Тепловой насос для отопления дома своими руками

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.

1. В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
2. 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.
3. Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
4. 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).

Тепловой насос: принцип работы, сферы применения

Создано при поддержке FORUMHOUSE

Мы получаем тепло за счёт сжигания дров, угля, нефтепродуктов и газа. Но эти привычные для нас способы отопления на самом деле примитивные и опасные: они безвозвратно тратят ресурсы земли и загрязняют атмосферу. Продолжаться долго так не может. Поэтому на смену традиционным способам приходят энергоэффективные технологии, которые могут генерировать тепло из земли и воздуха, не причиняя вреда природе.

Что такое тепловой насос?

Тепло находится везде: в воздухе, воде и земле. Тепловой насос — это повышающий трансформатор теплоты, — устройство, которое забирает тепло из окружающей среды и передаёт его в систему отопления и горячего водоснабжения. При работе теплового насоса энергия тратится не на прямой нагрев теплоносителя, а на перекачку и преобразование тепла из окружающей среды в дом. Так достигается высокая энергоэффективность прибора: при затрате 1 киловатта электричества на работу компрессора, вырабатывается 3–5 кВт тепловой энергии (тепловой коэффициент СОР 3–5 единиц).

Какие бывают тепловые насосы?

Тепловые насосы подразделяются на три вида:

• Аэротермальные (воздушные), которые получают тепловую энергию из атмосферы.
• Геотермальные, добывающие тепло из земли.
• Акватермальные (водные) — класс оборудования, использующий тепло водной среды: реки, озера, моря, подземного водоносного слоя.

Аэротермальный насос забирает тепло через воздушный теплообменник — уличный радиатор. Геотермальные насосы получают тепловую энергию из земли через геотермальные поля — это проложенные горизонтально под поверхностью земли трубы, либо скважины (зонды), куда трубы устанавливается вертикально. Зонды могут также располагаться и под углом, так как не на всех участках есть возможность пробуриться в глубину. Коллекторы акватермального насоса помещаются в водоём или водяную скважину.

Геотермальные тепловые насосы работают более эффективно благодаря стабильной температуре грунта круглый год. У аэротермальных насосов тепловой коэффициент (СОР) падает при наружной температуре от -15 °C. Водные тепловые насосы зависят от качества воды: водоросли, известковый налёт, коррозия — эти факторы значительно снижают производительность устройства.

Как работает воздушный тепловой насос?

Работа любого теплового насоса делится на три этапа:

• сбор тепла из окружающей среды;
• повышение температуры собранного тепла;
• передача тепла в систему отопления и ГВС.

Отличается только способ получения низкопотенциального тепла из окружающей среды. У воздушного теплового насоса это осуществляется следующим образом:

• По испарителю воздушного теплонасоса циркулирует хладагент — фреон. Эта незамерзающая и легкоиспаряющаяся жидкость, которая закипает при низких температурах. Температура фреона всегда ниже температуры воздуха и, следовательно, под её воздействием хладагент закипает и преобразуется в пар. Это называется теплообмен в температурном дифференциале.
• Парообразный фреон поступает в компрессор, где сжимается. Под воздействием высокого давления пар хладагента разогревается: температура сжатых паров фреона может достигать 128 °C. Это тепло поступает в конденсатор.
• В конденсаторе горячий фреоновый пар передаёт тепловую энергию в контур отопления и нагрева воды. При отдаче тепловой энергии пар охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, но сохраняет при этом высокое давление. И также температура хладагента на этом этапе ещё недостаточна для нового цикла поглощения тепла из окружающей среды. Поэтому после теплообменника фреон проходит через дроссельный вентиль, где понижается давление и падает температура. После этого хладагент идёт в наружный контур для прохождения повторного цикла.

Как работает геотермальный и акватермальный тепловые насосы?

Принцип работы этих тепловых насосов отличается только получением тепла из окружающей среды. Здесь в качестве теплообменника выступает контур из труб, проложенных под землёй или погруженных в воду. По трубам циркулирует не хладагент, как у воздушных насосов, а посредник — пропиленгликоль, спирт или водно-гликолевая смесь. Именно эти жидкости аккумулируют полученное из воды или почвы тепло и передают его в испаритель установки.

Теплоноситель поступает в испаритель, нагревает фреон, превращая его в пар. Парообразный фреон проходит через компрессор, где сжимается и нагревается. После этого он также попадает в конденсатор, где и передаёт тепло отоплению и горячему водоснабжению. Цикл завершается, когда хладагент проходит через дроссельный вентиль, где происходит процесс снижения давления и охлаждения. Охлаждённый фреон снова попадает в испаритель.

Если упрощённо: тепло воздуха, воды или земли требуется лишь для того, чтобы вскипятить фреон и превратить его в пар. Далее в компрессоре пар под воздействием давления разогревается до высоких температур, энергия которых идёт на подогрев воды в системе отопления и ГВС. Так низкопотенциальное тепло внешней среды преобразуется в высокие температуры теплоносителя контура отопления.

Как повысить эффективность работы теплового насоса?

Немаловажную роль в производительности теплового насоса играет отопительная система. Наиболее эффективно оборудование функционирует с низкотемпературными системами отопления: тёплым водяным полом; фанкойлами (вентиляторными теплообменниками). Дело в том, что тепловой насос работает максимально продуктивно при температуре от 35–40 °C на выходе, а это соответствует оптимальной температуре теплоносителя в системе водяного тёплого пола или воздушного отопления.

Может ли тепловой насос охлаждать?

Тепловые насосы могут не только нагревать, но и охлаждать — использоваться для кондиционирования. То есть, устройство может забирать тепло из помещения и выводить его наружу по такому же принципу, но только в обратном порядке. Холодильник — это тоже тепловой насос. Этот бытовой прибор не производит холод, он просто удаляет всё тепло из герметичной теплоизоляционной камеры.

В каких сферах применяются тепловые насосы?

Тепловые насосы применяются для отопления и кондиционирования промышленных объектов, муниципальных зданий, многоэтажных и частных жилых домов. Данная технология способна заменить все традиционные способы отопления. Пример тому Швеция, где при помощи тепловых насосов отапливается более 90% зданий различного назначения. Геотермальные и аэротермальные насосы широко распространены в Европе, США, Японии.

Кому подойдёт этот вид отопления?

Для функционирования тепловому насосу требуется только электричество. Этот вид отопления подойдёт для частных домов, расположенных вдали от газовых магистралей или где подключение к газу неоправданно дорого. Тепловой насос отлично подходит для негазифицированных посёлков, где не хватает мощности для установки электрического котла. Данный вид отопления пользуется популярностью у тех, кто не желает жить на «пороховой бочке», то есть подходит людям опасающимся удушья или взрыва при утечке газа. Тепловой насос можно применить на коммерческих объектах в качестве энергоэффективного отопления.

Какую опасность представляет тепловой насос?

В тепловом насосе не сжигается топливо; он не производит вредные выбросы в атмосферу и отходы в окружающую среду. Это пожаро/взрывобезопасное и экологически чистое устройство. Хладагент циркулирует по закрытому контуру и опасности для природы и человека не представляет.

На что обращать внимание при выборе теплового насоса?

Как мы упоминали, тепловые насосы делятся на три вида: аэротермальные, акватермальные и геотермальные. Первые работают от атмосферного тепла и у них есть два существенных недостатка: температурные перепады и регулярное загрязнение радиатора. При сильных морозах тепловой коэффициент (СОР) падает до 1, вместо заявленных 3–5. И также постоянное загрязнение уличных радиаторов снижает эффективность аэротермальных насосов. Эти установки больше подходят для умеренного климата с мягкими зимами.

Акватермальные насосы требовательны к качеству воды и их эффективность падает, когда контур теплоносителя загрязняется или покрывается налётом.

Для наших условий наилучший выбор — это геотермальные тепловые насосы. Система «грунт-вода» является наиболее удобной, надёжной и эффективной для отопления и горячего водоснабжения дома. Связано это с почти постоянной температурой почвы в течение всего года. Геотермальное поле закладывается ниже отметки промерзания грунтов, что позволяет установке функционировать стабильно и выдавать высокий тепловой коэффициент. Например, СОР геотермальных тепловых насосов серии ФХ (ФХ-401 , ФХ-405 , ФХ-415) до 5 единиц!

При выборе оборудования важно, чтобы оно не только банально нагревало воду, но и обладало расширенными характеристиками, отвечающим требованиям современного теплового насоса. Возьмём для примера геотермальный тепловой насос IQ (инвертор) ФХ-415. Установка оснащена: устройством для удалённого доступа; автоматическим перезапуском при отключении электричества; защитой циркуляционных насосов; защитой от перекоса фаз; режимом климат-контроля по температуре воздуха; недельным графиком работы; погодозависимым режимом; управлением ТЭНом бака ГВС; энергонезависимой памятью; шумоизоляцией корпуса. Это гарантирует надёжность, долговечность и высокую энергоэффективность оборудования.

Как вы относитесь к таким системам отопления? Напишите в комментариях.

Друзья, нас уже больше 85 тысяч! Поставьте лайк, подпишитесь на канал, поделитесь публикацией — мы работаем , чтобы вы получали полезную и актуальную информацию!