Тепловой насос для отопления дома

Геотермальный тепловой насос

Устройство геотермального насоса подразумевает использование в качестве источника тепла скважину, в которую опускается коллектор. Такой способ обеспечения тепловой энергией применяется при ограниченной площади участка. От глубины скважины зависит количество тепла, которое будет передаваться системе. Для того чтобы достичь желаемого уровня, не обязательно бурить одну глубокую скважину. Несколько более мелких устройств обеспечат аналогичный эффект при условии определенного уровня их совместной глубины. Популярным вариантом получения тепла является бурение двух скважин: одна для обеспечения постройки водой, вторая – для слива воды, которая уже охлаждена насосом до +1°C. Для того, чтобы отопить жилой дом площадью 100-150 м2, дебет скважины должен составлять 1,2-1,8 м3/час. Вторым вариантом использования такого теплового насоса является применение зондов. Они представляют собой U-образные трубки, которые опускаются в скважину до известнякового горизонта, либо зонд с заглушенной обсадной трубой. В первом случае такие трубки вырабатывают до 100Вт тепла с 1 погонного метра, во втором – до 200Вт. Стабильность подачи тепла таким насосом обеспечивает его высокую эффективность в любое время года. Затрачивая 1 кВт электроэнергии в процессе откачки воды из скважины, насос вырабатывает 5 кВт тепловой энергии, что делает использование такой установки экономически выгодным и целесообразным. Применение данного типа устройств особенно актуально в заболоченных местностях и грунтах с подземными водами.

Преимущества теплового насоса: — не занимает большую площадь, нет необходимости в большом участке; — стабильный уровень подачи тепла вне зависимости от погодных условий и времени года (температура * воды в скважине поддерживается на уровне +8°C); — не портит внешний вид дома и участка.

Недостатки: — затратность монтажа (необходимость бурения); — более высокая стоимость оборудования;

— необходимость проведения тщательных геоизысканий.

Что такое тепловой насос и как он работает?

Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.

В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.

Тепловые насосы “черпают” энергию из процессов, регулярно происходящих в окружающей среде. Течение процессов никогда не прекращается, потому источники признаны неисчерпаемыми по человеческим критериям

Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.

Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.

Так различают следующие виды тепловых насосов:

• Воздух – вода.
• Земля – вода.
• Вода – воздух.
• Вода – вода.
• Земля – воздух.
• Вода – вода
• Воздух – воздух.

При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.

Тепловые насосы по конструктивному типу являются парокомпрессионными установками. Они извлекают тепло из природных источников, обрабатывают и транспортируют его к потребителям (+)

Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии. Это – грунт, вода и воздушная среда. Самый простой из этих вариантов – воздушный тепловой насос. Популярность таких систем связана с их довольно несложной конструкцией и простотой монтажа.

Однако несмотря на такую популярность, эти разновидности имеют довольно низкую производительность. К тому же КПД нестабилен и зависим сезонных колебаний температурного режима.

С понижением температуры их производительность значительно падает. Такие варианты тепловых насосов можно рассматривать как дополнение к имеющемуся основному источнику тепловой энергии.

Варианты оборудования, использующего тепло грунта, считаются более эффективными. Грунт получает и аккумулирует тепловую энергию не только от Солнца, он постоянно подогревается за счет энергии земного ядра.

То есть грунт является своеобразным тепловым аккумулятором, мощность которого, практически, не ограничена. Причем температура грунта, особенно на некоторой глубине, постоянна и колеблется в незначительных пределах.

Сфера применения энергии, вырабатываемой тепловыми насосами:

Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида энергетического оборудования. Аналогичными характеристиками обладают системы, в которых водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллектор таких насосов располагают либо в скважине, где он оказывается в водоносном слое, либо в водоеме.

Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7º до + 12º С. Такой температуры вполне достаточно для того, чтобы обеспечить эффективную работу системы.

Наиболее эффективными считаются тепловые насосы, извлекающие тепловую энергию из источников со стабильными температурными показателями, т.е. из воды и грунта

Как сделать своими руками?

Разбираясь в схеме и особенностях действия теплового насоса, можно с легкостью собрать его и установить самостоятельно. Прежде чем приступать к самостоятельной сборке оборудования, надо тщательно рассчитать главные его параметры. Для данной процедуры можно использовать программное обеспечение для оптимизации систем охлаждения.

Проще всего сделать насос типа «воздух-вода». Работы предстоят совсем несложные, и даже человек без специальных знаний и умений сможет самостоятельно сделать данную модель. Для установки необходимо всего два канала – по одному из них будет циркулировать воздух, а со второго будет выводиться отработка.

Необходимо будет приобрести вентилятор и компрессор подходящей мощности. Можно использовать компрессор, предназначенный для сплит-систем. Совсем необязательно покупать новую деталь. Если имеется старое оборудование, можно снять компрессор оттуда, например, из холодильника. Специалисты советуют использовать спиральный тип, который отличается эффективностью и повышенным давлением.

Для сборки конденсатора необходимо приготовить емкость и медную трубу, из которой надо будет сделать змеевик. Для его производства применяется цилиндр оптимального диаметра, намотав который на трубу можно получить змеевик. Готовая комплектующая деталь устанавливается в заранее разрезанную на две ровные части емкость, для производства которой надо применять материалы, устойчивые к образованию коррозии.

Чтобы узнать площадь змеевика, надо коэффициент теплопроводности (0,8) умножить на разницу температур жидкости, после чего мощность энергии разделить на полученный показатель. При выборе трубки для змеевика обязательно учитывайте толщину стен. Она не должна быть меньше 1 мм. Если же выбрать меньшую толщину, то при обматывании труба потеряет свою форму. Труба, по которой входит хладагент, устанавливается сверху емкости.

Испаритель оборудования можно произвести в форме емкости со змеевиком и в форме трубы в трубе. Из-за того, что температура в испарителе не набирает слишком высокую температуру, емкость можно изготовить из пластика. В нее же надо установить контур из трубы из меди

Важно, чтобы спираль змеевика была подобрана согласно толщине и высоте емкости. Если же испаритель вы делаете по методу «труба в трубе», надо чтобы трубка хладагента была установлена в большой трубе из пластика, по ней и будет перемещаться жидкость

На длину трубы влияет мощность прибора, и в среднем ее размеры бывают от 25 до 40 м. Ей придают форму спирали.

Терморегулирующий клапан является частью трубопроводной арматуры. Запорной деталью является игла, на ее позицию влияет температура в испарителе. Конструкция данной комплектующей довольно-таки сложная. Все комплектующие детали могут стать неисправными из-за повышенных температур. Именно поэтому клапан надо отгородить от негативного воздействия асбестовой тканью.

После того как все детали изготовлены по отдельности, необходимо заняться сборкой всех комплектующих в единое целое. Самой серьезной процедурой является закачивание хладагента или теплоносителя в конструкцию. Данную работу выполнять самостоятельно невозможно, так как необходимо специальное оборудование. А неправильное выполнение процесса может привести к выходу из строя системы или даже к травмам.

Огромное внимание надо уделить выбору хладагента – это основное вещество, которое транспортирует полезную тепловую энергию. Востребованным является фреон

Именно данный вид хладагента рекомендуют выбирать специалисты.

Если все вышеперечисленные работы будут выполнены правильно, у вас получится устройство с замкнутым контуром, где будет происходить циркуляция хладагента, отбирая и транспортируя тепловую энергию от испарителя к конденсатору.

Благодаря тому, что температура энергии невысокая, потребителем тепла могут быть разные отопительные приборы – теплый пол, алюминиевые радиаторы. Насосы, сделанные самостоятельно, станут отличным дополнительным оборудованием, которое будет улучшать работу главного источника тепла.

Ежегодно рынок предлагает модернизированные тепловые насосы, производительность которых постоянно улучшается. Более того, современные модели не вредят природе и здоровью человека. Открытого пламени в насосах нет, поэтому работа их не представляет собой ничего опасного. Как при установке, так и при эксплуатации с системой не должно возникнуть проблем.

Как работает тепловой насос?

ТН — парокомпрессионная установка, забирающая тепло у холодных источников. Чтобы понять принцип действия чудо-конструкции, надо вспомнить о том, как функционирует холодильник, который тоже можно назвать небольшим тепловым насосом. Продукты с комнатной температурой помещаются в агрегат, затем тепло выкачивается из камеры и скапливается во внешнем радиаторе, отдающем его помещению. По этой причине для нормальной его работы нужно оставлять между стеной и прибором свободное место.

Подобный принцип, который называют циклом Карно, используется и в бытовых кондиционерах. Для тепловых насосов тоже характерно извлечение тепловой энергии из окружающей среды: из воздуха, грунта, подземных вод или водоемов. Передача тепла происходит за счет конденсации, испарения хладагента. В тепловых насосах, как и в холодильниках, в этой роли также чаще выступает фреон.

Любой тепловой насос имеет испаритель, конденсатор, и компрессор, повышающий давление. Все приборы соединены трубопроводом в единый замкнутый контур. По этим трубам циркулирует фреон — углеводород, у которого температура кипения очень низкая. В холодной части контура он находится в жидком состоянии, в теплой — превращается в газ.

Теперь надо рассмотреть, как работает тепловой насос. Двигаясь по источнику тепла (например, по трубам, уложенным в грунт) теплоноситель нагревается на несколько градусов даже в том случае, если температура мала и составляет всего 4-5°. Потом он поступает в испаритель и отдает тепло во внутренний контур системы, которая заполнена фреоном. Даже небольшого количество тепла хватает для перехода хладагента из жидкого состояния в газообразное.

Хладагент, превратившийся в пар, поступает в компрессор, где он сжимается. Повышение давления приводит к повышению его температуры. Далее горячий фреон следует в конденсатор, где отдает тепло тому теплоносителю, который функционирует в системе отопления дома. Им может быть вода, воздух, тот же фреон. Нагретый теплоноситель поступает с систему горячего водоснабжения и отопления, а хладагент, отдавший тепло, охлаждается, превращается в жидкость, поступает в испаритель, в котором снова нагревается, и кругооборот его в контуре повторяется.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:

• 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
• 20 Вт – в сухом глинистом грунте;
• 25 Вт – во влажном глинистом грунте;
• 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

• Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
• Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

При расчете коллектора следует учитывать, что температура грунта после первого года эксплуатации понижается на несколько градусов.

Как самостоятельно изготовить такое устройство?

Самым практичным для обогрева жилищ считается модель теплового насоса Френетта, в которой отсутствует вентилятор и внутренний цилиндр. Вместо этого используется множество металлических дисков, которые вращаются внутри прибора. Роль теплоносителя выполняет масло, которое поступает в радиатор, охлаждается и затем возвращается в систему. Работа такого устройства убедительно продемонстрирована в видеоматериале:

Для знающих английский язык может пригодиться такое видео:

Изготовить тепловой насос по принципу Евгения Френетта в домашних условиях не сложно. Для этого понадобится:

• металлический цилиндр;
• стальные диски;
• гайки;
• стальной стержень;
• небольшой электромотор;
• трубы;
• радиатор.

Диаметр стальных дисков должен быть немного меньше диаметра цилиндра, чтобы между стенками корпуса и вращающейся частью был небольшой зазор. Количество дисков и гаек зависит от размеров конструкции. Диски последовательно нанизывают на стальной стержень, разделяя их гайками. Обычно используются гайки, высота которых составляет 6 мм. Цилиндр следует заполнить дисками до верха. На стальной стержень наносят наружную резьбу по всей его длине. В корпусе делают два отверстия для теплоносителя. Через верхнее отверстие разогретое масло будет поступать в радиатор, а снизу оно будет возвращаться в систему для дальнейшего нагрева.

В качестве теплоносителя разработчики устройства рекомендуют использовать жидкое масло, а не воду, поскольку температура кипения такого масла в несколько раз выше. При быстром нагреве вода может превратиться в пар и в системе возникнет избыточное давление, что может привести к повреждению конструкции.

Это примерная схема конструкции теплового насоса Френетта, которую не сложно реализовать с помощью подручных средств и доступных материалов

Для монтажа стержня с резьбой также понадобится подшипник. Что касается электродвигателя, подойдет любая модель, обеспечивающая достаточное количество оборотов, например, рабочий двигатель от старого вентилятора.

Процесс сборки устройства происходит следующим образом:

1. В корпусе проделывают два отверстия для труб отопления.
2. По центру корпуса устанавливают стержень с резьбой.
3. На резьбу навинчивают гайку, ставят диск, навинчивают следующую гайку и т. д.
4. Монтаж дисков продолжают до заполнения корпуса.
5. В систему заливают жидкое масло, например, хлопковое.
6. Корпус закрывают и фиксируют стержень.
7. К отверстиям подводят трубы радиатора отопления.
8. К центральному стержню присоединяют электродвигатель, который обеспечивает вращение.
9. Включают прибор в сеть и проверяют его работу.

Чтобы улучшить работу теплового насоса этого типа и сделать его использование более удобным и экономичным, рекомендуется применить систему автоматического включения-отключения для двигателя. Управляется такая система с помощью термодатчика, который крепят прямо на корпус устройства.

Самостоятельный монтаж

Учитывая цены тепловых насосов для отопления дома, этот вид отопительных систем нельзя назвать самым дешёвым. Можно сократить расходы при помощи самостоятельного монтажа насоса, но стоит помнить, что неправильная установка чревата потерей КПД устройства.

С чем придётся столкнуться в ходе самостоятельного монтажа:

Система отопления с теплонасосной установкой включает в себя целый комплекс агрегатов

• работа по проектированию системы должна учитывать технические характеристики теплового насоса;
• глубина термальных скважин должна подходить к мощности устройства, потребуется проведение тампонажа;
• геотермальные зонды, работающие в суровых эксплуатационных условиях, желательно дублировать в каждой скважине;
• батареи, конвекторы, тёплый пол в доме должны быть связаны с работой теплонасосной установкиа для эффективного отопления.

Есть ли смысл рисковать самостоятельной установкой при приобретении такого дорогостоящего оборудования?

Таким образом, если принято решение купить тепловой насос для отопления дома, цена профессионального монтажа должна быть включена в смету.

Как сделать агрегат своими руками?

Независимо от того, какой вариант ресурса (земля, вода или воздух) выбран для отопления, для корректного функционирования системы понадобится насос.

Это устройство состоит из таких элементов, как:

• компрессорный узел (промежуточный элемент комплекса);
• испаритель, передающий низкопотенциальную энергию теплоносителю;
• дроссельный клапан, через который хладагент находит обратную дорогу в испаритель;
• конденсатор, где фреон отдает тепловую энергию и охлаждается до изначальной температуры.

Можно приобрести целостную систему у производителя, но это обойдется в приличную сумму. Когда свободных денег под рукой нет, стоит сделать теплонасос своими руками из имеющихся в распоряжении деталей и в случае надобности докупить недостающие запчасти.

Планируя установку в частном доме геотермальной отопительной системы, в первую очередь нужно позаботиться о снижении уровня теплопотери. Для этого стены необходимо утеплить специальным материалом, двери и оконные рамы снабдить поролоновыми прокладками, а пол и потолок защитить пенопластовыми панелями. Тогда выделенное насосом тепло в максимально объеме останется внутри помещения

Когда решение о собственноручном изготовлении теплового насоса принято, нужно обязательно проверить состояние имеющихся в доме электрической проводки и электросчетчика.

Если эти элементы изношенные и старые, необходимо просмотреть все участки, обнаружить возможные неисправности и устранить их еще до начала работ. Тогда система сразу после запуска будет безупречно работать и не побеспокоит хозяев короткими замыканиями, возгоранием проводки и выбиванием пробок.

Способ #1. Сборка из холодильника

Для сборки теплонасоса своими руками со старого холодильника снимают размещенный сзади змеевик. Эту деталь используют как конденсатор и помещают в высокопрочную емкость, устойчивую к агрессивным температурам. На нее крепят исправно работающий компрессор, а в качестве испарителя используют простую пластиковую бочку.

Если для создания насоса используется очень старый холодильник, лучше заменить в нем фреон на новый. Самостоятельно это сделать не получится, поэтому придется пригласить мастера со специальным оборудованием. Он быстро заменит рабочую жидкость, и система заработает в нужном режиме

Подготовленные элементы соединяют между собой, а потом созданный агрегат посредством полимерных труб подключают к отопительной системе и приступают к эксплуатации оборудования.

Способ #2. Теплонасос из кондиционера

Для того чтобы сделать теплонасос, кондиционер модифицируют и проводят перепланировку некоторых основных узлов. Сначала наружный и внутренний блоки меняют местами.

Испаритель, отвечающий за передачу низкопотенциального тепла, дополнительно не ставят, так как он имеется во внутреннем блоке агрегата, а передающий тепловую энергию конденсатор стоит во внешнем блоке. В качестве теплоносителя подходят как воздух, так и вода.

Если этот вариант монтажа не удобен, конденсатор устанавливают в отдельный резервуар, предназначенный для корректного теплообмена между греющим ресурсом и теплоносителем.

Саму систему снабжают четырехходовым клапаном. Для этой работы обычно приглашают специалиста, имеющего профессиональные навыки и опыт проведения мероприятий такого рода.

Современные сплит системы малоэффективны при низких температурах, поэтому профессионалы не рекомендуют использовать их для самостоятельного изготовления теплонасосов

В третьем варианте кондиционер полностью разбирают на составные детали, а потом из них комплектуют насос по традиционной общепринятой схеме: испаритель, компрессор, конденсатор. Готовый прибор присоединяют к обогревающему дом оборудованию и приступают к использованию.

На сайте есть серия статей по изготовлению тепловых насосов своими руками, советуем ознакомиться:

1. Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки
2. Как сделать тепловой насос воздух-вода: схемы устройства и самостоятельная сборка

Достоинства тепловых насосов

Достоинство теплового насоса состоит еще и в том, что они имеют электронный блок управления, при помощи которого можно контролировать весь процесс. Кроме того, при помощи блока можно регулировать и степень нагрева. Специальные датчики, установленные в помещении, регулярно подают на блок управления информацию о температуре. Как только она достигнет определенного уровня – работа насоса автоматически прекращается. В момент, когда температура опустится до минимального показателя – насос автоматически включается.

Кроме того, отопление загородного дома тепловым насосом может не только нагревать, но и охлаждать помещение. Для того чтобы отопительная система работала одновременно и как охлаждающая, на самом деле, нужно не так много. В частности, понадобится просто дополнить отопление загородного дома и тепловые насосы специальным реверсивным клапаном. Таким образом, установив тепловой насос, вы получите современную климатическую установку, которая поможет поддерживать комфортную температуру в доме в течение всего года.

Конечно, многие современные пользователи отмечают единственный недостаток теплового насоса, как показывают отзывы, – его достаточно высокую стоимость. Однако следует учитывать тот факт, то приобретя и установив тепловой насос, вы больше не будете тратить средства на что-либо. То есть, вам не нужно будет приобретать большое количество топлива – а это явная экономия.

Виды тепловых насосов

• воздух-воздух;
• воздух-вода;
• земля-вода;
• вода-вода.

Первое слово в этих сочетаниях означает внешнюю среду, от которой забирается энергия. Второе слово это вид теплоносителя, с помощью которого обеспечивается обогрев помещений.

Использование геотермальных и гидротермальных установок менее выгодно. Дело в том, что получение тепловой энергии от грунта или воды в водоемах требует увеличения затрат, на бурение скважины, обеспечение защиты опускаемой части системы от воздействия коррозии и заиливания. Отбор тепла из окружающего воздуха делает работу тепловых насосов более выгодной и обоснованной экономически, за счет быстрой окупаемости капитальных затрат. При этом срок эксплуатации оборудования в несколько раз больше.

Как выбрать тепловой насос?

Если тепловые насосы кажутся владельцам дома перспективными системами, то оценивать любую модель надо по нескольким критериям. К ним относятся:

• размеры отапливаемого дома;
• климатические условия в местности;
• наличие рядом с доступных источников;
• желание потратить на оборудование ту или иную сумму.

Каждый пункт этого небольшого списка влияет на выбор класса модели. Большой дом требует максимально мощного оборудования, а оно означает как серьезные расходы, так и трудозатраты. Вид источника напрямую влияет на качество будущего отопления. Регионы с холодным климатом значительно ограничивают список кандидатов, а иногда вовсе не позволяют обустройство такого экологичного оборудования. Платежеспособность, возможность сразу расстаться с большой суммой — самый главный «ограничитель» для тепловых насосов на российских просторах.