Первоначальные модели тепловых насосов не полностью удовлетворяли спросу на тепловую энергию. Новые модификации отличаются большей эффективностью и подходят для отопительных систем. Из-за этого многие владельцы жилья стремятся установить тепловой насос самостоятельно.
Расскажем, как подобрать лучший тепловой насос, учитывая особенности участка установки. В статье детально изложен принцип работы систем «зелёной энергии», указаны их различия. Следуя нашим советам, вы с легкостью выберете эффективный тип.
Для умелых мастеров предлагаем технологию сборки теплового насоса с подробными схемами, фото и видеоуроком в двух частях.
Что такое тепловой насос и как он работает?
Тепловой насос – это система оборудования, предназначенная для сбора тепловой энергии и доставки ее к потребителям. Источники энергии могут быть различными объектами или средами с температурой не ниже +1 градуса Цельсия.
В окружающей среде предостаточно источников низкотемпературного тепла: промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и другие. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома необходимы три самостоятельно восстанавливающихся природных источника — воздух, вода, земля.
Три перечисленных поставщика энергии напрямую зависят от солнечного излучения: ветер движется за счет нагретого солнцем воздуха, а земля получает тепловую энергию от солнца. При выборе источника определяют тип тепловых насосных систем.
Тепловые насосы функционируют за счёт способности объектов переносить тепло другим объектам. В системах с тепловыми насосами получатели и поставщики энергии действуют совместно.
Существуют такие типы тепловых насосов:
- Воздух — вода.
- Земля — вода.
- Вода — воздух.
- Вода — вода.
- Земля — воздух.
- Вода — вода
- Воздух — воздух.
Первое слово определяет среду, у которой система забирает тепло при низких температурах. Второе указывает на вид носителя, которому передаётся эта энергия. В тепловых насосах это вода — вода: тепло забирается из водной среды, а в качестве теплоносителя используется жидкость.
В современных тепловых насосах применяют три главных принципа работы. источника тепловой энергииЭто — почва, вода и воздух. Самый простой из этих вариантов — воздушный тепловой насосЭти системы пользуются спросом из-за своей простой конструкции и легкого монтажа.
Несмотря на большую популярность, эти виды отличаются низкой производительностью. Эффективность работы также нестабильна и подвержена сезонным изменениям температуры.
С понижением температуры производительность таких тепловых насосов значительно снижается.
Варианты оборудования, использующего тепло грунтаСолнечные батареи считаются более эффективными. Грунт получает и накапливает тепловую энергию не только от солнца, но и за счёт энергии земного ядра.
Грунт действует как аккумулятор тепла с почти неограниченной мощностью. Температура земли, особенно на определённой глубине, стабильна и меняется незначительно.
Применение тепловых насосов для получения энергии.
Постоянство температуры источника важно для стабильной и эффективной работы этого энергетического оборудования. Аналогичные характеристики имеют системы, использующие воду как основной источник тепловой энергии. Коллекторы таких насосов устанавливают в скважинах, где он находится в водоносном слое, или в водоемах.
Среднегодовая температура грунтовых и водных источников колеблется в пределах от +7°С до +12°С. Такой температурный диапазон подходит для эффективной работы системы.
Основные компоненты тепловых насосов
Установка для получения энергии по принципу действия теплового насоса требует наличия четырех основных агрегатов.
- Компрессор.
- Испаритель.
- Конденсатор.
- Дроссельный клапан.
Компрессор — важная часть конструкции теплового насоса. Его задача — повышать давление и температуру паров, которые образуются при кипении хладагента. В климатической технике и особенно в тепловых насосах используются современные спиральные компрессоры.
Компрессоры созданы для работы в холодных условиях. В отличие от других типов спиральные компрессоры работают тихо и эффективно как при низких температурах кипения газа, так и при высоких температурах конденсации. К их преимуществам относятся компактность и малый вес.
Испаритель — это ёмкость, где жидкий хладагент переходит в пар. Хладагент, циркулируя по замкнутому контуру, нагревается в испарителе и превращается в пар. Пар под низким давлением направляется к компрессору.
Под воздействием давления в компрессоре пара хладагента нагревается. Затем компрессор закачивает горячий пар под высоким давлением в конденсатор.
В системе следующим элементом служит конденсатор. Его предназначение – отдача тепла внутреннему контуру отопительного оборудования.
Промышленные производства выпускают серийные изделия с пластинчатыми теплообменниками. Для изготовления подобных конденсаторов применяют легированную сталь или медь.
Терморегулирующий, или дроссельный, клапан размещают в начале участка гидравлического контура, где среда высокого давления трансформируется в среду с низким давлением. Дроссель вместе с компрессором разделяют контур теплового насоса на две части: с высокими и низкими параметрами давления.
Пройдя через расширительный дроссельный вентиль, жидкость замкнутого контура частично испаряется. Давление и температура снижаются. Далее поступает в теплообменник, соединенный с окружающей средой. Там забирает энергию среды и передает ее обратно в систему.
Регулирование потока хладагента к испарителю осуществляется дроссельным клапаном.
При подборе клапана необходимо принимать во внимание характеристики системы.
Выбор типа теплового насоса
Главным показателем этой системы обогрева выступает мощность. От неё в первую очередь зависят финансовые затраты на покупку оборудования и выбор того или иного источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность тепловой насосной системы, тем больше стоимость комплектующих элементов.
Первостепенное значение имеют мощность компрессора, глубина скважин при использовании геотермических зондов или площадь участка для размещения горизонтального коллектора. Точные термодинамические расчеты служат залогом эффективной работы системы.
Вначале требуется осмотреть территорию, предназначенную для установки насоса. Желательно, чтобы на ней располагался водоем. Использование варианта типа вода-вода Уменьшит объём земляных работ.
Использование тепла почвы требует значительных земляных работ. Самыми эффективными системами являются те, которые для низкотемпературного тепла применяют воду.
Тепловую энергию земли возможно извлекать двумя методами. Первый заключается в бурении скважин диаметром 100-168 мм. Глубина таких скважин варьируется в зависимости от параметров системы и может составлять 100 метров и больше.
В скважины устанавливают особые датчики. Второй способ предполагает использование трубопровода-коллектора, который помещается под землёй в горизонтальном положении. Этот вариант требует значительной площади.
Для укладки коллекторов предпочтительны участки с влажным грунтом. Бурение скважин затратнее, чем горизонтальное размещение коллектора. Однако не все участки имеют свободные площади. На один кВт мощности теплового насоса требуется от 30 до 50 м² площади.
При высоком залегании грунтовых вод теплообменники можно разместить в двух скважинах, расстояние между которыми около 15 метров.
В этих системах тепловую энергию выделяют за счёт циркуляции грунтовых вод по замкнутому контуру, часть которого размещается в скважинах. Такой подход требует установки фильтра и регулярной очистки теплообменника.
Наиболее простой и доступный вариант теплового насоса использует энергию из воздуха. Ранее эта схема легла в основу работы холодильников, а позднее по такому же принципу создавались кондиционеры.
Эффективность разных видов этого оборудования разная. Самыми низкими результатами отличаются насосы с применением воздуха. Эти показатели еще и прямо связаны с погодой.
Грунтовые модели тепловых насосов демонстрируют устойчивые характеристики. Эффективность этих систем колеблется от 2,8 до 3,3. Максимальную производительность показывают системы «вода-вода». Такой результат обусловлен стабильностью температуры источника.
Глубина погружения насосного коллектора в водоем влияет на стабильность температуры. Для достижения мощности системы 10 кВт требуется приблизительно 300 метров трубопровода.
Эффективность работы теплового насоса измеряется его коэффициентом преобразования.
Установка теплового насоса самостоятельно.
Понимая принцип работы и конструкцию теплового насоса, можно собрать и установить его своими руками. систему альтернативного отопления Возможен такой исход. До начала работ нужно определить ключевые характеристики будущей системы. Для расчета характеристик насоса можно использовать программу, помогающую оптимизировать системы охлаждения.
Самым легким в строительстве является… система воздух-водаДля установки не понадобится сооружать сложный внешний контур, как у водяных и грунтовых моделей тепловых насосов. Достаточно двух каналов: один для подачи воздуха, другой – для удаления отработанной массы.
Помимо вентилятора нужно приобрести компрессор достаточной мощности. сплит-системы. Необязательно покупать новый агрегат.
Его можно извлечь с устаревшей техники или применить. комплектующие старого холодильникаРекомендуется использовать спиральные модели компрессоров. Такие устройства обладают высокой эффективностью и способны создавать давление, приводящее к повышению температуры.
Чтобы создать конденсатор, потребуется емкость и медная труба. Из трубы формируют змеевик. Любое цилиндрическое тело заданного диаметра годится для его изготовления. Намотав на него медную трубу, можно просто и оперативно изготовить этот элемент конструкции.
Готовый змеевик устанавливают в заранее разрезанную пополам емкость. При изготовлении емкости желательно применять материалы, устойчивые к коррозии. После размещения змеевика половинки резервуара спаивают.
Формула для расчета площади змеевика представлена ниже:
МТ/0,8 РТ,
где:
- МТ Тепловая мощь системы.
- 0,8 Теплопроводность воды при контакте с материалом змеевика.
- РТ Перепад температуры воды при прохождении.
При самостоятельном изготовлении змеевика из медной трубы необходимо учитывать толщину стенок, которая должна быть не менее 1 мм. В противном случае при намотке труба будет деформироваться. Трубу, по которой подаётся хладагент, размещают в верхней части емкости.
Чем обширнее поверхность змеевика, тем эффективнее насос.
Тепловой насос может иметь испаритель двух видов: резервуар с медным змеевиком или трубу в трубе. Из-за низкой температуры жидкости в испарителе, резервуар может быть изготовлен из пластиковой бочки. В него помещается контур из медной трубы.
В отличие от конденсатора спираль змеевика испарителя должна соответствовать диаметру и высоте выбранной емкости. Второй вариант испарителя — труба в трубе. В таком варианте трубка с хладагентом размещается в пластиковой трубе большего диаметра, по которой циркулирует вода.
Длина трубы определяется мощностью насоса и варьируется от 25 до 40 метров. Трубу скручивают в спираль.
Терморегулирующий клапан — это вид регулирующей арматуры для труб. В качестве запорного элемента в нем выступает игла. Позиция иглы зависит от температуры в испарителе.
Важный элемент системы отличается сложной конструкцией. Состав его включает:
- Термоэлемент.
- Диафрагма.
- Капиллярная трубка.
- Термобаллон.
При высоких температурах эти элементы могут выйти из строя, поэтому в процессе пайки системы необходимо изолировать клапан тканью из асбеста. Регулирующий клапан должен быть подходящим по производительности для испарителя.
После завершения изготовления основных несущих элементов наступает важный этап – сборка всего сооружения в целостный блок. процесс закачки хладагента или теплоносителя в систему.
Проведение такой операции самостоятельно сложно для рядового гражданина. Нужно обращаться к специалистам, разбирающимся в ремонте и обслуживании климатической техники.
Работники этой области обычно имеют нужное оборудование. Помимо заправки хладагентом они могут проверить работоспособность системы. Неправильная закачка хладагента может привести не только к поломке конструкции, но и к тяжелым травмам. Для запуска системы также требуется специальное оборудование.
Запуск системы сопровождается пиковой нагрузкой в 40 ампер, из-за чего без пускового реле запустить систему невозможно. После первого запуска требуется настроить клапан и давление хладагента.
Выбор хладагента имеет большое значение, поскольку это вещество является основным «переносчиком» тепловой энергии. Из современных хладагентов наибольшую популярность получили фреоны.
Работы завершены, получена система с замкнутым контуром для циркуляции хладагента. Хладагент отбирает тепловую энергию у испарителя и переносит к конденсатору. При подключении тепловых насосов к системе теплоснабжения дома необходимо помнить, что температура воды на выходе из конденсатора не превышает 50 — 60 градусов.
Из-за малой температуры тепловой энергии, которую производит тепловой насос, потребителями тепла должны быть специализированные приборы отопления, например, теплые полы или объемные радиаторы из алюминия или стали с большой площадью излучения, имеющие низкую инерционность.
Самодельными тепловыми насосами лучше всего пользоваться как дополнительным оборудованием, которое подкрепляет функционирование главного источника тепла.
Тепловые насосы ежегодно становятся всё совершеннее. Промышленные модели для бытовых нужд оснащаются более эффективными теплообменниками. Благодаря этому производительность систем непрерывно увеличивается.
Развитие такой технологии производства тепловой энергии стимулирует экологическая составляющая. Такие системы – весьма эффективные и не загрязняют окружающую среду. Отсутствие открытого пламени делает работу абсолютно безопасной.
Выводы и полезное видео по теме
Видео 1. Изготовление простого самодельного теплового насоса с теплообменником из трубы РЕХ.
Видео #2. Продолжение инструктажа:
Тепловые насосы давно применяются как альтернативные системы отопления. Их отличает надежность, длительный срок службы и экологичность. Как очередной шаг к развитию эффективных и безопасных систем отопления их все более серьезно рассматривают.
Есть вопросы по теме тепловых насосов или хотите поделиться интересными идеями их строительства? Оставьте комментарий ниже.