Как сделать тепловой насос своими руками

Каждый владелец собственного дома стремится к оптимизации расходов на отопление жилой площади. Отличным выбором в такой ситуации станет тепловой насос (ТН). Этот агрегат способен выдавать 2−4 кВт теплоэнергии с одного затраченного киловатта электроэнергии. К сожалению, заводские отопительные установки этого типа имеют высокую стоимость. Однако вполне реально сделать тепловой насос своими руками, сэкономив при этом приличную сумму.

Содержание:

1 Принцип действия
2 Типы агрегатов
3 Выбор вида теплонасоса
4 Простейшая конструкция ТН
5 Геотермальная установка

Принцип действия

Создать теплонасос своими руками не так сложно, как может показаться. Прежде чем приступать к работе по созданию отопительной системы, следует разобраться с особенностями ТП:

агрегат этого типа не может самостоятельно производить тепловую энергию, в отличие от отопительного котла;
для работы установки необходимо электрическая энергия, которая потребляется блоком управления, компрессором, циркуляционными насосами, а также вентиляторами;
в основе работы ТН находится цикл Карно, также применяемый в сплит-системах и кондиционерах.

Установка этого типа получила название «насос», так как способна «выкачивать» теплоэнергию из грунта, воды или воздуха. Каждое вещество, если его температура выше отметки в 273 градуса (абсолютный ноль), содержит тепло. Благодаря новейшим технологиям можно изымать теплоэнергию из воздуха при его температуре не ниже -30°С, а также воды и грунта — от 2 °C.

Рабочая жидкость цикла Карно — фреон. Этот газ закипает при отрицательной температуре. После испарения хладагент в теплообменнике конденсируется, забирая в этот момент теплоэнергию из окружающей среды, а затем доставляет ее в другое место. Принцип действия ТН напоминает схему кондиционера в режиме обогрева:

Жидкий фреон проходит по наружному испарителю. Забирая тепло из внешней среды, хладагент закипает и испаряется.
Перейдя в газообразное состояние, фреон достигает компрессора, предназначенного для нагнетания определенного показателя давления. В результате возрастает точка кипения жидкости, и она конденсируется при более высоких значениях температуры.
Во внутреннем теплообменнике рабочая жидкость теплового насоса вновь переходит в жидкую форму и передает теплоэнергию воде, выполняющей роль теплоносителя.
Затем хладагент последовательно попадает в ресивер и дроссель. Показатель давления фреона падает, и начинается новый цикл.

В бытовых ТН и кондиционерах используются различные виды терморегулирующей арматуры, необходимой для снижения давления рабочего вещества установки во время прохождения через испаритель. Если делать своими руками тепловой насос для отопления дома, то в качестве регулятора лучше использовать терморегулирующий вентиль.

Типы агрегатов

Зная устройство теплового насоса, своими руками создать этот агрегат будет не очень сложно. Однако предварительно стоит разобраться с классификацией этих агрегатов, чтобы выбрать среди них наиболее эффективный. Сегодня активно используются следующие виды ТН:

Воздух-воздух. Теплонасосы этого вида во многом похожи на классические сплит-системы. Основным различием между ними является площадь наружного испарителя. Отбирая тепло у окружающей среды, воздушный теплонасос передает ее непосредственно в отапливаемое здание.
Воздух-вода. Эти агрегаты по своей конструкции аналогичны устройствам «воздух-воздух», но теплоэнергия переходит на теплоноситель, находящийся в отопительной системе.
Вода-вода. Теплоэнергия забирается из водоема и передается жидкому теплоносителю. В состав конструкции ТН этого типа добавляется еще один внешний контур, который погружается в озеро, колодец или другой водоем.
Геотермальные. Тепловая энергия передается из грунта на теплоноситель, циркулирующий в отопительной системе. Внешний теплообменник представляет собой змеевик, заполненный антифризом и установленный на глубине 1,2−2 метра. Также нередко используется и второй вариант — вертикальные зонды, изготовленные из труб, погружаются в скважину глубиной 10−100 м.

Для определения эффективности тепловых насосов используется специальный коэффициент — СОР. Он показывает соотношение между приобретенной и затраченной энергией.

Воздушные ТН не отличаются большим КПД. При их использовании на один 1 кВт затраченной энергии удается получить от 2,5 до 3,5 киловатт теплоэнергии. В такой ситуации СОР составляет 2,5−3,5.

Выбор вида теплонасоса

Сделать своими руками тепловой насос воздух-вода значительно проще в сравнении с грунтовыми либо водяными. Вполне очевидно, что каждый домашний мастер хочет минимизировать затраты на производство. В самодельных теплонасосах используется минимальное количество дорогостоящих деталей. Часто домашние мастера применяют для этого комплектующие от старого холодильника или кондиционера. В такой ситуации добиться высокого показателя СОР просто невозможно, и созданный своими руками ТН будет уступать заводским агрегатам в производительности.

Таким образом, создавать воздушный насос не имеет смысла, а лучше воспользоваться сплит-системой, включив ее в режим обогрева. Для отопления жилых помещений с помощью водяных теплонасосов либо вида «воздух-вода», необходимо создать геотермальную систему. При использовании насоса первого типа показатель СОР составит 3−3,5. Применение ТН «воздух-вода» не позволит добиться СОР выше 2,2.

Если было принято решение изготовить водяной тепловий насос, то нужно следовать рекомендациям:

колодец располагается на расстоянии в 25−50 метров от дома;
водоем должны обладать достаточным запасом воды.

Рассчитать необходимое количество грунтовых вод для работы ТН несложно. Во время работы агрегата их температура падает примерно на 4−5 градуса. Таким образом, для производства 1 кВт теплоэнергии через теплонасос должно в протяжении 60 минут проходить порядка 170 л воды.

Простейшая конструкция ТН

Чтобы создать насос вида «воздух-вода», можно использовать обычный бытовой кондиционер. При выборе модели этого агрегата стоит ориентироваться на те, в которых установлен реверсивный клапан. Кроме этого, кондиционер должен иметь режим обогрева. В противном случае придется заменить конструкцию фреонового контура.

Чтобы сделать из оконного обогревателя ТН, необходимо выполнить следующие действия:

Демонтируется верхний кожух устройства, после чего внешний теплообменный узел снимается с основания. На этом этапе крайне важно не перегибать трубки с фреоном.
С общего валика снимается крыльчатка.
Из листа металла изготавливается бак в соответствии с длиной внешнего теплообменного узла. При этом ширину самодельной емкости следует увеличить на 10−15 см. В боковые стенки бака устанавливаются штуцера для подачи воды.
Чтобы защитить радиатор от обмерзания, рекомендуется увеличить полезную площадь теплообмена, установив на его торцах алюминиевые либо медные пластины.
Радиатор монтируется в баке. Затем следует изготовить крышку и уплотнить элементы ввода-вывода контуров.
К штуцерам подсоединяются шланги и циркуляционные насосы. Следующим шагом станет проверка бака на герметичность.

Когда все работы будут завершены, предстоит запустить теплонасос и настроить водяной поток для достижения максимальной производительности агрегата.

Геотермальная установка

При использовании теплонасосов вида «воздух-вода» на 1 кВт затраченной энергии можно получить около 2 кВт тепла. Более высокая экономия достигается с помощью простейшего геотермального агрегата.

Расчет теплообменников и земляного контура

В самодельных конструкциях чаще всего используются зонды в форме литеры «U», размещенные в шахтах. При расчете геотермальной системы необходимо выяснить показатель протяженности внешнего теплообменника, а также количество скважин и их глубину. В качестве примера можно использовать утепленное строение с площадью 80 м², а высота его потолков составляет 2,8 м. Строение расположено в средней полосе, а вид грунта — глинистый. Также можно предположить, что для отопления строения требуется 7 кВт теплоэнергии. На практике этот показатель предстоит рассчитать дополнительно.

Процесс теплообмена между землей и хладагентом зависит от вида почвы:

1 погонный метр вертикального зонда, установленного в подземные воды, способен давать примерно 80 Вт тепла;
показатель теплосъема в каменистой местности равен 70 Вт/м;
содержащие большое количество влаги глинистые почвы способны поставлять около 50 Вт на каждый 1 м зонда;
сухая почва даст не более 20 Вт/м.

Также следует помнить, что вертикальный зонд представляет собой две петли из труб, расположенные на дне шахты и залитых бетоном. Для определения длины трубопровода необходимо требуемое для отопления дома количество тепла (в данном случае 7000Вт) разделить на показатель интенсивности теплообменна грунта — 50 Вт/м. В результате общая глубина зонда составит 100 м. Таким образом, предстоит сделать 7 шахт, в каждой из которых будет находиться по 2 теплообменных петли. Общая протяженность трубопровода составит 20х7х4 = 560 м.