Тепловой насос своими руками

Виды теплонасосов

По источнику тепловой энергии и способу ее передачи тепловые насосы делятся на несколько типов (систем):

• «грунт-вода» - водяное отопление дома с использованием энергии земли;
• «вода-вода» - водяное отопление с использованием энергии открытых водоемов или грунтовых вод;
• «воздух-вода» - водяное отопление с использованием тепла воздуха;
• «воздух-воздух» - воздушное отопление дома с использованием тепла воздуха. Из-за сложностей организации воздушного отопления (воздуховоды должны быть созданы на этапе проектирования) такой тип систем практически не используется.

Основные узлы теплового насоса

В работе теплового насоса используется три контура.

• Первый контур - внешний теплообменник. Предназначен для поглощения тепловой энергии и передачи ее в блок теплонасоса для последующего использования. Может быть в виде сети трубопровода или внешнего блока.
• Второй контур - сам тепловой насос. Предназначен для поглощения энергии от теплоносителя первого контура и нагрева третьего контура.
• Третий контур - система домашнего отопления. Подключается к теплонасосу для нагрева теплоносителя и его последующего распределения по всем отопительным приборам. 

Принцип работы

Классические тепловые насосы работают по термодинамическому принципу Карно. То есть, они поглощают тепло из внешней среды, преобразовывают его и используют его для отопления подключенных помещений.  Похожий принцип используется в бытовых холодильниках - тепло из камеры поглощается хладагентом и через радиаторы выводится наружу. 

Обоснование эффективности

В воде и земле на глубине ниже уровня естественного промерзания (1.5-2 метра) температура сохраняется постоянной практически круглый год и, как правило, не опускается ниже +5-7 градусов. Аналогичный потенциал тепловой энергии есть и в воздухе. Такой температуры достаточно для бесперебойной работы теплонасоса, основной рабочей жидкостью которого выступает хладагент с низкой температурой кипения.  Ресурс тепловой энергии во внешней среде практически неисчерпаемый, поэтому корректно установленные теплонасосы могут работать до 50-70 лет с одинаковой эффективностью. К тому же, источник тепла для этого оборудования полностью бесплатный. 

Последовательность процессов

Весь цикл работы теплового насоса делится на несколько этапов:

1. Теплоноситель, циркулирующий во внешнем теплообменнике поглощает тепло земли или воды и передает его в камеру-испаритель теплонасоса.
2. В камере-испарителе тепло поглощается жидким хладагентом, циркулирующим по второму контуру (самому теплонасосу). Получая тепло, хладагент закипает и переходит в газообразное состояние. 
3. Газ-хладагент поступает в компрессор, где происходит его сжатие. Под действием высокого давления температура газа увеличивается до 10 раз (например, с 5-7 градусов до 50-70).
4. Нагретый газ под давлением подается в конденсатор. Здесь хладагент передает тепловую энергию теплоносителю домашней системы отопления, нагревая его до 50-60 градусов. 
5. Отдавая тепло хладагент возвращается в жидкое состояние, после происходит сброс избыточного давления.
6. Жидкий хладагент повторно поступает в камеру испаритель. Этот цикл повторяется бесконечное количество раз, гарантируя бесперебойность и автономность системы отопления.

В воздушных тепловых насосах поглощение и передача тепла происходит не через теплоноситель, а напрямую - с помощью внешних блоков со встроенными приточными вентиляторами. 

Этапы сборки системы отопления на базе теплового насоса

Организовать отопление дома с помощью теплонасоса можно даже своими руками. Для этого нужно выполнить несколько этапов:

1. Собрать и установить внешний теплообменный контур.
2. Собрать и установить сам теплонасос.
3. Смонтировать систему домашнего отопления.

Создание внешнего теплообменника

Один из важных этапов самостоятельного создания теплонасоса - сборка внешнего теплообменника.  При этом, для водных/грунтовых и воздушных установок процесс будет сильно отличаться.

Сборка внешнего контура

Внешний теплообменный контур используется в грунтовых и водных теплонасосах. При этом, основные правила создания теплообменника будут общими. Так:

1. Теплообменники лучше делать их ПВХ труб. Этот материал имеет большой срок службы, может выдерживать давление земли и воды, не боится коррозии. Диаметр труб - до 40 мм. В таком случае теплоноситель сможет эффективно поглощать тепло.
2. Длина теплообменника определяется из расчета 50 Вт энергии на 1 метр трубы. То есть, для отопления дома площадью 100 квадратных метров нужен теплообменник длиной 200 метров.
3. Теплообменники для установки в грунт и в воду могут собираться зигзагом, змейкой, спиралями и U-образным профилем (для геотермальных скважин).
4. Для соединения отдельных участков трубопровода нужно использовать специальные соединения. Желательно паяные, которые не имеют слабых мест (вроде резьбы). Все нужные муфты, колена и наконечники можно купить в специальных магазинах.
5.  Расстояние между соседними прямолинейными участками контура - не меньше 150-200 мм. Это нужно для исключения паразитного теплообмена - передачи тепла «самому себе». 

Учитывая эти правила, сборка теплообменника легко выполняется даже своими руками.

Сборка внешнего блока

Внешний блок - основной инструмент поглощения тепловой энергии для воздушных теплонасосов. Это оборудование проще сделать своими руками, чем другие виды теплообменников.  Так как задача такого блока - забор воздушной массы с улицы и ее подача к испарителю, его сделать проще всего на базе старого кондиционера.  Для переработки внешнего блока сплит-системы достаточно установить в него нагревательный элемент, управляемый термостатом. Такая интеграция позволит не только подавать воздух, но и подогревать поступающий поток, когда температура на улице будет низкой (ниже +8-10 градусов).  После простой модернизации блок-нагнетатель подключается к камере-испарителю в самом теплонасосе, установленном в доме. При этом, надо предусмотреть два воздушных канала - один для притока теплого воздуха, другой для его отведения после теплообмена.

Установка теплообменника

У монтажа каждого из вида теплообменников есть свои особенности.

Установка горизонтального коллектора грунтового теплового насоса

Горизонтальный теплообменный контур размещается под землей на глубине ниже уровня естественного промерзания. Трубопровод может укладываться зигзагом, змейкой или спиралью (витками в один слой). Для такого монтажа надо предварительно выкопать соответствующие траншеи или целый котлован.  Глубина траншей котлована или траншей должна быть не меньше 1.5 метра. В зависимости от региона минимальное значение может меняться. В общем случае лучше размещать теплообменник на глубине от 2 метров. Протяженность траншей (или площадь котлована) зависит от длины теплообменного трубопровода. 
Минимальное расстояние от установленного теплообменника до дома - 3 метра. Максимальное расстояние от дома до крайней точки теплообменника - 100 метров. Перед размещением готового теплообменного контура дно траншеи или котлована обязательно расчищается от камней и неровностей. После монтажа трубопроводов фиксируется специальными анкерами, исключающими смещение.  На поверхность земли в ближней точке к дому из котлована выводятся два конца замкнутого контура - «подача» и «обратка». В дом они заводятся по аналогичным глубоким траншеям.  После окончания укладки трубопровода проводятся гидравлические испытания под давлением, затем котлован или траншеи засыпаются. На этом монтаж внешнего горизонтального коллектора заканчивается. 

Установка вертикального зонда грунтового теплового насоса

Вертикальный теплообменник геотермального теплонасоса устанавливается в скважины глубиной до 200 метров. Нужное количество скважин зависит от расчетной длины теплообменника.  При установке теплообменник фиксируется в скважине специальными кронштейнами, а после гидравлических испытаний системы скважина тампонируется - все пустоты заполняются специальным строительным составом.  Из-за сложности буровых работ и многих смежных нюансов, самостоятельно подготовить участок и смонтировать геотермальные зонды практически невозможно.  При самостоятельном создании теплонасоса от такого варианта размещения теплонасоса отказываются или доверяют эту работу монтажным организациям.

Установка  теплообменника водяного теплового насоса

Использование теплового насоса системы «вода-вода», который поглощает низкопотенциальное тепло из воды, подразумевает установку теплообменника в открытом водоеме.  Глубина размещения теплообменника - не меньше 3 метров. При этом важно, чтобы водоем находился от дома не дальше, чем 100 метров.  Трубы от дома до водоема укладываются в траншеи глубиной от 1.5 метра (в том числе на берегу). Это поможет уберечь трубы от замерзания, а систему от теплопотерь. Водный коллектор, который может быть сделан в виде зигзага, змейки или спирали, закрепляется на дне с помощью глубинных кронштейнов. При этом лучше использовать крепления из комбинированных материалов, которые не разрушатся из-за коррозии.  После укладки трубопровода проводятся гидравлические испытания контура и часть теплообменника от дома до водоема закапывается.  На этом монтажные работы заканчиваются.

Установка внешнего блока воздушного теплового насоса

Вне зависимости от типа внешнего блока воздушного теплового насоса весь его монтаж сводится к: 

• установке блока на подветренном участке загородного дома;
• подключении его систем к тепловому насосу, установленному в доме.

При этом внешний блок должен быть установлен не ниже, чем 20-30 см от земли. Между плитой кронштейна и основанием блока нужно установить резиновую прокладку или амортизаторы, которые смогут гасить вибрации. После подключения всех коммуникаций блок нужно тщательно утеплить. 

Особенности обустройства системы домашнего отопления

При использовании теплового насоса, созданного своими руками, нужно учитывать некоторые нюансы создания домашней системы отопления.

1. Теплонасосы нагревают теплоноситель до температуры не больше 60-70 градусов. Поэтому, в качестве основных приборов лучше использовать теплые полы и теплые стены.
2. При использовании радиаторов лучше выбирать приборы с небольшим количеством секций из материалов с высокой теплоотдачей.
3. На каждый используемый отопительный прибор желательно установить кран. Он позволит независимо регулировать температурный режим в каждой комнате. 
4. При выборе циркуляционного насоса системы надо предусмотреть небольшой запас производительности, который может понадобиться впоследствии. 

Конструктивные элементы блока теплонасоса

Конструктивно теплонасос представляет собой корпус, в котором установлено 4 агрегата, последовательно соединенных замкнутым контуром. Среди них:

• испаритель;
• компрессор;
• конденсатор;
• дроссельный клапан.

Испаритель представляет собой закрытую емкость, через которую проходит трубопровод первого контура с нагретым от атмосферных источников теплоносителем.  Компрессор представляет собой готовый электроприбор, отвечающий за повышение давления циркулирующего газа. Конденсатор представляет собой теплообменную емкость, в которой разогретый хладагент передает тепло контуру отопительной системы. В конденсаторе может использоваться пластинчатый или трубчатый теплообменник из меди или легированной стали.  Дроссельный клапан - терморегулирующий элемент, предназначенный для снижения температуры и давления хладагента.  В качестве хладагента используются рабочие жидкости с низкой температурой кипения. Как правило, это фреон или аммиак.  Собственный контур теплонасоса создается из медной трубки с толщиной стенки не меньше 1 мм.

Сборка корпуса теплонасоса своими руками

Зная принцип работы и устройство теплонасоса, его можно сделать самостоятельно. 

Расчеты

Весь процесс подготовки, конструирования и сборки начинается с расчетов. Для этого можно использовать программное обеспечение, предназначенное для расчета систем охлаждения (кондиционеров). Кроме того, можно обратиться за консультацией в организации, продающие тепловые насосы или устанавливающие их.  На этапе расчетов нужно получить данные о нужном объеме хладагента, производительности компрессора, длинах змеевиков для камеры испарителя и конденсатора.

Компрессор

Перед сборкой важно иметь мощный компрессор. Для сборки своего теплонасоса не обязательно покупать новый агрегат - можно использовать оборудование со старого холодильника или кондиционера.  При этом, лучше выбирать спиральные компрессоры - они создают более высокое давление, что обеспечивает более качественный нагрев хладагента. 

Конденсатор

Для самостоятельной сборки конденсатора будут нужны:

• емкость (из нержавеющих материалов);
• медная трубка для змеевика (с толщиной стенки не меньше 1 мм).

Змеевик формируется намоткой на цилиндрическое тело нужного диаметра. При этом, внутренний диаметр спирали должен быть лишь немного меньше диаметра трубы домашней системы отопления. Чем меньше зазор - тем эффективнее будет теплообмен. Кроме того, для змеевика лучше брать трубку большого диаметра - увеличение площади поверхности поможет увеличить производительность теплонасоса.  Выбранная емкость вертикально разрезается пополам, затем в нее вертикально устанавливается предварительно сделанный змеевик. Концы змеевика выводятся на через дно и крышку бочки с выпуском по 40-50 мм. Для его крепления можно использовать пайку или гайки (контргаеки) с прокладками.  После этого в одной из частей бака делается два одинаковых отверстия, соосно расположенных на вертикальной оси. Через них заводится П-образный профиль из медной трубы с резьбами (за пределами бочки) для подключения «подачи» и «обратки» домашней системы отопления. При этом, змеевик должен оказаться «надетым» на трубу. После этого половинки бочки свариваются. 

Испаритель

Для сборки камеры-испарителя нужны:

• емкость (подойдет даже пластиковая, но лучше металлическая);
• медные трубки (с толщиной стенки не меньше 1 мм).

Как и в случае с конденсатором, сначала надо разрезать бочку вертикально пополам. В ее дне и крышке проделать одинаковые отверстия, которые будут использоваться для выведения концов змеевика. В одной из частей бака делаются два отверстия, соосно расположенные по вертикальной оси. При этом, диаметр отверстий должен соответствовать диаметру труб, используемых для внешнего (уличного) теплообменника.  После подготовки бака можно заниматься медными трубками.  Для испарителя их тоже нужно две, разных диаметров:

• Для П-образного профиля для подключения «обратки» и «подачи» внешнего теплообменника. Диаметр должен быть такой же, как у труб внешнего теплообменника. С двух сторон трубки нарезается резьба.
• Для змеевика внутреннего контура теплонасоса. Внутренний диаметр спирали навивки должен быть чуть больше диаметра трубы, использованной для П-образного профиля. 

Эффективность работы испарителя зависит от эффективности теплообмена. Поэтому, емкость лучше брать высокую, а змеевик делать максимально длинным.  После подготовки змеевика и трубки они устанавливаются в бак. При этом, змеевик должен быть «надет» на П-образный профиль из медной трубки, а концы всех трубок выведены за пределы бака. После этого емкость сваривается или собирается другим способом (в зависимости от материала). 

Дроссельный клапан

Этот элемент запорно-регулирующей трубопроводной арматуры лучше купить в собранном виде. Это гарантирует надежность работы. К тому же, его цена на фоне общей экономии от сборки теплонасоса своими руками будет незначительной.  При этом, дроссельный клапан должен соответствовать производительности испарителя.

Сборка

После того, как все элементы теплового насоса будут готовы, можно приступать к финишной сборке. Для этого, все агрегаты последовательно монтируются в корпус теплонасоса (достаточно панельной конструкции). Последовательность установки следующая:

1. Испаритель
2. Компрессор
3. Конденсатор
4. Дроссельный клапан

Агрегаты могут соединяться между собой медными трубками методом пайки. После этого в систему теплонасоса закачивается хладагент. На этом этапе лучше попросить помощи специалистов - у них есть нужные навыки и оборудование. К тому же, они смогут сразу протестировать систему на герметичность.  После того, как хладагент будет закачан, а его давление отрегулировано, к корпусу теплонасоса можно подключать остальные контуры (предварительно заполненные теплоносителями) и пробовать оборудование в действии. 

Заключение

Создавая систему домашнего отопления на базе теплового насоса можно гарантировать ее экономичность, надежность и безотказность. Благодаря своей экологичности и возможности использования альтернативных источников энергии, популярность теплонасосов постоянно увеличивается. При этом, зная конструкцию, принципы работы и нюансы сборки, собрать тепловой насос можно даже своими руками.