и наличие подтеканий на фитингах, и многое другое – одним словом, то, без чего не обходится ни одна система отопления. Одним словом, утверждение о полной ненадобности обслуживания выглядит, по меньшей мере , голословно.
Ж. Быстрая окупаемость системы отопления с тепловым насосом.
Этот вопрос – настолько неоднозначный, что на нем следует остановиться особо.
Некоторые компании, занимающиеся реализацией подобного оборудования, обещают своим потенциальным клиентам очень быстрый возврат вложенных в реализацию проекта средств. Они приводят выкладки в таблицах, по которым, действительно, можно создать мнение, что тепловой насос – единственное приемлемое решение, если нет возможности протянуть к дому газовую магистраль.
Вот один из таких образцов:
| Виды топлива | Природный газ (метан) | Дрова колотые берёзовые | Эл. энергия по единому тарифу | Дизтопливо | Тепловой насос (ночной тариф) |
|---|---|---|---|---|---|
| Ед. поставки топлива | м ³ | 3 м ³ | кВт × ч | литр | кВт × ч |
| Стоимость топл. с доставкой, руб | 5.95 | 6000 | 3.61 | 36.75 | 0.98 |
| Калорийность топлива | 38.2 | 4050 | 1 | 36 | 1 |
| Ед. измерения калорийности | МДж/м ³ | кВт × ч | кВт × ч | МДж/литр | кВт × ч |
| КПД котла,% или COP | 92 | 65 | 99 | 85 | 450 |
| Стоимость топлива, руб/МДж | 0.17 | 0.41 | 1.01 | 1.19 | 0,06 |
| Стоимость топлива, руб/кВт*ч | 0.61 | 1.48 | 3.65 | 4.29 | 0.22 |
| Стоимость топлива, руб/ГКал | 708 | 1722 | 4238 | 4989 | 253 |
| Стоимость топлива в год, руб | 24350 | 59257 | 145859 | 171721 | 8711 |
| Срок эксплуатации оборудования, лет | 10 | 10 | 10 | 10 | 15 |
| Примерная стоимость оборудования, руб | 50000 | 70000 | 40000 | 100000 | 320000 |
| Стоимость монтажа, руб | 70000 | 30000 | 30000 | 30000 | 80000 |
| Стоимость подключения сетей (техусловия, оборудование и монтаж), руб | 120000 | 0 | 650 | 0 | 0 |
| Первоночальные инвестиции, руб (приблизительно) | 240000 | 100000 | 70650 | 130000 | 400000 |
| Эксплуатационные затраты, руб/год | 1000 | 1000 | 0 | 5000 | 0 |
| Виды эксплуатационных работ | техобслуживание, чистка камеры | чистка камеры, дымоходов | Замена ТЭНов | чистка камеры, форсунок, замена фильтров | нет |
| Итого расходы за весь период эксплуатации (с затратами на топливо), руб | 493502 | 702572 | 1529236 | 1897201 | 530667 |
| Итого относительная стоимость 1 года эксплуатации (топливо, аммортизация, обслуживание и т.д) | 49350 | 70257 | 152924 | 189720 | 35378 |
Да, итоговая строка действительно впечатляет, но все ли тут обстоит «гладко»?
Первое, что бросится в глаза внимательному читателю – тариф на электроэнергию для электрического обогрева взят общий, а на тепловой насос, отчего-то, льготный ночной. Видимо, для того, чтобы итоговая разница была более наглядной.
Далее. Стоимость оборудования теплового насоса показана не совсем корректно. Если внимательнее ознакомиться с предложениями в интернете, то цены на установки мощностью около 7 ÷ 10 кВт, которые могут использоваться в целях отопления, начинаются от 300 – 350 тысяч рублей (воздушные тепловые насосы и маломощные установки, используемые лишь для горячего водоснабжения, стоят несколько поменьше ).
Казалось бы, все правильно, но «дьявол кроется в деталях» Это – только лишь стоимость самого аппаратного блока, который без периферийных устройств, контуров, зондов и т.п . – бесполезен. Цена только одного коллектора (без труб) даст еще не менее 12 ÷ 15 тысяч, скважинный зонд ст оит не меньше. А если еще прибавить стоимость труб, фитингов, запорно-арматурных элементов, достаточно большого количества теплоносителя – общая сумма вырастает стремительно.
Трубы, коллекторы, запорная арматура — тоже достаточно «весомая» статья общих расходов
Но и это – еще не все. Уже упоминалось, что система отопления на основе теплового насоса, как, наверное, ни одна другая, нуждается в сложных специализированных расчетах . При проектировании учитывается очень много факторов: общая площадь и объемы самого здания, степень его утепленности и расчет тепловых потерь, обеспеченность достаточным по мощности источником электроснабжения, наличие необходимого участка территории (близлежащего водоема ) для размещения теплообменных горизонтальных контуров или бурения скважин, тип и состояние грунтов, расположение водоносных слоев и много другое. Безусловно, и изыскательские, и проектировочные работы также потребуют и времени, и соответствующей оплаты специалистам.
Установка же оборудования «наобум», без правильного проектирования, чревата резким снижением эффективности работы системы, а порой – даже локальными «экологическими катастрофами» в виде недопустимого переохлаждения грунта, колодцев или скважин, водоемов .
Следующее – монтаж оборудования и создание теплообменных полей или скважин. Уже упоминалось о масштабах земляных работ, глубине бурения. Для заполнения скважин после установки зондов требуется специальный бетонный раствор с высокой степенью теплопроводности. Плюс к этому – коммутация контуров, прокладка магистралей к дому и т.п . – все это еще один немалый «пласт» материальных затрат. Сюда же можно отнести приобретение и монтаж аккумулирующей емкости с необходимой автоматикой управления, переделку системы отопления под теплые полы или установку специальных теплообменных приборов.
Одним словом, затраты очень внушительные, и, наверное, именно это пока держит системы отопления от тепловых насосов в разряде «экзотики», недоступной подавляющему большинству владельцев частных домов.
А как же с высочайшей их популярностью и массовостью применения в других странах? Дело в том, что там работают правительственные программы стимуляции населения к использованию альтернативных источников энергоснабжения. Потребители, которые изъявили желание перейти на подобные виды отопления, имеют право на получение государственных субсидий, во многом покрывающих первоначальные затраты на проектирование и монтаж оборудования. Да и уровень доходов у работающих граждан, если честно, там несколько повыше , нежели в наших краях.
Для европейских городов и поселков это достаточно привычная картина — теплообменник теплового насоса около дома
Резюме – к утверждениям о быстрой окупаемости подобного проекта нужно относиться с определенной долей осторожности. Прежде чем браться за столь масштабный и ответственный комплекс мероприятий, следует т щательно просчитать и взвесить всю «бухгалтерию» до мелочей, оценить степени риска, свои финансовые возможности, планируемую рентабельность и т.п . Возможно, найдутся более рациональны, приемлемые варианты – прокладка газа, установка современных , использование новых разработок в сфере электрического обогрева и т.п .
Не следует воспринимать написанное, как «негатив» в адрес тепловых насосов. Безусловно – это чрезвычайно прогрессивное направление, и у него – огромные перспективы. Речь идет лишь о том, что в подобных вопросах не следует проявлять необдуманного волюнтаризма – решения должны основываться на тщательно продуманных и всесторонне проведенных расчетах .
Можно ли собрать тепловой насос с воими руками?
Общая перспективность использования «дармовых» источников тепловой энергии, в совокупности с сохраняющейся высокой ценой на оборудование, волей-неволей приводят многих домашних умельцев к вопросам самостоятельного создания подобных отопительных установок. Есть ли возможность изготовить тепловой насос с воими силами?
Безусловно, собрать такую тепловую машину, используя некоторые готовые агрегаты и нужные материалы – вполне возможно. В интернете можно найти и видеоматериалы, и статьи с успешными примерами. Правда, точных чертежей отыскать – вряд ли удастся, все обычно ограничивается рекомендациями по возможности изготовления тех или иных деталей и узлов. Впрочем, в этом есть рациональное «зерно»: как уже говорилось, тепловой насос – настолько индивидуальная система, требующая расчетов применительно к конкретным условиям, что слепо копировать чужие наработки будет вряд ли целесообразным.
Тем не менее , тому, кто все же решится на самостоятельное изготовление, следует прислушаться к некоторым технологическим рекомендациям.
Итак, «вынесем за скобки» создание внешних контуров – отопления и первичного теплообмена. Основной задачей в таком случае становится изготовление двух теплообменников, испарителя и конденсатора, связанных контуром из медной трубки с циркулирующим по нему хладагентом. Этот контур, как видно из принципиальной схемы, подключен к компрессору.
Компрессор найти несложно — новый или от разобранной на запчасти техники
Сам компрессор раздобыть не так сложно – его можно приобрести новый – в специализированном магазине. Можно поискать на хозяйственном рынке – часто продают агрегаты от разобранных на запчасти старых холодильников или кондиционеров. Вполне возможно, что компрессор обнаружится и в собственных запасах – многие рачительные хозяева даже при покупке новой бытовой техники такие вещи не выбрасывают.
Теперь – вопрос теплообменников. Здесь есть несколько различных вариантов:
А. Если есть возможности приобрести готовые пластинчатые теплообменники , запаянные в герметичный корпус, то этим решится сразу масса проблем. Такие устройства обладают отменной эффективностью теплопередачи из одного контура в другой – недаром их используют в системах отопления при подключении автономной внутриквартирной разводки к трубам центральной сети.
Удобство еще и в том, что подобные теплообменники — компактные, имеют готовые патрубки, фитинги или резьбовые соединения для подключения к обоим контурам.
Видео: изготовление теплового насоса с использованием готовых теплообменников
Б. Вариант т еплового насоса с теплообменниками из медных трубок и закрытых емкостей .
Оба теплообменника, в принципе, схожи по устройству, но емкости для них могут использоваться разные.
Для конденсатора подойдет цилиндрический бак из нержавейки емкостью около 100 литров. В нем необходимо разместить медный змеевик, выведя его концы сверху и снизу наружу и герметично запаяв места прохода по окончании сборки. Вход должен располагаться снизу, выход, соответственно – в верхней части теплообменника.
Сам змеевик навивают из медной трубки, которую можно приобрести в магазине метражом (толщина стенок – не менее 1 мм). В качестве шаблона можно взять трубу большого диаметра. Витки змеевика следует несколько разнести между собой, прикрепив, например, к алюминиевому перфорированному профилю.
Водяной контур отопления может быть подключен посредством обыкновенных водопроводных патрубков, смонтированных (вваренных, впаянных или на резьбовом соединении с уплотнением) в противоположных краях теплообменного бака. Для циркуляции воды используется само внутренне пространство теплообменника. В итоге должна получиться примерно такая конструкция:
Для испарителя такие сложности не нужны – здесь не бывает высоких температур или избыточного давления, поэтому будет достаточно объёмной пластиковой емкости . Змеевик навивается примерно так же, концы его выводятся наружу. Для циркуляции воды из первичного контура также достаточно обычных сантехнических соединений.
Испаритель также устанавливается на кронштейны рядом с конденсатором, а около них готовится площадка для монтажа компрессора с последующим его подключением к контуру.
Рекомендаций по обвязке компрессора, установке дроссельного регулировочного клапана , по диаметру и длине капиллярной трубки, необходимости регенерационного теплообменника и т.п ., даваться не будет – это должен рассчитывать и монтировать только специалист по холодильным установкам.
Следует помнить, что здесь требуются высокие навыки герметичной пайки медных трубопроводов , умение правильно проводить закачку хладагента – фреона, проводить проверку и осуществлять пробный запуск. Кроме того, работа эта – достаточно опасная, требующая соблюдения весьма специфических правил предосторожности.
В . Тепловой насос с теплообменниками из труб
Другой вариант изготовления теплообменников. Для этого понадобятся металлопластиковые и медные трубы.
Медные трубки подбираются двух диаметров – порядка 8 мм для конденсатора, и порядка 5 ÷ 6 для испарителя. Длина их соответственно 12 и 10 метров.
Металлопластиковые трубы предназначены для циркуляции по ним воды из контуров первичного теплообмена и отопления, и в их полости будут расположены медные трубки внутреннего контура теплового насоса. Соответственно, диаметр тр уб можно взять 20 и 16 мм.
Металлопластиковые трубы растягиваются в длину, так чтобы в них можно было без особых усилий ввести медные, которые должны выступать с каждой стороны примерно на 200 мм.
На каждый из концов трубы одевается и « запаковывается тройник, так, чтобы медная трубка прошла сквозь него прямо. Пространство между ней и телом тройника надежно запечатывается термостойким герметиком. Оставшийся перпендикулярный вывод тройника будет служить для подключения теплообменника к водяному контуру.
Трубы в сборе навиваются спиралями. Обязательно следует сразу предусмотреть их термоизоляцию, одев в поролоновые утеплительные «рубашки». В итоге получаются два готовых теплообменника.
Разместить их можно один над другим в импровизированном корпусе рамного типа. На этом же каркасе предусматривается и площадка для установки компрессора. А чтобы снизить передачу вибрации от него на общую конструкцию, можно компрессор крепить, например, через автомобильные сайлент-блоки .
Чтобы провести обвязку компрессора и заправку получившегося контура фреоном, опять же потребуется пригласить специалиста-холодильщика.
Можно установить такой тепловой насос на предназначенное ему место и подсоединить фитинги тройников на теплообменниках каждый к своему контуру. Останется лишь подвести питание и запустить агрегат.
Все рассмотренные самодельные тепловые насосы – вполне работоспособные конструкции. Однако, не следует полагать, что вот так просто можно полностью решить проблему дешёвого отопления дома. Здесь речь идет , скорее, о создании действующих моделей, которые требуют дальнейшей доработки, модернизации. Даже опытные в этом деле мастера, изготовившие уже не один подобный аппарат, постоянно ищут пути к совершенствованию, создавая новые «версии».
Видео: как мастер совершенствует собственноручно созданный тепловой насос
Кроме того, был рассмотрен только сам тепловой насос, а ему для нормальной работы требуется аппаратура управления, контроля, регулировки, связанная с системой отопления дома. Здесь уже не обойтись без определенных познаний в области электротехники и электроники.
Опять же, можно вернуться к проблемам расчетов – «потянет» ли самодельный тепловой насос систему отопления, так чтобы стать реальной альтернативой другим источникам тепла? Часто в этих вопросах домашним мастерам приходится «пробираться на ощупь». Однако, если базовый принцип усвоен, и первая модель успешно заработала – это уже большая победа. Можно свой пробный образец временно приспособить к обеспечению дома горячей водой для бытовых целей, а самому приниматься за проектирование более совершенного агрегата, с учетом уже наработанного опыта и исправления допущенных ошибок.
Горячее водоснабжение – от энергии солнца!
Очень практичным решением будет использование энергии солнечных лучей для обеспечения дома горячей водой. Этот источник альтернативной энергии – намного проще и дешевле в исполнении, нежели тепловой насос. Как сделать — в специальной публикации нашего портала.
В отличие от таких устройств альтернативной энергетики, как солнечная батарея и ветрогенератор, тепловой насос менее известен. И напрасно. Наиболее распространенная схема «грунт-вода» работает стабильно и не зависит от погоды или климатических особенностей. А изготовить его можно самостоятельно.
Немного теории
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 .
В принципе, используется стандартная схема компрессорного холодильника, но «наоборот». В первом контуре циркулирует природный теплоноситель. Он замкнут на теплообменник, выполняющий функцию испарителя для второго контура.
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:
- В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
- 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.
- Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
- 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.
Где лучше «отбирать» тепло
Принципиально есть три среды, из которых можно «отобрать» тепло:
1. Воздух. При нормальном давлении все типы фреонов закипают при отрицательных температурах (например, R22 — около -25 °C, R404 и R502 — около -30 °C). Но для циркуляции в системе надо создать избыточное давление уже на первой фазе — испарении. Те же 4 атмосферы в испарителе требуют, чтобы температура воздуха на улице была не ниже 0 °C для R22 и -5 °C для R404 и R502. В наших регионах этот тип теплового насоса можно использовать для отопления в межсезонье и для горячего водоснабжения в теплое время года.
2. Вода. Это более стабильный источник тепла, при условии, что водоем зимой не промерзает до дна. Но дом должен не просто находиться рядом с озером или рекой, а быть на первой линии.
3. Земля. Самый стабильный источник тепловой энергии. Можно использовать две схемы — горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная кажется проще тем, что не требует бурения. Но придется проделать большой объем земляных работ по рытью системы траншей на глубину ниже уровня промерзания грунта (для средних широт он колеблется от 1 метра на западе европейской части страны и до 1,6-1,8 ближе к Уралу, в Сибири ситуация «еще хуже». Вертикальная схема более универсальна и эффективна, но требует бурения на значительную глубину. Хотя можно использовать несколько неглубоких скважин вместо одной глубокой.
Принципиальная схема
Сама схема теплового насоса несложная: испаритель — компрессор — конденсатор — дроссель — испаритель.
«Сердце» схемы — это компрессор. Можно купить новый, но дешевле подыскать б/у. Естественно, речь идет не о маломощных компрессорах бытовых холодильников, а о моделях, устанавливаемых в сплит-системах. Ориентироваться надо не на потребляемую мощность, а на мощность в режиме обогрева (которая выше чем в режиме охлаждения на 5-20%).
Выбирают модель компрессора по соотношению 1 кВт на 10 кв. метров отапливаемой площади.
Внимание! Может указываться мощность не только в кВт, но и в BTU (английская единица измерения тепловой энергии, принятая для климатической техники). Пересчет сделать просто — значение в BTU разделить на 3,4.
При расчете параметров теплонасоса, в том числе теплообменников, используют программное обеспечение, предназначенное для моделирования, расчетов и оптимизации систем охлаждения, например, CoolPack
Уже на стадии расчетов (а точнее, при задании «вводных») можно оптимизировать систему, выбрав оптимальные тепловые режимы.
Использование теплового насоса эффективно для низкотемпературных систем отопления, например, для теплых полов с температурой не выше 35-40 °C. Кстати, эта же температура рекомендована по медицинским требованиям для системы ГВС.
Для каждого типа фреона есть оптимальные температуры «входа» и «выхода», точнее, кипения и конденсации, но разница у всех них не более 45-50 °C.
Казалось бы, увеличение температуры на выходе теплового насоса даст положительный эффект, но это не так. Будет расти и разница температур, что приведет к снижению COP (коэффициента преобразования, или КПД тепловой машины). Кроме того, для этого потребуется использование более мощного компрессора и дополнительный расход электроэнергии.
Идеального COP достичь не получится (потери в компрессоре, расход электроэнергии, потери тепла при транспортировке внутри системы и т. п.), поэтому реальные значения обычно лежат в пределах от 3 до 5.
Есть еще один способ повышения эффективности — использование бивалентной схемы отопления.
В реальности работа системы отопления в полную мощность нужна лишь на протяжении 15-20% всего сезона. На это время можно использовать дополнительные отопительные устройства (например, керамический обогреватель или конвектор). Уменьшение расчетной тепловой мощности до 80% позволит сэкономить на компрессоре, уменьшить глубину скважины или длину труб горизонтальной схемы, снизить расход электроэнергии на обслуживание самого теплового насоса.
От заданной номинальной мощности теплового насоса и COP зависит расчет горизонтального или вертикального грунтового теплообменника. В среднем с каждого метра «горизонта» снимают 20 Вт (при шаге укладки труб не менее 0,7 м), а с «вертикали» — 50 Вт. Но конкретные значения зависят от вида породы и ее влажности. Лучшие значения у грунтовых вод.
Интересно! Есть и другие грунтовые теплообменники — «спираль» или «корзина». По сути, это вертикальный зонд из трубы в виде спирали, что позволяет снизить глубину бурения.
После определения длины горизонтального контура или глубины вертикального зонда рассчитывают размеры испарителя и конденсатора.
Изготовление испарителя и конденсатора
Можно купить уже готовые теплообменники как для испарителя (под низкое давление), так и для конденсатора (с давлением до 25 бар). Но дешевле их изготовить из медной трубки для кондиционеров (которая предназначена именно для работы с хладагентами при высоком давлении) и подручных емкостей.
Важно! Сантехническая медная труба не такая «чистая» и гибкая. Ее хуже паять и вальцевать при монтаже.
Рассчитывают площадь поверхности теплообменника, которая прямо пропорциональна мощности тепловыделения и обратно пропорциональна разнице температур теплоносителей на входе и выходе каждого подключаемого контура (грунтового и системы отопления).
Зная диаметр трубы и площадь поверхности, определяют длину каждого змеевика для испарителя и конденсатора.
Емкость для конденсатора лучше сделать из нержавейки (температура входящих паров фреона может быть довольно высокая):
- взять готовый бак подходящей емкости (чтобы поместилась спираль из медной трубки);
- разместить в нем змеевик (вход вверху, выход внизу);
- вывести концы медной трубки для подключения к компрессору и ТРВ (пайкой или фланцем);
- сделать в баке врезку переходников для подключения труб системы отопления;
- заварить крышку.
Испаритель работает на более низких температурах, поэтому для него можно взять более дешевую пластиковую емкость, в которую врезают переходники для подключения к грунтовому контуру. Он также отличается от конденсатора расположением змеевика теплообменника — вход (жидкая фаза фреона от ТРВ) снизу, выход на компрессор сверху.
Монтаж схемы
После изготовления теплообменников производят сборку газогидравлической схемы:
- устанавливают по месту компрессор, конденсатор и испаритель;
- паяют или соединяют на фланец медные трубы;
- подключают испаритель к насосу грунтового контура;
- подключают конденсатор к системе отопления.
1 — циркуляционный насос грунтового контура; 2 — испаритель; 3 — выход грунтового контура; 4 — терморегулирующий вентиль; 5 — компрессор; 6 — к системе отопления; 7 — конденсатор; 8 — обратка системы отопления
Электрическая схема (компрессор, насос грунтового контура, аварийная автоматика) должна подключаться по выделенной цепи, которая обязана выдерживать довольно высокие пусковые токи.
Обязательно использовать автомат защиты, а также аварийное отключение от реле температуры: на выходе воды из конденсатора (при перегреве) и выходе рассола из испарителя (при переохлаждении).