Перші варіанти теплонасосів могли лише частково задовольнити потреби в тепловій енергії. Сучасні різновиди більш ефективні і можуть застосовуватися для систем опалення. Саме тому змонтувати тепловий насос своїми руками намагаються багато домовласників.
Ми розповімо, як вибрати оптимальний варіант теплового насоса з урахуванням гео-даних ділянки, на якому його планується встановити. У запропонованій до розгляду статті докладно описаний принцип дії систем використання "зеленої енергії", перераховані відмінності. З урахуванням наших порад ви, без сумніву, зупиніться на ефективному типі.
Для самостійних майстрів ми наводимо технологію збирання теплового насоса. Представлену до розгляду інформацію доповнюють наочні схеми, добірки фото і розгорнутий відео-інструктаж в двох частинах.
Що таке тепловий насос і як він працює?
Під терміном тепловий насос розуміється набір певного обладнання. Основною функцією цього обладнання є збір теплової енергії та її транспортування до споживача. Джерелом такої енергії може стати будь-яке тіло або середовище, що має температурою від + 1º і більше градусів.
У навколишньому середовищі джерел низькотемпературного тепла більш ніж достатньо. Це промислові відходи підприємств, теплових і атомних електростанцій, каналізаційні стоки тощо. Для роботи теплових насосів в сфері опалення будинку потрібні три самостійно відновлюються природних джерела - повітря, вода, земля.
Теплові насоси "черпають" енергію з процесів, регулярно відбуваються в навколишньому середовищі. Перебіг процесів ніколи не припиняється, тому джерела визнані невичерпними за людськими критеріями
Три перерахованих потенційних постачальника енергії безпосередньо пов'язані з енергією сонця, яке шляхом нагрівання призводить в рух повітря з вітром і повідомляє теплову енергію землі. Саме вибір джерела є основними критерієм, згідно з яким класифікують теплові насосні системи.
Принцип дії теплових насосів базується на здатності тел або середовищ передавати теплову енергію іншому тілу або середовищі. Одержувачі і постачальники енергії в теплових насосних системах працюють зазвичай в парі.
Так розрізняють наступні види теплових насосів:
- Повітря - вода.
- Земля - вода.
- Вода - повітря.
- Вода - вода.
- Земля - повітря.
- Вода - вода
- Повітря - повітря.
При цьому перше слово визначає тип середовища, у якій система відбирає низькотемпературне тепло. Друге вказує на вид носія, якому і передається ця теплова енергія. Так, в теплових насосах вода - вода, тепло відбирається у водного середовища і в якості теплоносія використовується рідина.
Теплові насоси з конструктивним типом є парокомпрессионной установками. Вони витягають тепло з природних джерел, обробляють і транспортують його до споживачів (+)
Сучасні теплові насоси використовують три основних джерела теплової енергії. Це - грунт, вода і повітряне середовище. Найпростіший з цих варіантів - повітряний тепловий насос. Популярність таких систем пов'язана з їх досить нескладною конструкцією і простотою монтажу.
Тепловий насос включає внутрішній і зовнішній блок. Зовнішня частина призначена для забору природної енергії, внутрішня для її переробки 
Зовнішній блок теплових насосів серії повітря-повітря схожий на зовнішню частину кондиціонера, в його роботі використовуються аналогічні принципи 
При бажанні збільшити продуктивність теплової системи повітря-повітря збільшують площу її випарника 
Значно складніше і дорожче в пристрої теплові системи, що використовують тепло надр землі. У їх числі вертикальні вироблення - свердловини 
Для спорудження горизонтального випарника систем, які забирають тепло грунту, потрібні вільні від забудови ділянки великої площі 
Труби випарника можуть укладатися численними петлями в траншеї. Головне, заглибити в землю необхідний метраж приймача енергії 
Свердловина для використання енергії грунтової води споруджується за принципами, схожим до правил улаштування випарника систем з забором енергії землі 
Для пристрою вертикального випарника теплового насоса, що використовує енергію води, потрібен довколишнє водоймище достатньої площі
Однак незважаючи на таку популярність, ці різновиди мають досить низьку продуктивність. До того ж ККД нестабільний і залежимо сезонних коливань температурного режиму.
Зі зниженням температури їх продуктивність значно падає. Такі варіанти теплових насосів можна розглядати як додаток до наявного основного джерела теплової енергії.
Варіанти обладнання, що використовує тепло ґрунту, вважаються більш ефективними. Грунт отримує і акумулює теплову енергію не тільки від Сонця, він постійно підігрівається за рахунок енергії земного ядра.
Тобто грунт є своєрідним тепловим акумулятором, потужність якого, практично, не обмежена. Причому температура грунту, особливо на деякій глибині, постійна і коливається в незначних межах.
Сфера застосування енергії, що виробляється тепловими насосами:
Теплові насоси служать постачальниками енергії для потреб низькотемпературних опалювальних контурів і систем підігріву води 
Найактивнішу застосування теплові насоси знайшли в якості постачальника енергії контурам повітряного опалення 
Теплові насоси здатні в повному обсязі забезпечити системи тепла підлога вимагаються об'ємом теплоносія необхідної температури 
Малогабаритний тепловий насос малої або середньої потужності відмінно впорається з підігрівом води для приватного басейну
Сталість температури джерела є важливим фактором стабільної та ефективної роботи даного виду енергетичного устаткування. Аналогічними характеристиками володіють системи, в яких водне середовище є основним джерелом теплової енергії. Колектор таких насосів розташовують або в свердловині, де він виявляється в водоносному шарі, або в водоймі.
Середньорічна температура таких джерел, як грунт і вода, варіюється від + 7º до + 12º С. Такий температури цілком достатньо для того, щоб забезпечити ефективну роботу системи.
Найбільш ефективними вважаються теплові насоси, извлекающие теплову енергію з джерел зі стабільними температурними показниками, тобто з води і грунту
Основні елементи конструкції теплових насосів
Для того щоб установка отримання енергії працювала згідно з принципами роботи теплового насоса, в його конструкції повинні бути присутніми 4 основних агрегату, це:
- Компресор.
- Випарник.
- Конденсатор.
- Дросельний клапан.
Важливим елементом конструкції теплового насоса є компресор. Його основна функція - підвищення тиску і температури пари, що утворюються в результаті кипіння холодоагенту. Для кліматичної техніки і теплових насосів зокрема застосовуються сучасні спіральні компресори.
Як робоче тіло, що здійснює безпосередній перенесення теплової енергії, використовуються рідини з низькою температурою кипіння. Як правило, використовується аміак і фреони (+)
Такі компресори розраховані на експлуатацію при мінусових температурах. На відміну від інших різновидів спіральні компресори виробляють мало шуму і працюють, як при низьких температурах кипіння газу, так і при високих температурах конденсації. Безсумнівною перевагою вважаються їх компактні розміри і невелику питому вагу.
Практично вся енергія теплового насоса витрачається на транспортування теплової енергії ззовні всередину приміщення. Так на роботу систем йде близько 1 енергетичної одиниці при виробництві 4 - 6 одиниць (+)
Випарник як конструктивний елемент являє собою ємність, в якій відбувається перетворення в пару рідкого холодоагенту. Холодоагент, циркулюючи по замкненому контуру, проходить через випарник. У ньому холодоагент розігрівається і перетворюється на пару. Пара, що утворюється під низьким тиском направляється в сторону компресора.
У компресорі пари холодоагенту піддаються дії тиску і їх температура зростає. Компресор перекачує під великим тиском розігрітий пар в сторону конденсатора.
Компресор стискає циркулює по контуру середу, в результаті чого збільшується її температура і тиск. Потім стиску середовища надходить в теплообмінник (конденсатор), де охолоджується, передаючи тепло воді або повітрю
Наступний конструктивний елемент системи - конденсатор. Його функція зводиться до віддачі теплової енергії внутрішньому контуру опалювальної системи.
Серійні зразки, що виготовляються промисловими підприємствами, оснащуються пластинчастими теплообмінниками. Основним матеріалом для таких конденсаторів служить легована сталь або мідь.
Для самостійного виготовлення теплообмінника підійде мідна трубка діаметром півдюйма. Товщина стінок труб, які використовуються для виготовлення теплообмінника, повинна бути не менше 1 мм
Терморегулюючий, або інакше дросельний, клапан встановлюється на початку тієї частини гідравлічного контуру, де циркулює серед високої тиску перетворюється в середу з низьким тиском. Точніше дросель в парі з компресором ділять контур теплового насоса на дві частини: одну з високими параметрами тиску, іншу - з низькими.
При проходженні через розширювальний дросельний вентиль циркулює по замкнутому контуру рідина частково випаровується, внаслідок чого тиск разом з температурою падають. Потім надходить в теплообмінник, з'єднана з навколишнім середовищем. Там захоплює енергію середовища і переносить її назад в систему.
За допомогою дросельного клапана відбувається регулювання потоку холодоагенту в сторону випарника. При виборі кнопки потрібно враховувати параметри системи. Клапан повинен відповідати цим параметрам.
При проходженні через теплорегулірующій клапан рідкий теплоносій частково випаровується, а температура потоку знижується (+)
Вибір типу теплового насоса
Основним показником цієї системи обігріву є потужність. Від потужності в першу чергу будуть залежати і фінансові витрати на покупку устаткування і вибір того або іншого джерела низькотемпературного тепла. Чим вище потужність теплової насосної системи, тим більше вартість комплектуючих елементів.
В першу чергу мається на увазі потужність компресора, глибина свердловин для геотермічних зондів, або площа для розміщення горизонтального колектора. Правильні термодинамічні розрахунки є своєрідною гарантією того, що система буде ефективно працювати.
При наявності поруч з особистим ділянкою водоймища найбільш рентабельним і продуктивним вибором стане тепловий насос вода-вода
Для початку слід вивчити ділянку, який планується для монтажу насоса. Ідеальним умовою буде наявність на цій ділянці водойми. Використання варіанту типу вода-вода значно скоротить обсяг земляних робіт.
Використання тепла землі навпроти передбачає велику кількість робіт, пов'язаних з виїмкою грунту. Системи, які в якості низько потенційного тепла використовують водне середовище, вважаються найбільш ефективними.
Пристрій теплового насоса, що витягує теплову енергію з грунту, передбачає проведення значної кількості земляних робіт. Закладається колектор нижче рівня сезонного промерзання
Використовувати теплову енергію грунту можна двома способами. Перший передбачає буріння свердловин діаметром 100-168 мм. Глибина таких свердловин, в залежності від параметрів системи, може досягати 100 м і більше.
У ці свердловини поміщають спеціальні зонди. При другому способі використовується колектор з труб. Такий колектор розміщується під землею в горизонтальній площині. Для цього варіанту необхідно досить велика площа.
Для укладання колектора ідеальними вважаються ділянки з вологим ґрунтом. Природно, буріння свердловин обійдеться дорожче, ніж горизонтальне розташування колектора. Однак не на кожній дільниці є вільні площі. На один кВт потужності теплового насоса потрібно від 30 до 50м² площі.
Спорудження для забору теплової енергії однієї глибокої свердловиною може виявитися трохи дешевше риття котловану. Але вагомий плюс полягає в істотній економії місця, що важливо для власників невеликих ділянок
У випадку з наявністю на ділянці високо залягає горизонту грунтових вод, теплообмінники можна влаштувати в двох розташованих на відстані близько 15 м одна від одної свердловинах.
Відбір теплової енергії в таких системах шляхом перекачування грунтових вод по замкнутому контуру, частини якого розташовані в свердловинах. Така система потребує встановлення фільтра та періодичного чищення теплообмінника.
Найпростіша і дешева схема теплового насоса заснована на вилученні теплової енергії з повітря. Колись вона стала базою для пристрою холодильників, пізніше згідно її принципам розроблені були кондиціонери.
Найпростіша теплова насосна система отримує енергію з повітряної маси. Влітку вона бере участь в опаленні, взимку в кондиціонуванні. Мінус системи в тому, що в самостійному виконанні агрегат з недостатньою потужністю
Ефективність різних типів даного обладнання не однакова. Найменшими показниками володіють насоси, що використовують повітряне середовище. До того ж ці показники безпосередньо залежать від погодних умов.
Грунтові різновиди теплових насосів мають стабільні показники. Коефіцієнт ефективності даних систем варіюється в межах 2, 8 -3, 3. Найбільшою ефективність мають системи вода-вода. Це пов'язано, в першу чергу, зі стабільністю температури джерела.
Треба зауважити, що чим глибше розташований у водоймі колектор насоса, тим стабільніше буде температура. Для отримання потужності системи в 10 кВт, необхідно близько 300 метрів трубопроводу.
Основним параметром, що характеризує ефективність роботи теплового насоса, вважається його коефіцієнт перетворення. Чим вище коефіцієнт перетворення, тим ефективніше вважається тепловий насос.
Коефіцієнт перетворення теплового насоса виражається через відношення показників теплового потоку і електричної потужності, витраченої на роботу компресора
Збірка теплового насоса своїми силами
Знаючи схему дії і пристрій теплового насоса, зібрати і змонтувати самостійно систему альтернативного опалення цілком можливо. Перед початком робіт необхідно розрахувати всі основні параметри майбутньої системи. Для розрахунку параметрів майбутнього насоса можна скористатися програмним забезпеченням, призначеним для оптимізації систем охолодження.
Найбільш простим в споруді варіантом є система повітря-вода. Вона не вимагає складних робіт по влаштуванню зовнішнього контуру, який притаманний водним і грунтових різновидів теплових насосів. Для монтажу знадобляться лише два канали, по одному з яких буде подаватися повітря, по другому відводитися відпрацьована маса.
Простіше за все своїми руками влаштувати тепловий насос з забором тепла з повітряної маси. Встановлений на вулиці вентилятор нагнітає повітря до випарника
Крім вентилятора необхідно обзавестися компресором потрібної потужності. Для такого агрегату цілком підійде компресор, яким оснащуються звичайні спліт-системи. Необов'язково купувати новий агрегат.
Можна зняти його зі старого обладнання або використовувати комплектуючі старого холодильника. Бажано застосовувати спіральну різновид. Ці варіанти компресорів крім володіння достатньою ефективністю створюють високий тиск, що забезпечує підвищення температури.
Для пристрою конденсатора знадобиться ємність і мідна труба. З труби робиться змійовик. Для його виготовлення використовується будь-який циліндричне тіло потрібного діаметру. Намотавши на нього мідну трубу можна легко і швидко виготовити цей елемент конструкції.
Готовий змійовик монтується в попередньо розрізану навпіл ємність. Для виготовлення ємності краще використовувати матеріали, стійкі до корозійних процесів. Після приміщення в нього змійовика, половинки бака зварюються.
Площа змійовика розраховується за такою формулою:
МТ / 0, 8 РТ,
де:
- МТ - потужність теплової енергії, яка видає система.
- 0, 8 - коефіцієнт теплопровідності при взаємодії води з матеріалом змійовика.
- РТ - різниця температур води на вході і на виході.
Вибираючи мідну трубу для самостійного виготовлення змійовика, потрібно звернути увагу на товщину стінок. Вона повинна бути не менше 1 мм. В іншому випадку під час намотування труба буде деформуватися. Трубу, через яку здійснюється вхід холодоагенту, розташовують у верхній частині ємності.
Теплообмінник з мідної трубки виготовляється шляхом навивання мідної трубки на предмет з циліндричною формою. Чим більше площа поверхні змійовика, тим вища продуктивність насоса
Випарник теплового насоса можна виконати в двох варіантах - у вигляді ємності з перебувають в ній змійовиком і у вигляді труби в трубі. Оскільки, температура рідини в випарнику невелика, ємність можна виконати з пластикової бочки. У цю ємність поміщається контур, який виконується з мідної труби.
На відміну від конденсатора, спіраль змійовика випарника повинна відповідати діаметру і висоті обраної ємності. Другий варіант випарника: труба в трубі. У такому варіанті трубка з холодоагентом розміщується в пластиковій трубі більшого діаметра, по якій циркулює вода.
Довжина такої труби залежить від планованої потужності насоса. Вона може бути від 25 до 40 метрів. Таку трубу згортають в спіраль.
Терморегулюючий клапан відноситься до запірно-регулюючої трубопровідної арматури. В якості запірного елемента в ТРВ використовується голка. Положення запірного елемента клапана обумовлюється температурою в випарнику.
Це важливий елемент системи має досить складну конструкцію. До її складу входять:
- Термічні елементи.
- Діафрагма.
- Капілярна трубка.
- Термобалон.
Ці елементи можуть прийти в непридатність при високій температурі. Тому під час робіт з пайки системи клапан слід ізолювати за допомогою азбестового тканини. Регулюючий клапан повинен відповідати продуктивності випарника.
Після проведення робіт з виготовлення основних конструкційних частин настає відповідальний момент складання всієї конструкції в єдиний блок. Найбільш відповідальним етапом є процес закачування хладагента або теплоносія в систему.
Самостійне проведення подібної операції навряд чи під силу простому обивателю. Тут доведеться звернутися до професіоналів, які займаються ремонтом і обслуговуванням кліматичного обладнання.
У працівників цієї сфери, як правило, є необхідне обладнання. Крім заправки холодоагенту вони можуть протестувати роботу системи. Самостійна закачування холодоагенту може призвести не тільки до поломки конструкції, але і до важких травм. Крім того, для запуску системи так само необхідне спеціальне обладнання.
При запуску системи відбувається пікова пускова навантаження, складова, як правило, близько 40 А. Тому запуск системи без пускового реле неможливий. Після першого пуску необхідне регулювання клапана і тиску холодоагенту.
До вибору холодоагенту варто поставитися з усією серйозністю. Адже саме ця речовина по суті вважається основним "переносником" корисної теплової енергії. З існуючих сучасних холодоагентів найбільшою популярністю користуються фреони. Це похідні вуглеводневих сполук, в яких частина атомів вуглецю заміщується на інші елементи.
В результаті складання окремих елементів теплового насоса повинен вийти замкнутий контур, по якому циркулює робоче середовище
В результаті проведення цих робіт вийшла система із замкнутим контуром. У ньому буде циркулювати холодоагент, забезпечуючи відбір і перенесення теплової енергії від випарника до конденсатору. При підключенні теплових насосів до системи теплопостачання будинку слід враховувати, що температура води на виході з конденсатора не перевищує 50 - 60 градусів.
У зв'язку невеликою температурою теплової енергії, що виробляється тепловим насосом, як споживача тепла потрібно вибирати спеціалізовані прилади опалення. Це може бути тепла підлога або ж об'ємні низько-інерційні радіатори з алюмінію або сталі з великою площею випромінювання.
Саморобні варіанти теплових насосів найбільш доречно розглядати в якості допоміжного обладнання, яке підтримує і доповнює роботу основного джерела.
З кожним роком конструкції теплових насосів удосконалюються. У промислових зразках, призначених для побутового використання, використовуються більш ефективні теплопередающие поверхні. В результаті продуктивність систем стає дедалі більше.
Важливим фактором, який стимулює розвиток подібної технології виробництва теплової енергії, є екологічна складова. Подібні системи крім того, що є досить ефективними, не забруднюють навколишнє середовище. Відсутність відкритого полум'я робить його роботу абсолютно безпечною.
Висновки і корисне відео по темі
Відео # 1. Як зробити найпростіший саморобний тепловий насос з теплообмінником з РЕХ труби:
Відео # 2. Продовження інструктажу:
В якості альтернативних систем опалення досить давно використовуються теплові насоси. Ці системи мають надійністю, тривалим терміном служби і, що важливо, нешкідливі для навколишнього середовища. Вони всерйоз починають розглядатися, як черговий крок на шляху розвитку ефективних і безпечних систем опалення.
Хочете поставити запитання або розповісти про цікавий спосіб споруди теплового насоса, що не згаданому в статті? Пишіть, будь ласка коментарі в розташованому нижче блоці.