Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника: чертежи, инструкция и советы по сборке

Как работают тепловые насосы воздух-вода

В основе работы теплового насоса типа «воздух-вода» положен принцип Карно. Говоря более понятным языком, используется конструкция фреонового холодильника. Хладагент (фреон) циркулирует в замкнутой системе, проходя последоватёельно стадии:

• испарения, сопровождающегося сильным охлаждением
• подогрева от тепла поступающего наружного воздуха
• сильного сжатия, при котором его температура становится высокой
• конденсации с переходом в жидкое состояние
• прохода через дроссель с резким падением давления и испарением

Для нормальной циркуляции хладагента необходимо иметь два отделения — испаритель и конденсатор. В первом температура низкая (отрицательная), для нагрева используется тепловая энергия из воздуха окружающей среды. Второе отделение служит для конденсирования хладагента и передачи тепловой энергии в теплоноситель системы отопления.

Роль поступающего извне воздуха — передача тепла в испаритель, где температура очень низкая и требует повышения для предстоящего сжатия. Тепловая энергия воздуха имеется даже при отрицательных температурах и сохраняется до тех пор, пока не произойдет понижение температуры до абсолютного нуля. Низкопотенциальные источники тепловой энергии позволяют получать высокую эффективность системы, но при сильном понижении наружной температуры до -20°C или – 25°C система останавливается и требует подключения дополнительного источника обогрева.

Инверторные тепловые насосы

Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:

• достижения КПД на уровне 95-98%;
• снижения потребления энергии на 20-25%;
• минимизации нагрузок на электрическую сеть;
• увеличения сроков эксплуатации установки.

В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.

В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.

Принцип работы теплового насоса

Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее — в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.

Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:

1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).

В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.

Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой. Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).

Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании геотермального теплового насоса типа Грунт-Вода устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя — нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.

Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.

Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации. Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).

Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе. Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).

2. Сжатие хладагента компрессором.

На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.

Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса — значительно меньшая производительность.

3. Передача тепла в систему отопления (конденсация).

После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор — это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).

В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).

4. Понижение давления хладагента (расширение).

Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.

Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика. После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.

Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.

Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) — снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.

Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла.

Виды агрегатов

Наглядное представление о вариантах устройства тепловых насосов представляет их классификация по виду теплоносителя на внешнем и внутреннем контурах конструкции. Получать энергию устройство может из:

• грунта;
• воды (водоём или источник);
• воздуха.

Внутри дома полученная тепловая энергия может использоваться в системе отопления, а также для подогрева воды или для кондиционирования воздуха. Поэтому различают несколько видов тепловых насосов в зависимости от сочетания этих элементов и функций.

Система «грунт-вода»

Получение тепла из грунта считается одним из самых эффективных для этого типа альтернативного отопления, поскольку уже примерно в пяти метрах от поверхности температура грунта остаётся достаточно постоянной, мало подвержена изменениям погодных условий.

В геотермальном тепловом насосе используют специальные теплопроводящие зонды

В качестве теплоносителя на внешнем контуре используется специальная жидкость, которую принято называть рассолом. Это экологически безопасный состав.

Наружный контур теплового насоса типа «грунт-вода» выполняют из пластиковых труб. Разместить их в грунте можно горизонтально или вертикально. В первом случае могут понадобиться работы на значительной площади, от 25 до 50 кв. м на каждый киловатт мощности насоса. Площади, отведённые под устройство горизонтального коллектора, нельзя использовать для сельскохозяйственных нужд. Здесь допустима только разбивка газона или высадка однолетних цветущих растений.

Для сооружения вертикального коллектора понадобится ряд скважин глубиной 50-150 метров. Поскольку температура грунта на такой глубине выше и устойчивее, такой геотермальный тепловой насос считается более эффективным. Для передачи тепла в этом случае используются специальные глубинные зонды.

Насос «вода-вода»

Не менее эффективным выбором может стать тепловой насос вода вода, поскольку на большой глубине температура воды остается достаточно высокой и постоянной. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться:

• открытые водоёмы (озёра, реки);
• грунтовые воды (скважины, колодцы);
• сточные воды промышленных технологических циклов (обратное водоснабжение).

Принципиальных отличий в конструкции теплонасосов «грунт-вода» или «вода-вода» не имеется. Наименьших затрат потребует сооружение теплонасоса, использующего энергию открытого водоёма: трубы с теплоносителем нужно снабдить грузом и погрузить в воду. При использовании потенциала грунтовых вод понадобится более сложная конструкция. Может потребоваться сооружение дополнительного колодца для сброса воды, которая проходит через теплообменник.

Использование теплового насоса вода-вода в открытом водоеме может быть очень выгодным

Универсальный вариант «воздух-вода»

По эффективности тепловой насос воздух вода уступает другим моделям, поскольку в холодное время года мощность его ощутимо снижается. Однако для его монтажа не требуется сложных работ по выемке грунта или по сооружению глубоких скважин. Нужно только выбрать и установить подходящее оборудование, например, прямо на крыше дома.

Тепловой насос воздух-вода можно установить без масштабных монтажных работ

Несомненным преимуществом этой конструкции является способность повторно использовать тепло, которое покидает обогреваемые теплонасосом помещения с отработанным воздухом или водой, а также в виде дыма, газа и т. п. Чтобы компенсировать недостаток мощности воздушного теплонасоса в зимний период, следует предусмотреть варианты альтернативного отопления.

Наименее затратным вариантом может стать тепловой насос воздух-воздух, для сооружения которого не нужны сложные работы по созданию традиционной системы водяного отопления в помещениях.

Тепловой насос «воздух-вода» для дома

Особенностью систем «воздух-вода» является сильная зависимость температур теплоносителя в системе отопления от температуры источника — наружного воздуха. Эффективность подобного оборудования постоянно изменяется как в сезонном отношении, так и в погодных условиях. В этом проявляется существенное отличие аэротермальных систем от геотермальных комплексов, чья работа стабильна в течение всего срока службы и не зависит от внешних условий.

Кроме того, тепловые насосы типа «воздух-вода» способны как обогревать, так и охлаждать воздух в помещениях, что делает их востребованными в регионах с относительно холодными зимами и жарким летом. В целом, использование подобных систем наиболее эффективно в относительно теплых районах, а для северных областей требуется дополнительные средства обогрева (обычно используются электронагреватели).

Как работают тепловые насосы воздух-вода?

В основе работы теплового насоса типа «воздух-вода» положен принцип Карно. Говоря более понятным языком, используется конструкция фреонового холодильника. Хладагент (фреон) циркулирует в замкнутой системе, проходя последовательно стадии:

• испарения, сопровождающегося сильным охлаждением
• подогрева от тепла поступающего наружного воздуха
• сильного сжатия, при котором его температура становится высокой
• конденсации с переходом в жидкое состояние
• прохода через дроссель с резким падением давления и испарением

Для нормальной циркуляции хладагента необходимо иметь два отделения — испаритель и конденсатор. В первом температура низкая (отрицательная), для нагрева используется тепловая энергия из воздуха окружающей среды. Второе отделение служит для конденсирования хладагента и передачи тепловой энергии в теплоноситель системы отопления.

Роль поступающего извне воздуха — передача тепла в испаритель, где температура очень низкая и требует повышения для предстоящего сжатия. Тепловая энергия воздуха имеется даже при отрицательных температурах и сохраняется до тех пор, пока не произойдет понижение температуры до абсолютного нуля. Низкопотенциальные источники тепловой энергии позволяют получать высокую эффективность системы, но при сильном понижении наружной температуры до -20°C или – 25°C система останавливается и требует подключения дополнительного источника обогрева.

Достоинства и недостатки

Достоинствами тепловых насосов «воздух-вода» являются:

• простота установки, отсутствие земляных работ
• источник тепловой энергии — воздух — имеется везде, он доступен и совершенно бесплатен. Для работы системы требуется только электропитание для циркуляционного оборудования, компрессора и вентилятора
• тепловой насос можно конструктивно объединить с вентиляцией, что позволить существенно повысить эффективность работы обеих систем
• отопительная система безвредна для окружающей среды и не опасна в эксплуатационном отношении
• работа системы практически бесшумна, может управляться при помощи систем автоматики

Недостатками теплового насоса «воздух-вода» являются:

• ограниченность применения. Бытовые модели ТН требуют подключения дополнительных систем отопления уже при -7°C, промышленные образцы способны держать температуру до -25°C, что для большинства регионов России слишком мало
• зависимость эффективности системы от температуры наружного воздуха делает работу системы нестабильной и требует постоянной перенастройки режимов функционирования
• для питания вентиляторов, компрессоров и прочих устройств требуется подключение к стабильному источнику электроэнергии

Планируя использование подобной системы отопления и ГВС, необходимо учитывать эти особенности.

Расчет мощности установки

Порядок расчета мощности установки сводится к определению площади дома, подлежащей обогреву, подсчету необходимого количества тепловой энергии и подбору оборудования, соответствующего полученным значениям. Излагать подробную методику расчета нет смысла, поскольку она чрезвычайно сложна, требует знания многих параметров, коэффициентов и прочих значений. Кроме того, нужен опыт выполнения подобных расчетов, иначе результат окажется совершенно ошибочным.

Для решения проблемы рекомендуется использовать онлайн-калькулятор, найденный в сети. Пользоваться им легко, надо лишь подставить в окошечки свои данные и получить ответ. Если появились сомнения, расчет можно продублировать на другом ресурсе, чтобы получить сбалансированные данные.

Схема теплового насоса

Работоспособность большинства тепловых насосов базируется на тепле грунта, в котором на протяжении года температура практически не колеблется (в пределах 7-10 градусов). Тепло перемещается между тремя контурами:

Контур отопления

Тепловой насос

Рассольный (он же земляной) контур

Классический принцип работы тепловых насосов в отопительной системе состоит из следующих элементов:

Теплообменник, отдающий внутреннему контуру тепло, забираемое у земли

Сжимающее устройство

Второе теплообменное устройство, передающее отопительной системе энергию, получаемую во внутреннем контуре

Механизм, понижающий давление в системе (дросселе)

Рассольный контур

Земляной зонд

Отопительный контур

Труба, которая выполняет роль первичного контура, помещается в колодец или закапывается непосредственно в землю. По ней перемещается незамерзающий жидкий теплоноситель, температура которого повышается до аналогичной характеристики земли (около +8 градусов) и поступает во второй контур.

Вторичный контур забирает тепло у жидкости. Циркулирующий внутри фреон начинает закипать и преобразовываться в газ, который направляется в компрессор. Поршень сжимает его до 24-28 атм, благодаря чему происходит увеличение температуры до +70-80 градусов.

На данном рабочем этапе происходит концентрирование энергии в один небольшой сгусток. Благодаря этому увеличивается температура.

Разогретый газ поступает в третий контур, который представлен системами горячего водоснабжения или даже отопления дома. При передаче тепла возможны потери до 10-15 градусов, но они оказываются не существенны.

Когда фреон остывает, происходит уменьшение давления, и он вновь превращается в жидкое состояние. При температуре 2-3 градуса он поступает обратно во второй контур. Цикл повторяется снова и снова.

Дополнительная информация об оборудовании

Чтобы провести расчет эффективности и экономичности оборудования этого типа, следует ознакомиться с его инструкцией и узнать, сколько электроэнергии ему требуется для выработки определенного количества тепла.

Если брать в расчет средние данные по тепловым насосам, представленным на современном рынке, то можно сделать вывод, что для получения десяти киловатт тепла им требуется порядка двух с половиной или трех киловатт электроэнергии.

Несмотря на то, что эти показатели измеряются в одних и тех же единицах, сравнивать их объемы между собой неправильно.

Видео:

Нужно оценить экономическую ситуацию, узнать, сколько стоит обогрев дома или квартиры в день при помощи классического использования электроэнергии, и только после этого делать выводы.

Сделав такой расчет и проанализировав альтернативные варианты, можно определиться с экономичностью насоса в конкретных реалиях. Возможно, вам следует отказаться от этой затеи и установить обычный электрический котел.

Осенью и весной тепловой насос будет потреблять сравнительно мало электроэнергии, требующейся для его работы.

Однако тогда, когда температура упадет ниже минус пяти – семи градусов Цельсия, прибор будет потреблять в два, а то и в три раза больше электричества.

Еще одна трудность может возникнуть в ходе планирования «резервуара тепла», являющегося топливом для геотермального насоса.

Чтобы этот прибор без труда получал необходимую ему энергию из грунта или водоемов, следует исключить их промерзание и застывание.

Чтобы создать резервуар полезного тепла для насоса в грунте, следует снять большой слой земли (иногда доходящий до трех – пяти метров в глубину).

Именно на эту глубину обычно и промерзает почва. Проведение таких работ «своими руками» может затянуться на длительное время и отнять слишком много сил.

В летнее время воздушные или геотермальные тепловые насосы для отопления могут работать не в качестве «обогревателей» помещений, а в качестве кондиционеров.

Они создают комфортный микроклимат в доме или в квартире и позволяют не заботиться о постоянном приобретении дополнительных материалов или топлива (кроме «покупки» электричества).

Отопление дома тепловым насосом – спорное, но достаточно перспективное направление.

Перед тем как купить такой прибор, следует узнать, что используется им в качестве «топлива» (воздух, вода или пр.), и провести примерный расчет затрат на его установку.

Организовать монтаж этого оборудования своими руками затруднительно, поэтому следует помнить о потребности в найме специалистов, за действия которых тоже придется платить деньги.

Устройство геотермальных систем

Устройство геотермальных систем

Даже из названия ясно, что суть такого типа отопления заключается в использовании энергии земли. По принципу действия она отдаленно напоминает кондиционеры или холодильники.

Главный элемент – это тепловой насос, подключенный к двум контурам.

Под внутренним контуром подразумевается привычная для нас отопительная система, она состоит из радиаторов и трубопровода.

Внешний – это весьма габаритный теплообменник, установленный под землей или в водоеме. В нем теплоноситель (а им может быть простая вода или антифриз), приняв температуру окружающей среды, подается в тепловой насос, откуда накопленное тепло поступает во внутренний контур. Так нагреваются отопительные приборы в доме.

Основным элементом системы является именно тепловой насос – устройство, которое занимает не больше места, чем газовая плита. Производительность теплового насоса достаточно высокая: на каждый киловатт использованной энергии он вырабатывает до пяти киловатт тепловой.

Схема работы теплового насоса

Безусловно, геотермальное отопление является на сегодня наиболее трудоемким и затратным. Большую часть денег придется потратить на земляные работы и соответствующую аппаратуру, в том числе на тепловой насос. И многие задумываются, можно ли сэкономить на этом и соорудить, скажем, самодельный тепловой насос. Чтобы выяснить это, нужно разобраться с видами и особенностями оборудования.

Что может стать источником тепла для теплового насоса

Тепло для обогрева помещения можно отбирать у воздуха  на улице. Но тут неминуемо возникнут сложности при эксплуатации: слишком велики колебания температуры даже среднесуточные, не говоря уже о том, что нормальную эффективность тепловой насос показывает при температуре выше 0o C. А как много регионов у нас имеют зимой такую картину? Весной, да и то не ранней, и не на всей территории, и не постоянно.

Источником тепла для вашего дома с отоплением от теплового насоса может стать любая среда

Намного более приемлемым выглядит источник тепла, расположенный в воде. Если рядом есть речка, озеро или приличной глубины пруд — это просто здорово: можно трубопровод просто утопить

Важно только чтобы там рыбаки с донками не рыбачили

Еще один неплохой вариант — колодец, однако есть вероятность, что упадет уровень воды и придется вам искать другой источник. Но пока все нормально, работать будет неплохо: средняя температура воды в подземных горизонтах 5-7 oC. Этого для работы теплового насоса более чем достаточно.

Вы будете, возможно, удивлены, но использовать можно и канализацию — там температуры выше, чем в колодцах. Трубопровод можно будет разместить в сточной яме или колодце, но при условии, что он будет покрыт водой постоянно. И трубу нужно будет выбрать химически стойкую.

Горизонтальный подземный коллектор — дело чрезвычайно трудоемкое: снять грунт придется с нескольких соток на глубину ниже точки промерзания. Это очень большие объемы, которые в одиночку или даже с помощником не осилить. И, как показала практика, в наших климатических условиях такие системы малоэффективны: слишком суровы зимы.

С вертикальными коллекторами дело не лучше — без бурильной техники обойтись вряд ли удастся.  Количество и глубина скважин зависят от грунта: разброс возможного съема тепла с метра скважины очень большой. От 25 Вт/м в сухом щебенистом и песчаном грунте, до 80-85 Вт/м во влажных щебенистых и песчаных почвах или в граните. Соответственно и разница в длине скважин в 3 раза и выше.

Вот схема отопления дома тепловым насосом. При использовании, как в описываемом примере, двух скважин и при отсутствии замкнутого контура, расстояние между двумя колодцами должно быть не менее 20 метров. И нужно учесть направление потока, чтобы холодная вода от насоса не снижала температуру в «донорской» скважине

В описываемом примере самодельного теплового насоса, источник тепла — колодец с хорошей скоростью поступления воды. Вода прибывает настолько быстро, что покрывает расход на бытовые потребности и ее хватает для переноса нужного количества тепла (была рассчитана необходимая скорости подачи воды, и соответственно подобран насос). Но источником тепла для этой модификации может служить любой из описанных выше, кроме воздуха. Определившись с источником тепла, можно будет изготовить тепловой насос для отопления дома.