Первоначальные модели тепловых насосов только частично удовлетворяли потребности в тепле. Сегодняшние технологии представляют более эффективные решения, подходящие для систем отопления. Поэтому многие владельцы домов стремятся самостоятельно установить тепловой насос.
В этом материале мы расскажем, как правильно выбрать подходящий тепловой насос, учитывая географические данные вашего участка. В представленной статье подробно объясняется принцип работы систем, используемых для получения «зеленой энергии», а также указаны их особенности. Вы, без сомнения, сможете выбрать наиболее эффективный вариант, следуя нашим рекомендациям.
Для тех, кто предпочитает делать все своими руками, мы предлагаем технологию сборки теплового насоса. К материалу прилагаются иллюстративные схемы, сборники фотографий и подробное видеоруководство, разделенное на две части.
Что такое тепловой насос и как он функционирует?
Тепловой насос — это комплекс определенного оборудования, задача которого заключается в сборе и транспортировке тепловой энергии к пользователю. Источником данной энергии может выступать любое тело или среда с температурой от +1°C и выше.
В нашей окружающей среде имеется множество источников низкотемпературного тепла, таких как промышленные отходы, сбросы от ТЭЦ и АЭС, сточные воды и так далее. Для работы тепловых насосов, которые применяются в системе отопления, требуются три восстановления природных источника: воздух, вода и земля.
Тепловые насосы «извлекают» тепловую энергию из процессов, происходящих в окружающей среде, которые не прекращаются, и поэтому источники можно считать практически неограниченными.
Упомянутые три источника энергии непосредственно связаны с солнечной энергией, которая нагревает воздух, создает ветер и передает теплоту земле. Выбор источника тепла определяет классификацию тепловых насосных систем.
Принцип работы тепловых насосов основан на способности одних тел или сред передавать тепловую энергию другим телам или средам. Обычно в системе присутствуют источники и получатели энергии, работающие в тандеме.
Различают такие виды тепловых насосов:
- Воздух — вода.
- Земля — вода.
- Вода — воздух.
- Вода — вода.
- Земля — воздух.
- Вода — вода.
- Воздух — воздух.
При этом первое слово указывает на тип среды, из которой система получает низкотемпературное тепло, а второе слово определяет носитель, которому передается эта тепловая энергия. Например, в системах типа вода — вода тепло забирается из водной среды, а в качестве теплоносителя используется жидкость.
По своему строению тепловые насосы представляют собой парокомпрессионные установки, которые захватывают, обрабатывают и передают тепло от природных источников к потребителям.
Современные тепловые насосы используют три главных источника тепла: грунт, вода и воздух. Самая простая из этих систем — воздушный тепловой насос, который пользуется популярностью благодаря своей простоте конструкции и легкости установки.
Тепловой насос включает в себя внешний и внутренний блоки. Внешняя часть отвечает за сбор природной энергии, в то время как внутренняя обрабатывает её.
Внешний блок насосов типа воздух-воздух схож с наружной частью кондиционера, использующей аналогичные принципы работы.
Для улучшения эффективности системы воздух-воздух можно увеличить площадь испарителя.
Следует отметить, что системы, использующие тепло из недр земли, являются более сложными и дорогими. К ним относятся вертикальные скважины.
Для сооружения горизонтального испарителя, который получает тепло от грунта, необходимы большие участки свободной земли.
Трубопроводы испарителя закладываются в траншеи в виде петель. Важно, чтобы нужный метраж энергоприемника был заглублён в почву.
Скважина для использования тепла из грунтовых вод создается по принципу, похожему на устройство испарителей, использующих тепло из земли.
Для установки вертикального испарителя, использующего водную энергию, требуется недалеко расположенный водоем достаточной площади.
Несмотря на высокую популярность, такие системы имеют ряд недостатков, включая относительно низкую производительность и нестабильный коэффициент полезного действия в зависимости от сезонных климатических изменений.
С ухудшением температурных условий их эффективность существенно снижается. Поэтому тепловые насосы такого типа стоит рассматривать как дополнение к существующим системам отопления.
Тем не менее, системы, использующие грунтовое тепло, имеют большую эффективность. Грунт не только аккумулирует солнечное тепло, но и постоянно подогревается благодаря энергии земного ядра.
Таким образом, грунт выполняет роль мощного теплового аккумулятора с практически неограниченной мощностью, а температура грунта на определенной глубине остается относительно стабильной.
Сферы применения тепловых насосов:
Тепловые насосы служат источниками энергии для низкотемпературных систем отопления и водонагревательных установок. Особенно активно они используются в контурах для обогрева воздуха.
Так как тепловые насосы могут полностью обеспечить необходимое количество теплоносителя для систем с подогревом пола, они также находят применение в таких системах.
Малогабаритные тепловые насосы малой или средней мощности применяются для нагрева воды в частных бассейнах.
Постоянная температура источников тепла играет ключевую роль в стабильной и эффективной работе подобных энергетических систем. Аналогичную стабильность имеют насосные системы, в которых основным источником служит водная среда. Коллекторы таких насосов могут находиться либо в скважине, где они попадают в водоносный слой, либо в открытом водоеме.
Средняя температура источников, таких как грунт и вода, колеблется от +7°C до +12°C. Эта температура является достаточной для обеспечения эффективного функционирования системы.
Считается, что тепловые насосы, использующие источники с стабильной температурой, такие как вода и земля, наиболее эффективны.
Основные компоненты конструкции тепловых насосов
Для функционирования установки, обеспечивающей получение энергии по принципам теплового насоса, в состав конструкции должны входить четыре ключевых элемента:
- Компрессор.
- Испаритель.
- Конденсатор.
- Дроссельный клапан.
Компрессор является одним из важных элементов конструкции теплового насоса. Его основное предназначение — повышение давления и температуры паров, образующихся в результате кипения хладагента. В современном климатическом оборудовании, особенно в тепловых насосах, обычно используются спиральные компрессоры.
В качестве рабочего вещества, отвечающего за непосредственный перенос тепловой энергии, применяются жидкости с низкой температурой кипения, например, аммиак или фреоны.
Эти компрессоры предназначены для работы при отрицательных температурах. В отличие от других типов, спиральные компрессоры выделяются низким уровнем шума и могут функционировать как при низких температурах кипения, так и при высоких температурах конденсации. Их компактные размеры и легкий вес также являются значительными преимуществами.
Большая часть энергии, используемой тепловым насосом, расходуется на перенос тепловой энергии снаружи внутрь помещения. На работу системы уходит примерно 1 единица энергии для производства 4-6 единиц тепла.
Испаритель представляет собой контейнер, где происходит переход жидкого хладагента в пар. Хладагент, перемещаясь по замкнутой системе, проходит через испаритель, где нагревается и превращается в пар, который под низким давлением направляется к компрессору.
В компрессоре пар хладагента подвергается воздействию давления, что приводит к повышению его температуры. Сжатый пар под высоким давлением перемещается к конденсатору.
Компрессор сжимает среду, циркулирующую по системе, результатом чего становится увеличение её температуры и давления. Далее сжатая среда поступает в теплообменник (конденсатор), где охлаждается, отдавая тепло воде или воздуху.
Следующий важный элемент системы — конденсатор, в задачу которого входит передача тепловой энергии внутренней отопительной системе.
Как правило, серийные устройства изготавливаются с пластинчатыми теплообменниками, для которых используют легированную сталь или медь.
Для самодельного изготовления теплообменника можно принять медную трубку с диаметром в полдюйма, при этом толщина стенок труб не должна быть менее 1мм.
Дроссельный клапан, или терморегулирующий, устанавливается в той зоне гидравлического контура, где среда с высоким давлением превращается в среду с низким давлением. Взаимодействуя с компрессором, дроссель разделяет контур теплового насоса на две части: одну с повышенными давлениями и другую — с пониженными.
Когда жидкость проходит через расширительный дроссельный вентиль в замкнутом контуре, часть её испаряется, отчего происходит снижение давления и температуры. Далее она попадает в теплообменник, который взаимодействует с окружающей средой, забирая у неё тепло и передавая его обратно в систему.
Дроссельный клапан отвечает за управление потоком хладагента в сторону испарителя, и при выборе этого элемента важно учитывать параметры всей системы, чтобы клапан соответствовал им.
При прохождении теплоносителя через терморегулирующий клапан происходит частичное испарение жидкости, что вызывает снижение температуры потока (+)
Выбор типа теплового насоса
Ключевым показателем данной системы отопления является мощность. Она напрямую влияет как на затраты на оборудование, так и на выбор источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность теплового насоса, тем выше будет стоимость его комплектующих.
В первую очередь внимание следует уделить мощности компрессора, глубине скважин для геотермических зондов или площади, необходимой для установки горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты помогают гарантировать эффективную работу системы.
Если на вашем участке есть водоём, лучше всего подойдёт тепловой насос с водяной системой. Это наиболее эффективный выбор с точки зрения производительности.
Перед установкой насоса важно оценить участок. Наличие водоёма на территории значительно упростит процессы земляных работ при использовании водяной системы.
В отличие от систем, использующих тепло земли, для которых требуется провести много земляных работ, водные тепловые насосы показывают высокую эффективность.
Тепловой насос, извлекающий энергии из грунта, подразумевает выполнение значительного количества земляных работ. Коллектор закладывается ниже уровня, где происходит сезонное промерзание.
Существует два способа использования тепла земли. Первый включает бурение скважин диаметром 100-168 мм, глубина которых может превышать 100 метров в зависимости от характеристик системы.
В такие скважины устанавливаются специальные зонды. Второй метод подразумевает использование горизонтального коллектора из труб, который нужно разместить в подземной плоскости. Для этого варианта необходима достаточно большая площадь.
Идеальными участками для укладки коллектора считаются места с влажной почвой. Хотя бурение скважин может обойтись дороже, чем горизонтальная установка коллектора, не всегда есть возможность использовать свободную площадь. Для 1 кВт мощности теплового насоса требуется от 30 до 50 м² земли.
Организация забора тепла с помощью глубокой скважины может быть чуть дешевле, чем копка котлована, но важным преимуществом остаётся экономия пространства, что особенно актуально для владельцев небольших участков.
Если на участке высоко залегают грунтовые воды, можно установить теплообменники в двух скважинах, расположенных на расстоянии 15 метров друг от друга.
В таких системах тепловая энергия извлекается путём перекачивания грунтовой воды по замкнутому контур, часть которого проходит через скважины. Такая система требует установки фильтра и периодической чистки теплообменника.
Наиболее простой и недорогой метод получения тепловой энергии — это система, работающая на воздухе. Она стала основой для холодильников, а позже легла в основу кондиционеров.
Самая элементарная система теплового насоса получает энергию из атмосферного воздуха, участвуя в обогреве летом и в охлаждении зимой. Недостаток данной системы заключается в том, что в некоторых случаях мощность агрегата может быть недостаточной.
Эффективность различных типов этого оборудования варьируется. Тепловые насосы, использующие воздух, имеют наименьшие показатели, которые также зависят от погодных условий.
Грунтовые тепловые насосы демонстрируют более стабильные результаты. Их коэффициент эффективности колеблется от 2,8 до 3,3. Наивысшую эффективность показывают системы вода-вода, благодаря стабильной температуре источника.
Следует отметить, что чем глубже размещён коллектор в водоёме, тем более стабильная температура достигается. Для генерации мощности в 10 кВт требуется примерно 300 метров трубопровода.
Ключевым фактором, оценивающим эффективность работы теплового насоса, является его коэффициент преобразования. Более высокий коэффициент указывает на более эффективное функционирование системы.
Этот коэффициент определяется как отношение теплового потока к электрической энергии, потребляемой компрессором.
Самостоятельная сборка теплового насоса
Если вы знаете принцип работы и конструкцию теплового насоса, то вполне возможно собрать и установить систему альтернативного отопления собственными силами. Прежде чем начать, необходимо произвести все необходимые расчеты основных параметров будущей системы. Для этого можно использовать специальные программы, предназначенные для оптимизации систем охлаждения.
Наиболее простая схема — это система воздух-вода. Она не требует сложных работ по созданию внешнего контура, как это происходит с водными и грунтовыми насосами. Для её установки нужно всего два канала: один для притока воздуха, другой — для отвода отработанного воздуха.
Легче всего создать тепловой насос, который берёт тепло из воздуха. Внешний вентилятор принудительно нагнетает воздух к испарителю.
Кроме вентилятора потребуется компрессор подходящей мощности. Здесь подойдут обычные компрессоры от сплит-систем, которые можно не обязательно приобретать новыми. Их можно извлечь из старого оборудования или использовать детали старого холодильника. Рекомендуется выбирать спиральные модели. Эти компрессоры имеют высокую эффективность и создают достаточное давление, что позволяет поднимать температуру.
Для создания конденсатора вам потребуется ёмкость и медная труба. Из трубы формируется змеевик. Для этого можно использовать любое цилиндрическое тело необходимого диаметра. Обернув медную трубу вокруг него, можно быстро изготовить этот элемент конструкции.
Готовый змеевик устанавливается в предварительно разрезанную поту. Для ёмкости лучше выбирать коррозионно-устойчивые материалы. После установки змеевика половинки ёмкости сваривать вместе.
Площадь змеевика можно рассчитать по следующей формуле:
МТ/0,8 РТ,
- МТ — мощность тепловой энергии, вырабатываемой системой.
- 0,8 — коэффициент теплопроводности между водой и материалом змеевика.
- РТ — разница температур входной и выходной воды.
Выбирая медную трубу для змеевика, уделяйте внимание толщине её стенок, которая должна составлять не менее 1 мм. В противном случае при намотке труба может деформироваться. Труба, по которой будет поступать хладагент, располагается в верхней части ёмкости.
Теплообменник из медной трубки можно изготовить двумя способами: либо в виде ёмкости с змеевиком, либо в виде трубы в трубе. Поскольку температура жидкости в испарителе невысока, ёмкость можно сделать из пластиковой бочки. В неё помещается контур из медного трубопровода.
Для змеевика испарителя спираль должна соответствовать выбранной высоте и диаметру ёмкости. Второй вариант — конструкция «труба в трубе», где трубка с хладагентом помещается в пластиковую трубу большего диаметра, по которой циркулирует вода.
Длина подобной трубы будет зависеть от запланированной мощности насоса и может составлять от 25 до 40 метров. Эту трубу затем закручивают в спираль.
Терморегулирующий клапан является запорно-регулирующим элементом трубопроводной арматуры. В качестве запорного механизма используется игла, положение которой контролируется температурой в испарителе.
Этот важный элемент системы имеет сложную конструкцию и включает в себя:
- Термоэлемент.
- Диафрагма.
- Капиллярная трубка.
- Термобаллон.
Элементы системы могут выйти из строя при высоких температурах, поэтому, выполняя пайку, следует защищать клапан асбестовой тканью. Регулирующий клапан следует подбирать в соответствии с производительностью испарителя.
После завершения работы по изготовлению основных конструктивных элементов наступает ключевой момент — сборка всей системы в единый блок. Наиболее ответственный процесс — закачка хладагента или теплоносителя в систему.
Самостоятельное выполнение данной операции может быть затруднительным для обычного человека. Необходимо обратиться к специалистам, занимающимся ремонтом и обслуживанием климатической техники.
Сотрудники данной области, как правило, располагают всем необходимым оборудованием. Они способны не только заправить систему хладагентом, но и провести тестирование ее работы. Неправильная закачка хладагента может привести к серьезным повреждениям системы и даже к травмам. Для корректного запуска системы также требуется специализированное оборудование.
При запуске системы наблюдается кратковременное увеличение нагрузки, достигающее приблизительно 40 А. Поэтому для запуска системы без использования пускового реле это невозможно. После первого запуска требуется произвести настройку клапана и давления хладагента.
К выбору хладагента необходимо подойти очень внимательно. Это вещество является основным «переносчиком» тепловой энергии. Среди современных хладагентов наибольшей популярностью пользовались фреоны, которые представляют собой производные углеводородов, где часть атомов углерода заменена на другие элементы.
В результате сборки всех компонентов теплового насоса должен сформироваться замкнутый контур, по которому будет циркулировать рабочая субстанция.
В ходе выполнения данных работ была создана система с замкнутым контуром, в которой будет осуществляться движение хладагента, обеспечивающее забор и транспортировку тепловой энергии от испарителя к конденсатору. При подключении тепловых насосов к системе отопления дома следует обращать внимание на то, что температура воды, выходящей из конденсатора, не превышает 50–60 градусов.
Из-за невысокой температуры тепловой энергии, производимой тепловым насосом, оптимальными нагревательными приборами должны стать специализированные устройства. Это могут быть теплые полы или низкоинерционные радиаторы из алюминия или стали с большой теплоотдачей.
Самодельные варианты тепловых насосов могут быть наиболее приемлемыми в роли вспомогательных установок, которые поддерживают и усиливают работу основного источника тепла.
Каждый год конструкции тепловых насосов совершенствуются. В промышленных примерах, созданных для бытового применения, используются более эффективные поверхности для теплообмена. Благодаря этому производительность систем неуклонно растет.
Не менее важным аспектом, способствующим развитию технологии получения тепловой энергии, является экологическая сторона вопроса. Эти системы не только эффективны, но и не наносят вреда окружающей среде. Отсутствие открытого пламени делает их эксплуатацию полностью безопасной.
Заключение и полезные видео по теме
Видео #1. Как создать простой самодельный тепловой насос с теплообменником из РЕХ трубы:
Видео #2. Продолжение инструкции:
В качестве альтернативного способа отопления тепловые насосы используются на протяжении длительного времени. Они демонстрируют надежность, длительный срок службы и, что также важно, не оказывают негативного воздействия на окружающую природу. Их начинают воспринимать как новый этап в развитии эффективных и безопасных систем отопления.
Есть вопросы или хотите поделиться интересным способом создания теплового насоса, который не упомянут в статье? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в блоке ниже.