Как изготовить тепловой насос воздух-вода: схемы и пошаговая инструкция по сборке

С учетом постоянного роста цен на энергоресурсы, альтернатива в виде других способов отопления становится все более актуальной. Одним из таких решений является тепловой насос воздух-вода, который применяет энергию окружающего воздуха для отопления. Этот аппарат отличается низкими затратами на материалы, простотой в использовании и безопасностью.

Из-за высокой стоимости промышленного производства таких устройств многие начинают интересоваться возможностью самостоятельно собрать тепловой насос. В данной статье мы поделимся информацией о том, что потребуется для создания такого насоса и какие инструменты понадобятся домашнему мастеру.

Характеристики тепловой системы воздух-вода

Тепловой насос, о котором пойдет речь, имеет несколько преимуществ по сравнению с другими вариациями, такими как вода-вода и грунт-вода:

• перерасход электроэнергии значительно снижен;
• при установке не требуется глубокой раскопки, бурения скважин или получения специальных разрешений;
• подключение к солнечным панелям может обеспечить полную автономность устройства.

Одно из самых значительных достоинств системы, использующей атмосферную энергию, заключается в ее полной экологической безопасности.

Перед началом сборки устройства важно выяснить, в каких условиях этот насос будет максимально эффективен, а когда его использование может оказаться нецелесообразным.

Тепловой насос, получающий энергию из воздуха, способен подогревать различные теплоносители, которые активно используются на территории СНГ: воду, воздух и пар.

Специфика работы и применения

Тепловой насос эффективно функционирует в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре выше +7 градусов он будет генерировать больше тепла, чем требуется, а при температуре ниже -5 градусов — недостаточно для обогрева. Это связано с тем, что фреон внутри устройства закипает при -55 градусах.

Установка теплового насоса воздух-вода на фасаде здания создает небольшое, аккуратное устройство.

Как и в случае с любым тепловым насосом, система воздух-вода состоит из двух взаимосвязанных элементов: внешнего и внутреннего блока.

Внутренний блок, находящийся в доме, перерабатывает энергию, полученную из воздуха, и нагревает воду для системы отопления и горячего водоснабжения.

При необходимости для повышения производительности система может быть дополнена дополнительными модулями.

Тепловые насосы воздух-вода эффективно нагревают воду, которая используется в системах отопления.

Такие установки способны обеспечить горячей водой санузлы и кухни в домах с автономными инженерными сетями.

Одним из основных использователей энергии от тепловых насосов воздух-вода является система водяного теплого пола.

К тепловому насосу, как к источнику энергии, подключаются низкотемпературные контуры.

Установка теплового насоса воздух-вода

Компоненты системы воздух-вода

Внутренний блок системы воздух-вода

Составные части внешнего блока насоса

Тепловой насос в системах парового и водяного отопления

Подготовка воды для поставки в контуры горячего водоснабжения

Теплый пол — один из основных потребителей

Приборы низкотемпературных отопительных контуров

Хотя по теории система может производить тепло даже при -30 градусах, этого будет недостаточно для эффективного обогрева, так как теплопроизводительность напрямую зависит от разницы температур между кипением хладагента и атмосферой.

Таким образом, для жителей северных районов, где зимние холоды приходят раньше, данная система может не подойти, в то время как на юге ее использование будет оправдано на протяжении нескольких холодных месяцев.

При наличии обычных батарей эффективность работы теплового насоса снижается. Наилучшие результаты достигаются при использовании конвекторов, либо радиаторов с увеличенной площадью, а также в системах «теплый пол» и «теплые стены» водяного типа.

Помещение должно быть хорошо утеплено снаружи и иметь многокамерные окна, которые обеспечивают лучшую теплоизоляцию по сравнению с традиционными деревянными или пластиковыми окнами.

Тепловой насос наилучшим образом работает с водяной системой «теплый пол», в которой температура теплоносителя не превышает 40–45°С.

Самодельный насос сможет качественно обогревать площади до 100 квадратных метров и обеспечивать мощность около 5 кВт. Однако стоит учитывать, что залить фреон должным образом в самодельное устройство не всегда возможно, поэтому стоит ожидать, что температура его кипения может достигать -22 градусов.

Такое устройство идеально подойдет для обогрева гаража, теплицы, подсобных помещений или небольшого частного бассейна и обычно используется как дополнительный источник тепла.

Тем не менее, в любой ситуации для отопительного сезона все равно потребуется электрокотел или другое традиционное оборудование. В условиях сильных морозов (от -15 до -30 градусов) рекомендуется отключать тепловой насос, чтобы избежать ненужных затрат на электроэнергию, поскольку его эффективность в этот период составляет не более 10%.

Тепловые насосы обеспечивают достаточное количество энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах (+)

Принцип функционирования системы

В качестве рабочего вещества в данном устройстве выступает воздух. Через наружный блок, который устанавливают на улице, кислород по трубам поступает в испаритель, где взаимодействует с хладагентом.

Под влиянием температуры фреон превращается в газ (так как он закипает при -55 градусах) и в нагретом состоянии под давлением поступает в компрессор, который сжимает газ, повышая его температуру.

Горячий фреон попадает в накопительный бак (конденсатор), где происходит передача тепла воде, которая затем может использоваться для отопления и горячего водоснабжения. В конденсаторе фреон теряет лишь часть своего тепла, оставаясь при этом в газообразном состоянии.

Проходя через дроссель, хладагент распыляется, в результате чего его температура падает. Фреон снова становится жидким и переходит к испарителю. Цикл начинается заново.

На схеме представлена схема работы базового теплового насоса, разделенного компрессором и расширителем на два контура: высокого и низкого давления.

Тем, кто хочет сконструировать тепловой насос из подручных материалов и бывшего в употреблении оборудования, например, старого холодильника, будет полезна информация, представленная в нашей рекомендованной статье.

Процесс сборки теплового насоса воздух-вода

Система теплового насоса включает четыре основных компонента:

• внешний блок;
• контейнер для теплообмена и испарения;
• блок компрессора;
• накопительный бак (конденсатор).

Давайте рассмотрим детали сборки каждого из блоков.

Сборка внешнего блока

Для создания наружного блока понадобятся:

• Корпус. Подойдет блок от сплит-системы, стиральной машины или другой крупной техники; иногда его изготавливают самостоятельно, сварив на металлических элементах. Важно завершить сборку, обработав металл антикоррозийной порошковой краской.
• Вентилятор. Его можно использовать из старой системы кондиционирования или приобрести отдельно.

Вентилятор должен иметь широкие пластиковые лопасти и, желательно, возможность отделения мотора, чтобы его можно было подключить к датчику.

При создании наружного блока нужен корпус и вентилятор от системы кондиционирования. Размеры блока могут быть приблизительно 75х85х30 см.

Также в наружный блок можно установить испаритель и другие компоненты для его работы, однако разумнее будет разместить эти детали в отдельном корпусе.

Устанавливать наружный блок следует на расстоянии 2-10 метров от здания. Важно построить под него фундамент и сделать навес, чтобы защищать конструкцию от осадков. Также необходимо установить решетку перед вентилятором, чтобы предотвратить попадание грязи, мусора и листьев в лопасти и трубы вентилятора.

Также рекомендуется установить обогреватели для защиты боковин и панелей от обледенения. В этом случае дополнительный прогрев корпуса не потребуется. Место для установки блока должно быть хорошо вентилируемым и находиться на безопасном расстоянии от источников открытого пламени.

Блок с теплообменником-испарителем

Испаритель можно приобрести готовым, воспользовавшись предложениями магазинов, либо изготовить его самостоятельно. Для этого понадобится 80-литровый бак и медная проволока диаметром 10 мм и толщиной не менее 1 мм.

Длина проволоки выбирается в зависимости от необходимой мощности. Например, для устройства мощностью 5 кВт подойдёт около 10 метров. В испарителе будет проходить нагрев и циркуляция фреона, также он будет контактировать с воздухом.

Для создания теплообменника следует сделать змеевик. Для этого проволоку обматывают вокруг толстой трубы, диаметр которой не должен превышать ширину бака. Важно оставить срезы, которые будут выступать выше корпуса. Они нужны для соединения змеевика с другими элементами системы – компрессором и накопительным баком.

Для создания змеевика используйте медную трубку толщиной около 1 мм, обернутую вокруг газового баллона, трубы или пластиковой бутылки, наполненной водой.

В корпусе следует установить два штуцера для подсоединения трубопроводов и два выхода для проволоки. Соединения герметизируются, а готовая конструкция крепится с помощью L-образных кронштейнов.

Рекомендуется установить реле оттаивания на испаритель, так как в бачке будет происходить циркуляция холодного воздуха. В таких условиях конденсат, который накапливается в системе, может привести к обмерзанию испарителя. Кроме того, для предотвращения образования влаги целесообразно установить фильтр-осушитель в систему.

Установка компрессора: ключевые моменты

Для монтажа компрессора необходимо обеспечить ему отдельный корпус с хорошими звуко- и виброизоляционными свойствами, поскольку большинство моделей работают довольно шумно. Вы можете использовать бывший в употреблении компрессор от холодильника или кондиционера, либо приобрести новую единицу.

При выборе компрессора для тепловых насосов стоит обратить внимание на следующие варианты:

1. Роторные компрессоры – это наиболее доступный по цене вариант, но они имеют некоторые минусы: значительно шумят, их эффективность низкая, срок службы составляет 8-10 лет.
2. Спиральные компрессоры, применяемые в большинстве современных кондиционеров и холодильников, имеют длительный срок службы (15-20 лет), работают почти бесшумно и отличаются высокой эффективностью, однако стоимость их может быть довольно высокой.
3. Поршневые компрессоры чаще всего устанавливаются на промышленные холодильные установки. Их КПД хороший, срок службы также длительный (15-20 лет), но они очень громкие и требуют значительных затрат.

Для теплового насоса лучше всего подать однофазный компрессор. Не забудьте узнать, с каким типом фреона работает выбранное устройство. Рекомендовано использовать модели, совместимые с R22, с предпочтением на R422, так как с таким хладогентом гораздо проще работать.

Компрессор соединяется с блоком испарителя и конденсатора с помощью трубопроводов, что позволяет хладагенту увеличивать свою температуру.

Создание накопительного устройства (конденсатора)

Для сборки конденсатора вам понадобится корпус от 100-литрового бойлера или аналогичный нержавеющий бак. Также необходимо использовать медный змеевик, можно взять проволоку длиной около 12 метров для насоса мощностью 5 кВт. Горячий фреон будет проходить через этот змеевик, что способствует нагреву воды.

Этап 1: Изготовление змеевика

Для создания змеевика потребуется медная проволока не менее 26 мм в диаметре и толщиной стенки от 1 мм. Проволоку следует аккуратно намотать на трубу меньшего диаметра, чем бак.

Высота спирали должна совпадать с высотой корпуса, также важно оставить выходы трубы за пределами емкости, чтобы иметь возможность подключить змеевик к испарителю и компрессору.

Этап 2: Подготовка корпуса

Для установки змеевика необходимо проделать отверстия в корпе. Нужно создать два отверстия для выхода медной проволоки сверху и снизу, а также вырезать дополнительные секции для установки двух штуцеров: один для выхода, другой для входа воды. После завершения этих работ емкость следует герметизировать.

Можно отдельно приобрести теплообменник-компрессор в готовом виде, это поможет увеличить мощность и эффективность всей системы.

К 2030 году согласно Монреальским соглашениям планируется прекратить использование хладагента R22. В этом случае лучше выбирать его заменитель – хладагент R422.

Соединение внешнего блока и испарителя

Для соединения наружного блока с испарителем необходимо использовать два полиэтиленовых трубопровода ПНД диаметром 32. Один будет предназначен для подачи воздуха, другой – для его выхода.

Трубы можно закопать в землю, предварительно посыпав песком, или оставить на поверхности, если снаружи расположена конструкция неподалеку от дома.

Соединение испарителя, компрессора и бака

В данной системе происходит циркуляция фреона. Для подключения змеевиков к компрессору и дросселю рекомендуется обратиться к профессионалам в области холодильной техники. Неподготовленному человеку, даже обладая инструментами и материалами, будет сложно правильно соединить все элементы и обеспечить функционирование системы.

Кроме того, потребуется множество дополнительных материалов, таких как трубки различных диаметров, специальные сливные краны, клапаны для стравливания воздуха, предохранительные клапаны, а также зажимы и хомуты для трубопроводов.

Также могут понадобиться и другие специализированные инструменты, которые имеются в каждой мастерской по ремонту холодильников и кондиционеров.

Грамотная закачка хладагента требует специального оборудования, поэтому для связывания теплообменников, компрессора и дросселя в единое целое стоит обратиться к профессионалам.

Внедрение систем управления установкой

Для мониторинга давления и температуры фреона можно использовать плату с дисплеем от любого кондиционера. В процессе пайки с помощью специалистов конструкция может быть аккуратно интегрирована в установку.

Также имеется возможность подключения устройства – датчика оборотов вентилятора. Он будет регулировать скорость работы лопастей, а также автоматизировать работу циркуляционного насоса фреона.

Дополнительно можно установить таймер, электропускатель и устройства, защищающие компрессор от перегрева. Эти компоненты можно приобрести в специализированных мастерских или на рынках запчастей.

Определение мощности теплового насоса воздух-вода

Для обогрева помещений площадью от 100 кв. м потребуется мощный тепловой насос. Для расчета необходимой мощности установки можно воспользоваться справочной таблицей:

Данная таблица поможет определить площадь змеевика для создания системы нужной мощности.

Чтобы рассчитать, какая мощность потребуется для компрессора, какие диаметры труб использовать и многие другие важные параметры при монтировании теплового насоса воздух-вода, можно обратиться к одному из следующих методов:

• Использовать онлайн-калькуляторы на сайтах производителей теплообменников.
• Применить программное обеспечение CoolPack версии 1,46, Copeland.
• Вызвать специалиста для выполнения необходимых измерений и расчетов.

Площадь змеевика-конденсатора (ПЗК) можно вычислить по следующей формуле:

ПЗК = М/0,8ДТ,

где М — мощность установки в кВт; 0,8 — коэффициент теплопроводности для контакта воды с медью; ДТ — разница температур между входящим и выходящим воздухом в системе.

Приведенные параметры теплового насоса будут достаточны для эксплуатации в помещениях площадью до 100 кв. метров. Мощность установки составляет 5 кВт. Если приобрести специализированные теплообменники, возможен рост мощности установки до 10-15 кВт.

На диаграмме можно увидеть систему, в которой теплообменники, компрессор и дроссель объединены в одной емкости. Здесь использованы заводские теплообменники (+)

Уход за самодельным устройством

Для нормальной работы теплового насоса необходимо периодическое обслуживание. Если устройство работает зимой, и в корпусе нет дополнительного обогревателя, время от времени его придется отогревать, так как на поверхности может образоваться лед.

Также следует регулярно:

• Очищать лопасти вентилятора от различного мусора — листьев, пыли, грязи, снега и прочего.
• Смазывать компрессор в соответствии с его инструкцией.
• Заменять масло в компрессоре и вентиляторе.

Кроме того, для должного функционирования системы необходимо периодически проверять целостность медного трубопровода и электрического кабеля, обеспечивающего питание компрессора, вентилятора и других элементов.

Заключение и полезное видео по теме

С принципом работы и устройством теплового насоса, который преобразует энергию ветра, можно ознакомиться, просмотрев следующее видео:

Самодельный тепловой насос системы воздух-вода представляет собой эффективное и доступное решение для дополнительного обогрева жилья. Каждый желающий может создать и установить эту систему.

Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в разделе ниже. Возможно, у вас имеются интересные факты или фотографии по данной теме? Задавайте вопросы, делитесь мнением и полезными советами для наших читателей.

Видео:

Тепловой насос воздух-вода своими руками для отопления или нагрева воды. Обзор схемы. Ч. 2