Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Отопление с тепловым насосом

Установка отопительной системы своими руками с топливным насосом — это достаточно выгодно с точки зрения удобства использования. Когда данная установка включается, она не производит шума, не создает неприятного запаха, а также, что достаточно приятно, отсутствует необходимость в установке дымохода и других каких-либо дополнительных конструкций.

Однако такая система полностью зависит от электрического питания. Для работы требуется минимальное количество энергии, однако если по какой-то причине электроэнергия пропадет, то и работа системы прекратится. Сборка теплового насоса своими руками, как и вся установка в целом, довольно экономична. Она обходится недорого, так же как и процесс обслуживания. Стоит отметить, что купить такую установку все же достаточно дорого.

Сведения о насосе

Когда мастера говорят об установке теплового насоса, то под этим они понимают установку определенного комплекса оборудования, а не одного насоса. Здесь важно отметить, что источником тепла для такой системы может стать практически любое вещество, температура которого — 1 градус по Цельсию и выше.

Все системы делятся на несколько видов, к примеру «вода — воздух», «вода — вода» и т.д. Применение теплового насоса основывается на том, что тела способны передавать свою тепловую энергию другим телам или же среде. Первое слово в паре обычно указывает на ту среду, у которой данное тепло отбирают. Второе слово определяет вид носителя в системе, который и будет получать эту тепловую энергию. В современных вариантах источником тепла обычно является вода, воздух или грунт. Наиболее простая конструкция — это та, в которой в качестве источника используется воздушная среда.

Эффективность устройств

Естественно, что эффективность каждого из устройств не одинакова, а зависит она от системы, в которой работает насос. Наименее эффективными считаются именно воздушные установки. Кроме того, на показатели такой системы сильно влияет погода. Грунтовые установки отличаются хорошей стабильностью. Коэффициент полезности таких установок находится в пределах от 2,8 до 3,3, что достаточно хорошо. Наиболее эффективными стали установки «вода — вода». Во многом это связано с тем, что температура источника достаточно стабильна.

Какие выгоды несет установка

Как и любая другая система, эта обладает определенными выгодами, которые может получить ее владелец.

Сборка и установка теплового насоса своими руками обладают следующими преимуществами:

  • Высокая экономическая эффективность. При электрических затратах в 1 кВт, к примеру, можно получить примерно 3-4 кВт тепловой энергии, что достаточно выгодно. Стоит также отметить, что эти показатели являются усредненными, так как точные цифры сильно зависят от конструкции и типа агрегата.
  • Экологичность. Собранный своими руками тепловой насос, как и вся установка в целом, во время своей работы не производит никаких вредных выбросов в окружающую среду. Использование таких приспособлений не вредит экологии.
  • Универсальность. При установке традиционных систем отопления приходится постоянно платить за газ или другие вещества. Солнечные установки или же ветрогенераторы не всегда работают стабильно. Тепловые насосы же практически универсальны, и можно устанавливать их где угодно. Главное, чтобы тип системы был выбран верно.
  • Стоит отметить, что тепловая система вполне многофункциональна. Если в зимнее время она используется, как и полагается, для отопления, то в летнее время можно применять ее в качестве кондиционера.
  • Безопасность системы отопления находится на достаточно высоком уровне, так как температура рабочих узлов не превышает 90 градусов, во время работы нет токсичных выбросов, а топливо для их работы не требуется. Она не опаснее холодильника.

Разновидности систем для дома

Тепловой насос для отопления дома может быть абсорбционного или компрессорного типа. Наиболее распространенными являются именно компрессорные. Такие системы также можно собрать из старого холодильника или же кондиционера, используя рабочий компрессор от этих устройств. Кроме компрессора необходимо также иметь расширитель, испаритель и конденсатор. Для того чтобы сконструировать тепловой насос для отопления дома абсорбционного типа, понадобится еще и такая деталь, как абсорбент-хладон.

Тепловые установки также отличаются по виду используемого источника тепла. Они могут быть воздушными, геотермальными или же использующими вторичное тепло. Входной и выходной контуры могут применять либо один и тот же носитель, либо два разных. По этой причине системы могут быть со следующими видами теплоносителя:

  • «воздух — воздух»;
  • «вода — вода»;
  • «вода — воздух»;
  • «воздух — вода»;
  • «грунт — вода»;
  • «лед — вода».

Важно отметить, что эффективность установки определяется коэффициентом преобразования. Это разница между затраченной энергией и полученной. Конечно, чем больше эта разница, тем эффективнее считается система.

Начало работ

Прежде чем приступить к разбору определенных методов сборки, необходимо определиться с источником тепла, а также составить схему прибора, по которому будет осуществляться сборка. Собрать своими руками рабочие варианты теплового насоса получится лишь после того, как будут взяты в аренду некоторые инструменты, а также куплены некоторые дополнительные узлы.

Первый шаг. Чертеж

Источник энергии для тепловой установки должен находиться под землей, а потому потребуется пробурить скважину или хотя бы вырыть небольшое углубление. Это значит, что на схему необходимо нанести место работ и глубину. Нужно учесть, что температура в месте установки детали не должна быть менее чем 5 градусов по Цельсию. Если рядом есть водоемы искусственного или природного происхождения, то можно использовать их в качестве места для установки.

Стоит также отметить, что подобрать можно практически любую схему теплоустановки и работать по ней. Источник тепла практически никак не влияет на ход работ. Рабочий вариант теплового насоса, своими руками собранного из холодильника, — наиболее распространенная модель. Для этого нужно разобрать старое устройство и извлечь оттуда компрессор, который будет являться главным элементом системы, перекачивая фреон и воду по трубопроводу.

Второй шаг. Выбор деталей для работы

Очень важно отметить, что если компрессор из старого холодильника старый, нерабочий или барахлит, то лучше купить новый. Ремонтировать его нерентабельно, к тому же такая деталь долго не прослужит.

Для сборки теплового насоса из холодильника своими руками потребуется еще и терморегулирующий клапан. Наилучшим вариантом будет, если оба элемента из одной системы, чтобы они точно подходили друг к другу. Для установки насоса потребуется приобрести L-кронштейны 30-сантиметровые. Кроме этого потребуется приобретение еще нескольких деталей:

  • емкость объемом в 120 литров с высокой герметичностью;
  • обычный пластиковый бак вместимостью до 90 л;
  • потребуются также 3 медные трубы с разным диаметром;
  • для трубопровода необходимо приобрести полимерные, а лучше металлопластиковые трубы.

Чтобы выполнить установку теплового насоса, потребуются стандартные инструменты, а для резки труб пригодятся болгарка и сварочный аппарат.

Третий шаг. Работа с узлами системы

Первое, что необходимо сделать, — это установить компрессор на стену, используя для этого кронштейны. После того как с этим будет покончено, можно приступать к сборке конденсатора. Для его изготовления необходимо разрезать металлический бак напополам, в одну его часть нужно вставить медный змеевик. Затем емкость сваривается обратно, после чего в ней делают несколько резьбовых отверстий.

Далее нужно перейти к работе с теплообменником. Чтобы установка теплового насоса была успешной, нужно намотать медную трубу на стальной бак с объемом 120 литров. Концы витков прикрепляются при помощи реек. К выводам трубы присоединяются сантехнические переходы. Эту же процедуру нужно провести и с пластиковым баком, он будет использоваться в качестве испарителя. Так как этот резервуар не будет перегреваться, наличие металлического элемента необязательно. Готовая конструкция также крепится к стене при помощи тех же кронштейнов.

Когда все эти узлы будут готовы, можно приступить к подборке терморегулирующего клапана. Когда конструкция будет собрана, то в нее нужно закачать фреон определенной марки — R-22 или R-422. Если навыков работы с этим веществом нет, то лучше всего позвать специалиста, так как процедура достаточно небезопасна.

Четвертый шаг. Соединение с устройством забора

Здесь важно отметить, что схема теплового насоса, подключение системы к заборному устройству зависят от его типа:

  • «Вода — земля». Если выбрана эта схема, то коллектор должен быть установлен ниже уровня промерзания почвы. Трубопровод данной системы должен располагаться на той же глубине.
  • «Вода — воздух». Установка данной системы считается наиболее простой, так как для этого не потребуется выполнение каких-либо земляных работ. В качестве места для монтажа коллектора можно использовать любое место возле дома или даже на крыше.
  • Система «вода — вода» устанавливается только в том случае, если рядом есть водоем. Конструкция собирается из полимерных труб, которые после этого опускаются в центр водоема.

При расчете теплового насоса может случиться так, что его мощности не хватит. В таком случае есть системы, которые называются бивалентными. Другими словами, тепловая установка устанавливается параллельно с электрическим котлом, к примеру, выполняет в этом случае функцию дополнительного отопления.

Устройство из кондиционера

Собрать можно тепловой насос из кондиционера своими руками. Однако здесь стоит заметить, что для этого потребуется помощь хорошего мастера по ремонту бытовой техники, если у хозяина таких навыков не имеется. В целом же стоит сказать, что собрать такую конструкцию своими силами достаточно просто.

Детали для сборки

Как сделать тепловой насос из кондиционера? Стоит отметить, что принцип здесь примерно тот же. Только потребуется брать компрессор не от старого холодильника, а от кондиционера. Также стоит проверить, с каким хладагентом он работает, чтобы потом заправлять систему. Далее, как и в предыдущем случае, потребуются две медные трубы с разным диаметром и толщиной стенки от 1 мм. Одна из них должна быть 12 м и будет использоваться для змеевика, а вторая 10 м — для испарителя. Потребуется терморегулирующий вентиль. Для изготовления змеевика потребуется достаточно толстая труба.

Процесс сборки ничем не отличается от того, что был описан ранее, с компрессором от холодильника. Монтаж также осуществляется в зависимости от того, какой вид источника был выбран. Как показывает практика, такие самодельные системы отличаются мощностью в 2,6-2,8 кВт. Конечно, такая система не слишком мощная. К примеру, при температуре на улице в -5 градусов по Цельсию такой насос сможет поддерживать температуру в помещении 60 м2 до +17 градусов по Цельсию.

Расчет параметров системы

Расчет теплового насоса проводится либо при помощи онлайн-кулькулятора, либо при помощи специалистов. Можно воспользоваться формулой:

R = (k × V × T)/860.

В данной формуле R – мощность, необходимая для обогрева помещения; k – коэффициент для учета тепловых потерь зданием (1 – качественно утепленное помещение, 4 – дощатый барак); V – общий объем помещения, подлежащего отоплению; T – наибольший перепад температур внешнего мира и внутридомового пространства; 860 – коэффициент перевода результата расчета в кВт из ккал.

Потребители тепловой энергии

После того была собрана какая-либо модель теплового насоса, необходимо подключить его к какому-либо потребителю. Так как мощность данной системы не слишком высокая, то следует подключать его к специализированным системам отопления, к примеру, обогревателю. Отличным вариантом будет подсоединить такое устройство к теплому полу. Возможен вариант соединения с низкоинерционными радиаторами из алюминия или же стали с большой площадью излучения.

Уместно будет сказать, что самодельные варианты также лучше всего подходят только в качестве дополнительного источника отопления. Полностью обеспечить обогрев дома при помощи самоделки не получится, или же температура будет небольшой. Самостоятельно с этой задачей сможет справиться лишь промышленная установка. Кроме того, широкое распространение таких установок произошло благодаря тому, что они экологичны на 100 %. Переход на такие системы отопления значительно скажется на улучшении экологии.

Отопление тепловым насосом — это не только выгодно, но и практично. В условиях постоянного роста цен на энергоносители, автономные источники позволяют обеспечить дом теплом и существенно сократить затраты на электроэнергию. Кроме того, устройство без труда подключается по принципу двухконтурного котла к системе водоснабжения и обеспечивает горячей водой.

Оглавление:

  1. Теоретические основы
  2. Устройство бытового теплового насоса
  3. Виды бытовых тепловых насосов
  4. Схема теплового насоса
  5. Тепловой насос под ключ своими руками
  6. Тепловой насос: расчет эффективности
  7. Отопление дома тепловым насосом: цена

Теоретические основы

Принцип теплового насоса состоит в том, что устройство производит выкачку тепла из одного места и передачу его в другое, т.е. использует геотермальные физические законы. Если рассматривать принцип работы теплового насоса максимально просто, то он представляет собой систему труб, в которых течет незамерзающая жидкость. Она нагревается за счет внешних источников тепла, далее движется к насосу, отдает тепло системе отопления и возвращается обратно к термальному источнику.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Существуют две большие группы такого оборудования:

  • промышленные тепловые насосы;
  • бытовые тепловые насосы.

Работа теплового насоса промышленного типа основана на заборе тепла из земли. Для этого бурятся скважины глубиной до нескольких километров, в которые устанавливаются металлические спирали. По ним тепло передается на термальный контур, к которому подключен тепловой насос. Данный способ является наиболее эффективным, поскольку имеет высочайший уровень КПД. Тем не менее, стоимость установки оборудования достигает 10-15 тысяч долларов США. Это обстоятельство способствовало появлению бытовых насосов, менее эффективных, но и более дешевых.

Устройство бытового теплового насоса

Насос теплового действия состоит из трех основных частей:

  • грунтового контура;
  • контура фреона;
  • отопительного контура.

Грунтовый контур — наиболее простая часть конструкции. Он представляет собой систему труб, установленных в земле или водоеме, в которых циркулирует незамерзающий рассол. Его температура составляет от -3 до -5 градусов Цельсия. Принципиальной разницы в температурном режиме нет, поскольку рассол может прогреться за счет внешних источников тепла только до нуля.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Этой температуры достаточно, чтобы закипятить фреон, который переходит в газообразное состоянии уже при температуре -2. Далее пар фреона передается в компрессор, который нагнетает давление и сжижает хладогент. В таком состоянии температура фреона возрастает до +100 градусов.

Далее кипяток передается в систему отопления, нагревает воду в радиаторах, остывает и возвращается обратно во фреоновый контур. Таким образом, расход электроэнергии происходит только на работу компрессора. Учитывая, что его мощность редко превышает 1 кВт, следует говорить о том, что тепловой насос по потреблению электричества схож с бойлером, но в отличии от него, способен не только нагреть воду, но и отопить весь дом.

Виды бытовых тепловых насосов

Принято различать три вида термального оборудования:

  • с открытым циклом;
  • с закрытым циклом и гидрообменником;
  • с закрытым циклом и горизонтальным обменником.

Открытый цикл предполагает, что теплообменник связан с источником подземных вод. При использовании насоса, этот способ позволяет обеспечить дом не только водой, но и теплом.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

В закрытом цикле с гидрообменником теплоноситель устанавливается в закрытом водоеме. Трубы с рассолом не имеют прямого контакта с водой, тепло передается через корпус. Актуален для домов с прудами или вблизи рек.

Горизонтальный теплообменник — это упрощенная версия промышленного теплового насоса. Трубы устанавливаются на глубине всего нескольких метров, но этого достаточно для качественного отопления 80-100 кв. м. Если в системе установлен циркуляционный насос, то глубину увеличивают до 250-300 м. Учитывая, что внизу температура будет около 15-18 градусов, КПД теплового насоса значительно возрастет. Но следует учитывать, что и затраты на электроэнергию также будут выше, поскольку циркуляционный насос работает исключительно от сети.

Схема теплового насоса

На сегодняшний день существует две наиболее распространенные конструкции:

  • конденсаторная;
  • на пластинах Пельтье.

Для начала рассмотрим принцип работы теплового насоса на основе электродинамики. Он состоит из:

  • пластин с покрытиями, отличающимися разным уровнем энергии электронов;
  • проводов электропитания;
  • конденсатора тепла;
  • источника питания переменного тока от 12 В.

Система теплового насоса работает крайне просто. Под воздействием тока одна из пластин нагревается, вторая охлаждается, когда полярность меняется, холодная и горячая сторона меняются. По обеим сторонам от пластин расположены конденсаторы, которые накапливают тепло и передают его в систему отопления.

При явных плюсах, таких как:

  • бесшумность;
  • простота монтажа;
  • небольшие габариты.

Есть один весомый недостаток — очень маленькое КПД. Для борьбы с этой проблемой нужно увеличивать площадь пластин, а это, в свою очередь, приведет к более высоким затратам электроэнергии. Учитывая тот факт, что в нашей стране это не дешевое удовольствие, эффективнее использовать стандартный конденсаторный тепловой насос.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Тепловой насос под ключ своими руками

Для сборки теплового насоса понадобится:

  • водопроводные трубы;
  • металлопластиковы трубы для отопления;
  • компрессор;
  • емкость под расширительный бак;
  • емкость под конденсатор;
  • рассол;
  • фреон;
  • источник питания;
  • бак для фреона.

На первом этапе понадобится собрать теплообменный контур:

1. Определяем термальный источник: земля или водоем.

2. Подводим трубы к термальному источнику.

3. Подключаем теплопровод к расширительному баку с фреоном.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

На втором этапе собираем циркуляционную систему:

1. Подключаем бак с фреоном к компрессору, для этого газоотвод должен быть расположен в самой верхней части расширительного бака.

2. К компрессору подключаем трубу высокого давления.

3. Соединяем трубой компрессор и конденсатор, который должен быть разделен дросселем.

4. От конденсатора делаем обратный отвод к компрессору и расширительному баку.

Финальная стадия — подключение отопления:

1. К конденсатору необходимо подключить теплоноситель, как правило, это вода.

2. От бака с теплоносителем сделать разводку труб для отопления.

3. Подключить радиаторы.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Важно: рассмотрена простейшая система создания теплового насоса. Для ее нормальной работы понадобится дополнительная установка циркуляционного насоса, который обеспечит движение воды в системе.

Тепловой насос, установка которого описана выше, может быть дополнительно модернизирован насосом подкачки воды. Это актуально в том случае, если в регионе много подпочвенных вод. В таком случае, систему нужно будет переработать:

1. Закачивающая труба должна быть свернута в кольцо под баком с фреоном.

2. Во время работы насоса, по этой трубе будет подниматься вода, которая должна поступать в распределительный бак.

3. От бака имеет смысл установить тройник, отдельно на отопление, отдельно на водоснабжение дома.

Важно: подразумевается, что бак будет служить емкостью для теплоносителя, поэтому его размер должен быть пропорционален мощности насоса.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Тепловой насос: расчет эффективности

По мнению многих экспертов, эффективность тепловых насосов в 2-3 раза выше, чем у газовых котлов. Если брать стоимость энергоресурсов, то возражений никаких нет. Но проверить реальные возможности этого изобретения все же стоит.

Для расчета тепловой энергии, которая необходима на нагрев 1 куб. м воды воспользуемся стандартной формулой по физике:

Q=c*m*(t2-t1)

  • c — это удельная теплоемкость вещества;
  • m — масса; рассчитывается по формуле — m=p*V, где p — плотность вещества, V — объем;
  • t2 — желаемая температура;
  • t1 — температура теплоносителя.

Подставим под формулу конкретные значения:

  • Q=4183*1000 (1 куб. м)*(60-10);
  • Q=209.15 мДж, что приблизительно равняется 58,6 кВт/ч.

Как видно из расчета, мощность теплового насоса для эффективного обогрева помещения должна быть около 60 кВт/ч, при условии, что в системе циркулирует 1 куб. м. воды.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Теперь рассчитаем реальные показатели мощности для фреона. Для того, чтобы не слишком углубляться в математику, составим простое, но наглядное уровнение:

  • 209150000=2010*х*100;
  • х=209150000/2010/100;
  • х=1040,55.

В данном расчете х — это масса. Необходимо узнать объем:

  • V=m/p;
  • V=1040,55/196,2;
  • V=5,3 куб. м. газа или 1,2 куб. м. жидкости.

Как видно из расчетов, для нормального обогрева помещения понадобится 5,3 куб. м. пара фреона. Величина достаточно условна, поскольку зависит от температуры, давления в системе, качества фреона и многих других показателей. Тем не менее, при данном расчете исходим из эталонных величин, без учета факторов окружающей среды. Точный показатель считается по уравнению Клапейрона-Менделеева.

Не смотря на условность расчетов, видно, что для обеспечения температуры теплоносителя в стандартные 60 градусов, понадобится фреона больше, чем воды в системе. Из этого прямо следует, что действительно эффективный тепловой насос должен иметь достаточно большие габариты, иначе будет наблюдаться нехватка тепла.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Определенным решением станет использование других хладогентов, например, на амиачной основе или их аналогов, где температура пара может быть значительно выше 100 градусов по Цельсию. Допустим, если разогреть пар до 200 градусов, соотношение изменится примерно на ¾, в пользу хладогента.

Конкретная система теплового насоса зависит от многих факторов и требует серьезных математически изысканий, так как без этого, отопление будет не эффективным. За расчетами лучше обратиться к экспертам, либо проконсультироваться со школьным учителем физики, так как большинство формул приходятся на программу 8-9 классов. Приводить в статье конкретные примеры нецелесообразно, поскольку невозможно обобщить формулы для каждого отдельно взятого случая.

Отопление дома тепловым насосом: цена

Перед тем, как приступать к поискам экспертов в области термодинамики, необходимо самостоятельно выполнить несложную процедуру — рассчитать потребляемую электроэнергию и затраты на изготовление насоса.

Учитывая рыночную стоимость строительных материалов, понадобится вложить около 600-800 долларов США. Кроме того, нужно приобрести качественный компрессор. Замена отопления в счет не берется, так как зависит от конкретных пожеланий. К примеру, один алюминиевый радиатор на 10 секций обойдется в 80-150$.

Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы

Но это единоразовые вложения. Затраты на электроэнергию высчитываются в зависимости от мощности компрессора:

  • номинальную мощность умножить на время работы;
  • номинальная мощность — мощность компрессора;
  • время работы — период, который устройство потребляет электроэнергию.

Таким образом, компрессор с мощностью 1 кВт за 12 часов непрерывной работы накрутит 12 кВт электроэнергии.

Ели предположить, что компрессор работает практически постоянно, суточный расход будет порядка 20 кВт. За месяц получится расход в 600 кВт. Если считать по самому высокому тарифу для Москвы, получается 600*4,68=2748 руб. Для сравнения 1 куб. м газа стоит 3,87 руб. При качественно газовом отоплении 600 куб. м. хватит на 2-3 месяца.

Учитывая, что большинство компрессоров имеет мощность более 2 кВт, экономичность отопления ставится под сомнение. Решение проблемы — независимые источники электроэнергии.

Исходя из всего вышесказанного, монтаж теплового насоса остается спорным вопросом. При соблюдении определенных условий, он безусловно окупается, причем достаточно быстро. С другой стороны, качественное исполнение потребует больших финансовых затрат и установки дополнительного оборудования.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.