Принцип работы и составные части теплового насоса
В принципе, работа теплового насоса представляет собой совместное функционирование трех замкнутых контуров, которые взаимодействуют между собой:
- Первый, по которому циркулирует теплоноситель, забирающий тепловую энергию из низкотемпературной окружающей среды (почвы, воды, воздуха);
- Второй, в котором циркулирует жидкость с низкой температурой испарения (например, фреон), забирает эту энергию, с помощью процессов испарения и конденсации увеличивает температуру и отдает тепло третьему контуру;
- Третий контур представляет собой ни что иное, как систему отопления дома (чаще всего теплые полы), он забирает тепловую энергию из конденсатора и отдает помещению.
- По такому принципу работают все тепловые насосы, но в устройствах типа «грунт, вода/вода» в первом и третьем контурах жидкий теплоноситель, в устройствах «воздух/вода» — вместо первого контура наружный воздух, а в устройствах «воздух/воздух» и вместо первого и третьего контуров воздух наружный и помещения соответственно.
Для того чтобы такая система работала необходимы такие основные элементы:
- Испаритель –в котором под воздействием тепловой энергии теплоносителя первого контура , через теплообменник, происходит нагревание и испарение жидкого хладагента (фреона);
- Компрессор, который сжимает парообразный хладагент (при этом происходит выделение тепловой энергии);
- Конденсатор, в котором теплый сжатый хладагент с помощью теплообменника отдает свою энергию теплоносителю третьего контура, а сам конденсируется (превращается в жидкость).
- Терморегулирующий вентиль или клапан (ТРВ).
Все эти элементы соединены между собой герметичным трубопроводом второго контура. Испаритель, кроме того, должен иметь возможность подсоединения к первому контуру, а конденсатор – к системе отопления дома.
Рис. 1 Основные элементы теплового насоса
Как сделать тепловой насос своими руками
Для того, чтобы сделать тепловой насос своими руками необходимо изготовить основные его элементы, речь о которых шла выше, или приспособить под них подходящие б/у агрегаты, а также соединить их в одну систему.
Компрессор
Компрессор для теплового насоса самостоятельно изготовить невозможно. Поэтому, лучше всего использовать новый или в хорошем состоянии б/у от кондиционера или сплит-системы. Найти такой компрессор можно в мастерских по ремонту кондиционеров и холодильного оборудования.
Компрессор для самодельного теплового насоса от сплит системы
Как вариант, если не найдется агрегата нужной мощности, вместо одного компрессора можно установить каскад из двух. Чтобы не ошибиться, перед покупкой, лучше всего, проконсультироваться в квалифицированного специалиста по холодильному оборудованию.
Конденсатор теплового насоса
Конденсатор теплового насоса из стального бака (нержавейка)
Конденсатор может представлять собой стальной корпус — герметический бак в котором располагается теплообменник из медной трубки. В качестве корпуса лучше всего использовать бак из нержавейки объемом 100-150 л.
Медную трубку для теплообменника конденсатора (фреоновода) можно взять диаметром ½ дюйма (12,7 мм). А так, как длина ее должна быть достаточно большой, для обеспечения достаточной площади теплообмена, то ее необходимо будет свернуть в виде спирали, используя для этого любой цилиндрический предмет подходящего диаметра. После сворачивания витки спирали, для обеспечения одинакового расстояния между ними, можно закрепить с двух сторон на алюминиевых рейках или уголках.
Для того, чтобы рассчитать площадь медного теплообменника можно использовать формулу:
S=kW/0,8(t1-t2),
Где:
- S — требуемая площадь поверхности медного теплообменника (трубки), м2;
- kW — тепловая мощность системы (с компрессором), кВт;
- t1, t2 — температура воды на выходе и входе из конденсатора (например, для теплого пола это может быть 35 и 30°С соответственно).
Зная необходимую площадь и разделив ее на диаметр трубки (в метрах), можем узнать необходимую ее длину.
Медную трубку можно использовать с толщеной стенки 0,8-1,2 мм, специальную «холодильную» или обычную сантехническую.
Медная трубка конденсатора, скрученная в спираль
Лучше если толщина стенок медной трубки для теплообменника конденсатора будет не меньше 1 мм. В этом случае при сворачивании в спираль она не будет сминаться, особенно при отсутствии навыков такой работы (для того, чтобы такая трубка не сминалась, ее предварительно можно заполнить песком, закрыв концы деревянными или резиновыми пробками, а впоследствии продуть компрессором и промыть).
Для того, чтобы вмонтировать спираль из медной трубки в стальной бак, последний необходимо разрезать на две половины и просверлить в нем отверстия для выхода концов медной трубки и подвода воды из системы отопления. В местах входа и выхода воды следует приварить патрубки с резьбой ½ дюйма. Места выхода медных трубок можно герметизировать с помощью сантехнических переходов с обжимными гайками.
После монтажа медной спирали бак сваривается по месту разреза. Если у вас нет достаточной квалификации, то сварочные работы лучше поручить опытному сварщику.
Изготовленный конденсатор устанавливается вертикально: в этом случае хладагент, конденсируясь будет уходить вниз и выходить из конденсатора без пузырьков. Снаружи бак и подводящие трубы необходимо изолировать с помощью минваты и фольги или пенофольгированного материала.
Из чего и как своими руками можно сделать испаритель теплового насоса
Пластиковая бочка для испарителя
Испаритель может представлять собой емкость с циркулирующей в ней водой (поступающей из внешнего контура), в которой размещается теплообменник из медной трубки в котором будет испаряться фреон.
Вариант первый – испаритель в виде бочки. Так как температура жидкости в испарителе относительно низкая, в качестве емкости вполне можно использовать как металлическую, так и пластиковую бочку емкостью 65-125 л. В качестве теплообменника можно использовать медную трубку диаметром ¾ дюйма (19,2 мм) с толщиной стенки 1-1,2 мм, свернув ее в спираль, используя цилиндрический предмет (баллон или др. как и при изготовлении конденсатора). Но в этом случае спираль будет будет больше в диаметре и должна соответствовать диаметру и высоте выбранной бочки. Площадь теплообменной поверхности и, соответственно, длина медной трубки рассчитывается также, как и при изготовлении теплообменника для конденсатора. В корпусе бочки также необходимо сделать отверстия и закрепить сантехнические фитинги для подключения воды и прохода медных трубок.
Спираль из медной трубки для испарителя
Испаритель из пластиковой бочки — вид сверху
Второй вариант теплообменника: труба в трубе, когда трубка с хладагентом помещается в пластиковую трубу, по которой противотоком в турбулентном режиме циркулирует вода – это улучшает теплообмен . Длина такого теплообменника будет соответствовать рассчитанной длине медной трубки и будет достаточно большой (25-40 м) и поэтому он скручивается в спираль такого диаметра, чтобы его удобно было разместить.
Теплообменник «труба в трубе»
Терморегулирующий клапан (вентиль) (ТРВ)
ТРВ также как и компрессор придется покупать готовый, лучше новый, с учетом мощности будущего теплового насоса. При выборе, покупке и монтаже ТРВ лучше всего воспользоваться консультацией специалиста по холодильному оборудованию.
ТРВ — терморегулирующий вентиль (клапан, дросель)
Сборка системы
Сборка теплового насоса предполагает соединение всех его элементов в одну систему. Соединение осуществляется медными трубками, поэтому не обойтись без пайки. Для этого можно использовать кислородную горелку, а если ее нет, то как вариант – комплект для пайки Rotenberg. Лучше брать баллон Максигаз 400 (желтый). Понадобятся еще электроды без содержания серебра (не менее 3 шт.) и, минимум, один с 40% содержанием (вибростойкий) для пайки трубки возле компрессора.
Во время пайки ТРВ нельзя перегревать – нагревать выше 100°С. Можно его корпус во время этой работы завернуть в мокрую тряпку.
Для возможности заправки системы фреоном, к ней также необходимо приварить клапан Шредера, который должен иметь ниппель для подсоединения шланга. Его заблаговременно можно приобрести одновременно с покупкой ТРВ.
При пайке заправочного клапана Шредера из него предварительно необходимо вывернуть ниппель – для предотвращения выхода из строя уплотнителя.
Кроме этого, на выходе конденсатора, после термобаллона ТРВ, сверху необходимо припаять трубку выравнивания давления.
После сборки и пайки в готовой системе необходимо создать вакуум, то есть выкачать из нее воздух. Сделать это можно с помощью вакуумного насоса или приспособив для этого компрессор от холодильника.
Для заправки системы фреоном понадобится сам хладагент (около 2 кг) и манометр для контроля давления, лучше всего, специальный фреоновый, но если такового не найдется можно использовать манометр для насосной станции.
Работы по сборке и особенно по заправке системы фреоном, а также ее регулированию требуют особых навыков, поэтому этот этап лучше выполнять, предварительно проконсультировавшись с опытным холодильщиком или вообще эту работу поручить специалисту.
Для запуска копрессора понадобится пусковое реле, рассчитанное на пусковой ток не менее 40 А. В электрическом щитке для теплового насоса необходимо выделить отдельный автомат мощностью 16 А.
В конденсаторе и испарителе необходимо также установить термореле, которые будут отключать систему: реле на выходе воды из конденсатора – при достижении максимального значения (обычно 35-40°С), а реле на выходе воды из испарителя – на 0°С – для предотвращения ее замерзания.
В дальнейшем, необходимо будет с помощью соответствующих фитингов и запорной арматуры подсоединить: испаритель к внешнему контуру, а конденсатор — к системе отопления дома (чаще всего — к теплым полам), заполнив при этом их водой или другой жидкостью, которая используется в них в качестве теплоносителя.
Варианты внешних контуров теплового насоса
Внешний контур может представлять собой трубопровод-теплообменник, который забирает тепло из скважины, почвы или водоема. Каждый из этих вариантов имеет свои особенности, преимущества и недостатки, как при монтаже, так и при эксплуатации. Поэтому рассмотрим их подробнее.
Источник тепловой энергии – скважина
Для того, чтобы использовать такой источник тепла, необходимо пробурить скважину (одну глубокую или несколько мелких) или использовать уже имеющуюся. Считается, что из одного погонного метра скважины можно получить 50-60 Вт тепловой энергии. Поэтому для 1 кВт мощности теплового насоса потребуется около 20 м скважины.
Внешний контур теплового насоса в скважине
Преимущество: скважина не занимает много места на участке и отличается большой теплоотдачей.
Недостаток: скважину, особенно глубокую, необходимо бурить с помощью с помощью специальных механизмов или машины.
Источник тепла – грунт на участке
В этом случае трубу внешнего контура необходимо уложить на глубину, превышающую максимальную глубину промерзания в данном районе. При этом может быть два варианта укладки: вынуть весь грунт на определенной площади и уложить трубу в виде зигзагов, а потом засыпать все грунтом или можно уложить трубу в вырытые для этого траншеи.
Тепловой насос «грунт-вода»
Для 1 кВт мощности теплового насоса, в зависимости глубины укладки, плотности и обводненности грунта, может понадобится 35-50 м контура. Минимальное расстояние между трубами контура – 0, 8 м.
Недостатки такого вида внешнего контура:
- для его размещения необходима достаточно большая площадь, на которой впоследствии нельзя будет высаживать деревья или кустарники, а только газон, цветы или однолетние растения;
- большой объем земляных работ.
Внешний контур в воде
Еще один вариант внешнего контура – труба укладывается на дно ближайшего водоема, если он есть рядом с домом. При этом водоем должен быть достаточно глубоким, чтобы не промерзать до дна зимой. Из одного погонного метра такого внешнего контура можно получить максимум около 30 Вт тепловой энергии ( минимум 30 м трубы на 1 кВт мощности теплового насоса). Для того, чтобы уложенный на дно трубопровод не всплывал, на него устанавливается груз – около 5 кг на каждый погонный метр.
Внешний контур теплового насоса в водоеме
Преимущество: нет необходимости бурить скважину или выполнять земляные работы на большой площади.
Главный недостаток такого внешнего контура: не всегда рядом с домом есть подходящий водоем.
Другие виды тепловых насосов
Кроме тепловых насосов, в которых используется тепловая энергия грунта и воды существуют конструкции, в которых используется энергия окружающего воздуха. В принципе, они отличаются тем, что в них отсутствует внешний контур (трубопровод), а роль теплоносителя в испарителе выполняет наружный воздух, нагнетаемый вентилятором. По такому принципу работают сплит-системы — кондиционеры, которые могут работать не только на охлаждение, но и нагрев помещения. Преимуществом таких систем является то, что нет необходимости устраивать внешний контур из трубопровода и укладывать его в грунт, скважину или водоем. Главным же недостатком является невозможность использования при температуре воздуха ниже 0ºС.
