Как устроен тепловой насос «вода-вода» и сделать его самостоятельно

Основные разновидности, их принципы работы

Все тепловые насосы отличаются друг от друга по источнику энергии. Основные классы устройств: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода и воздух-воздух.

Первое слово указывает на источник тепла, а второе — означает то, во что оно превращается в устройстве.

Например, в случае прибора грунт-вода тепло извлекается из земли, а потом оно преобразуется в горячую воду, которая используется как нагреватель в системе отопления. Ниже мы рассмотрим разновидности тепловых насосов для отопления более подробно.

Грунт-вода

Установки типа грунт-вода добывают тепло прямо из земли с помощью специальных турбин или коллекторов. В качестве источника в данном случае используется земля, которая нагревает фреон. Он нагревает воду, которая находится в баке-конденсаторе. При этом фреон охлаждается и поступает обратно на вход насоса, а разогретая вода используется в качестве теплоносителя в основной системе отопления.

Цикл нагрева жидкости продолжается до тех пор, пока насос получает электричество из сети. Самым затратным, с экономической точки зрения, является метод грунт-вода поскольку для монтажа турбин и коллекторов придётся бурить глубокие скважины или менять расположение грунта на большом участке земли.

Вода-вода

По своим техническим характеристикам насосы типа вода-вода очень похожи на устройства класса грунт-вода с тем лишь отличием, что в качестве первичного источника тепла в данном случае используется не земля, а вода. В качестве источника могут использоваться как подземные воды, так и из различных водоёмов.

Фото 2. Монтаж конструкции для теплового насоса типа вода-вода: в водоём погружаются специальные трубы.

Устройства класса вода-вода значительно дешевле насосов типа грунт-вода, поскольку для их установки не нужно бурить глубокие скважины.

Справка. Для работы водяного насоса достаточно погрузить несколько труб в ближайший водоём, поэтому для его работы не нужно бурить скважины.

Воздух-вода

Установки класса воздух-вода получают тепло прямо из окружающей среды. Такие приборы не нуждаются в крупном внешнем коллекторе для сбора тепла, а для нагрева фреона используется обыкновенный уличный воздух. После нагревания фреон отдаёт тепло воде, после чего горячая вода поступает в отопительную систему через трубы. Устройства данного типа довольно дешёвые, поскольку для работы насоса не нужен дорогостоящий коллектор.

Воздушный

Установка класса воздух-воздух тоже получает тепло прямо из окружающей среды, а для её работы также не требуется внешний коллектор. После контакта тёплого воздуха происходит нагрев фреона, затем фреон нагревает воздух в насосе. Потом этот воздух выбрасывается в помещение, что приводит к локальному повышению температуры. Устройства данного типа также являются довольно дешёвыми, поскольку для их работы не требуется установка дорогостоящего коллектора.

Фото 3. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух. В отопительные радиаторы поступает теплоноситель с температурой 35 градусов.

Сборка самодельного теплонасоса и его запуск в работу

Для сборки и запуска в работу самодельного теплового насоса потребуются следующие расходные материалы и оборудование:

1. сварочный аппарат;
2. вакуумный насос (для проверки всей системы на вакуум);
3. баллон с фреоном, заправка которого осуществляется через специальный клапан (установку клапана в системе следует предусмотреть заранее);
4. температурные датчики, которые устанавливаются на капиллярные трубы на выходе из всей системы и на выходе из испарителя;
5. пусковое реле, предохранитель, дин-рейка и электрощиток.

На раме, сваренной из профильной трубы, устанавливается компрессор и ресивер

Все сварочные и резьбовые соединения при сборке следует выполнять максимально качественно, чтобы обеспечить абсолютную герметичность системы, по которой будет перемещаться фреон.

В том случае, если в роли источника низкопотенциальной энергии выступает вода в открытом водоеме, дополнительно необходимо изготовить коллектор, наличие которого предполагает принцип работы тепловых насосов данного типа. Если же предполагается использование воды из подземного источника, надо пробурить две скважины, в одну из которых вода будет сбрасываться после того, как пройдет всю систему.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 — +25 градусов.
3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 — 10 градусов.
4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

• расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
• коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
• то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

1. Основываясь на полученных результатах можно рассчитать потребность в электроэнергии в течение года. Для этого воспользуемся соотношением:

Qгод = 24х0,63 х Qт.пот х ((d x (tвн-tнар.ср) : (tвн-tнар)) (кВт/час) в год, где:

• tвн- желательная величина температуры во внутренних помещениях дома;
• t нар – фактическая наружная величина температуры;
• tнар.ср – среднегодовая величина температуры в регионе;
• d – протяженность отопительного периода, дней.

1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Как своими руками сделать тепловой насос: расчет

Можно купить полностью готовый к использованию тепловой насос, но надо настроиться на то, что цена оборудования будет минимум 100-200 тысяч рублей. Есть и более дорогие тепловые насосы, их стоимость зависит главным образом от выдаваемой мощности. Сделать расчет теплового насоса вода-вода, чтобы понять, насколько экономически выгодно приобретение такого оборудования, помогают сотрудники магазинов, инженеры. Есть также программы, определяющие снижение затрат на отопление после установки теплового насоса.

Изучив устройство теплового насоса, можно попробовать сделать его самостоятельно. На это уйдет много времени, но средства будут сэкономлены. Чтобы произвести расчет теплового насоса, скачивают программу подбора оборудования или попросят о помощи знакомого инженера.

Выбор компрессора: цена имеет значение

Тепловой насос похож на холодильник, стенки которого нагревают воздух на кухне. Главная часть холодильника – компрессор. Сделать компрессор своими руками чрезвычайно трудно

Чтобы не покупать новый прибор, его можно снять со старого кондиционера, важно только, чтобы прибор был рабочим

Обратите внимание, с каким хладагентом работает компрессор. Такой же вам надо будет заправлять

Полноценный тепловой насос из компрессора холодильника своими руками вряд ли получится собрать. Мощности такого компрессора хватит лишь на обогрев небольшой комнаты.

Воздушный компрессор

Есть инверторный тип компрессора, способный плавно изменять мощность, экономить электроэнергию, бесшумно работать. Стоимость компрессора такого типа довольно высока. Если специально покупать новый прибор, предназначенный для теплового насоса, то это обойдется в 3-5 тысяч долларов США. Понятно, что при такой цене многие стремятся сделать компрессор из кондиционера. Стоит заметить, что говорить «водяной компрессор» неправильно, поскольку речь идет о сжатии газа. Правильнее говорить о компрессоре для теплового насоса с теплообменником «вода-вода».

Конденсатор своими руками по схеме

Чтобы сделать конденсатор, берут бочку из нержавейки на 100-120 л. Затем бочку разрезают на две части, внутри закрепляют змеевик из медной трубки, по которой будет двигаться хладагент (фреон). Змеевик получают, наматывая медную трубку на любой жесткий цилиндрический предмет (баллон, бак, стальная труба), сохраняя шаг витков.

Толщина стенки трубки составляет 1-1,2 мм, диаметр – 0,5 дюйма (12 мм). Такие трубки используют в холодильном оборудовании. Для расчета точной длины вычисляют площадь змеевика. Площадь в свою очередь помогает определить формула теплопроводности.

P=0,8*S*T, из нее получаем

S=P∕(0,8*T)

Здесь S – площадь медной трубы, P – полезная мощность, выдаваемая тепловым насосом, T – разница между температурами воды на входе в теплообменник и на выходе из него, 0,8 – коэффициент теплопроводности при условии, что змеевик выполнен из меди, а рабочей жидкостью является вода. К концам трубки припаивают соединения-переходники, резьба которых составляет 2 дюйма. Когда змеевик закреплен, две части бочки соединяют с помощью сварки.

Вместо бочки змеевик помещают в пластиковую трубу, и затем в поролоновую термоизоляционную трубу. Вода в этом случае будет циркулировать между стенками трубы и змеевиком. На концы трубы надевают точно так же переходники-тройники, а пространство между переходником и медной трубкой заполняют герметиком, препятствующим протечке. Чтобы производить расчет теплообменников, надо знать теорию процессов теплообмена, уметь пользоваться формулами. Если взять пример уже собранного теплообменника, змеевик которого проложен в пластиковой трубе, то на конденсатор уходит 12 м медной трубки, а на испаритель 10 м. Встречается трубы длиною 20 и 30 м.

Змеевик из медной трубки

Испаритель

Испаритель делают из пластикового бака объемом 80-130 л. Внутри него помещают еще один змеевик, для которого подходит медная труба, описанная в предыдущем разделе о конденсаторе. Чтобы располагать змеевик внутри было удобно, берут баки для «воды-воды» с широким отверстием. Здесь опять же, змеевик можно поместить вместо бака в пластиковую трубу. На концы змеевика испарителя насаживают переходник-тройник. Воду в испаритель подают через трубы для прокладки канализации. Впоследствии между испарителем и компрессором осуществляется врезка терморегулирующего вентиля.

Работа системы отопления от такого насоса

Принцип работы самой установки был описан выше. В результате ее происходит нагрев теплоносителя во втором контуре теплообменника, который и будет служить в дальнейшем источником тепла для обогрева здания или отдельных помещений.

Классическим вариантом распределения нагретого теплоносителя является соединение теплообменника двумя отдельными линиями к распределительной гребенке и водонагревательному бойлеру. К гребенке в свою очередь подключаются отопительные приборы, теплые полы и другое оборудование. Такое распределение необходимо из-за различных режимов работы систем горячего водоснабжения и отопления.

Линейка тепловых насосов воздух-вода определяет мощности установок от 2 до 120 кВт, что позволяет выбрать оборудование для отопления и горячего водоснабжения жилого дома любой площади.

Режим подачи холодного воздуха

Конструкция тепловых насосов позволяет не только обогревать дом зимой, но и обеспечить подачу охлажденного воздуха в жаркие дни летом. Для этого циркуляция хладагента запускается по обратному циклу. Однако, охлаждение отопительных приборов не обеспечит необходимый эффект поскольку опускающийся вниз холодный воздух не сможет создать комфортных условий по всему объему помещения. Поэтому для того чтобы использовать установку воздух-вода для кондиционирования потребуется наличие обдуваемого вентилятором конвектора.

Кроме этого в циркуляционный контур дополнительно устанавливают 4-ходовой клапан, второй дроссельный клапан и 2 линии труб. При переключении клапана закрывается линия в направлении «зимнего» дросселя и открывается в сторону «летнего», и охлажденный теплоноситель подается на конвектор. Подогрев горячей воды так же будет отключен.

Стоимость такого усовершенствования с учетом дополнительного оборудования, материалов и работ может быть вполне сравнима со стоимостью кондиционера. Поэтому в большинстве случаев будет вполне разумным отказаться от эксплуатации в сплит-режиме, а просто купить климатическую установку.

Как подобрать тепловой отопительный насос воздух-вода

Правильно выбрав тепловой насос для отопления дома воздух-вода, можно раз и навсегда решить вопрос обогрева жилых и промышленных помещений. Подбор подходящей тепловой станции выполняют следующим образом:

• Тип корпуса – производители предлагают две базовых конструкции. Низкотемпературный моноблочный тепловой насос типа воздух-вода примечателен тем, что в помещении не устанавливается никакого оборудования, все необходимые узлы расположены на улице (либо в отдельном изолированном помещении). В дом входит только подающий и обратный трубопровод отопления. Сплит – системы, больше предназначены для бытового использования. Внешний блок устанавливается на улице и подключается к емкости накопителю. Разогретый фреон разогревает конденсатор, который методом косвенного нагрева передает тепло жидкости, используемой в качестве теплоносителя.
• Функциональные возможности – некоторые модели предназначены для подключения только к системе водяного обогрева здания. Применение других теплонасосов воздух-вода, подходит для отопления и горячего водоснабжения.
• Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели обычно ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное вырабатывать тепловую энергию даже при -25-32°С. Эффективность системы отопления дома с ТН воздух – вода, напрямую зависит от этого параметра.

Дополнительно, к параметрам при выборе, обращают внимание на мощность оборудования, компанию производителя, выпускающую теплонасос и себестоимость установки, включая проведение монтажных работ

Как сделать расчет необходимой мощности ТН воздух-вода

Существует два понятия, предварительный (в первом приближении) и проектный расчёт мощности. Первый можно выполнить самостоятельно, второй делает специализированное учреждение. В первом приближении, на каждый квадратный метр рассчитывают 70 Вт мощности ТН. Дальнейшие расчеты выполняют следующим образом:

1. Подсчитывают общую отапливаемую площадь.
2. Умножают полученную сумму на 0,7.
3. Полученный результат будет соответствовать минимально необходимой мощности оборудования.

Чтобы обеспечить максимальную экономичность отопления дома с помощью теплового насоса системы воздух-вода, потребуется грамотная проектная документация и квалифицированное выполнение монтажных работ.

Производители тепловых насосов отопления воздух-вода

Буквально 10 лет назад, на рынке предлагались всего несколько моделей тепловых насосов. Сегодня выбор стал намного больше. Ведущие немецкие производители, российские, японские и китайские компании, выпускают оборудование, с той или иной долей теплоэффективности.

Судя по отзывам покупателей, наиболее востребованными являются насосы следующих компаний:

• Viessmann – более 30 лет занимается выпуском тепловых насосов. С тех пор, продукция компании существенно изменилась. Были учтены пожелания потребителей, внедрены новые технологии. В ТН Viessmann используется инновационная автоматика, полностью регулирующая весь процесс работы, оптимизирующая процесс обогрева, в согласии с погодными условиями.
• Buderus – модели отличаются высокой производительностью. Предназначены для бытового и промышленного применения. Полностью соответствуют особенностям отечественной эксплуатации. В серии Buderus предлагаются насосы для обогрева площади до 500 м² и выше.
• Stiebel Eltron – еще одна немецкая компания, пользующаяся неизменным спросом у отечественного потребителя. В качестве достоинств можно выделить большой ассортимент предлагаемого оборудования, функциональность устройств и возможность подбора по индивидуальным запросам. Модели Stiebel Eltron имеют высокий уровень СОР и отличаются экономичностью.
• Heliotherm – австрийские теплонасосы, имеющие один из лучших показателей СОР среди всего термального оборудования. Имеют официальное представительство в РФ, что во многом облегчает монтаж, обслуживание систем и выполнение гарантийных обязательств. Теплонасосами Heliotherm оснащены более 15 000 различных объектов.

Стоимость установки ТН воздух-вода

Последние модели тепловых насосов обойдутся в 160-1200 тыс. руб. Цена варьируется, в зависимости от производителя. На стоимость сильно влияет «раскрученность» бренда. Китайские модели, имеют меньшую цену, но и уступают по надежности и показателям СОР.

Монтаж теплонасосов воздух-вода обычно входит в стоимость. Большинство производителей, дополнительно, бесплатно делают проект и предоставляют другие услуги по обслуживанию. Рассчитать полную стоимость, включая покупку ТН и его установку можно с помощью он-лайн калькуляторов.

Функциональность теплового насоса вода-вода: откуда нагрев

Казалось бы, соединив вместе трубы, компрессор, испаритель и другие детали, можно получить функциональный прибор. Но на самом деле задача сложнее. Чтобы насос правильно работал, нагревал теплоноситель, рассчитывают теплообменник вода-вода. Далее определяют мощность компрессора, подбирают пусковое устройство, герметизируют систему. Дом утепляют, сводя к минимуму потери энергии. Самодельные устройства для отопления подключают:

• к теплому полу;
• к трубкам, разложенным в стене;
• к современным радиаторам с большой площадью.

Это позволяет рационально использовать выработанную энергию. Иногда в целях экономии тепловые насосы вода-вода включают вместе с котлами, работающими от газа, электричества или другого топлива.

Технология изготовления теплового насоса

Обустройство геотермального отопления – процедура сложная, но за несколько недель ее можно выполнить. Для этого потребуется купить специальное оборудование и инструменты, но затраты на них все равно будут меньшими, чем 300 тысяч.

Этап 1. Выбор источника энергии

Об особенностях различных источников энергии речь пойдет в конце статьи. Главное, что нужно уяснить – все они должны находиться под землей. Потребуется бурение скважины или рытье траншеи на глубину, где перманентная температура в зимнее время не опускается ниже +5ᵒС. Есть и другие варианты (водоемы, к примеру), но принцип работы у каждого из них один.

Этап 2. Проведение расчетов

Требуемая мощность будет зависеть лишь от качества термоизоляции дома:

• для некачественно утепленного дома потребуется минимум 70 Вт/м²;
• для домов, отделанных современным утеплителем – 45 Вт/м²;
• для домов, которые утеплены с применением специальных технологий – всего 25 Вт/м².

При необходимости улучшается термоизоляция.

Этап 3. Необходимое оборудование

Все, что потребуется при создании теплового насоса , продается в специализированн ых магазинах. Сюда можно отнести:

• компрессор;
• терморегулирующи й клапан;
• конденсатор;
• испаритель.

Помимо того, потребуется дополнительное оборудование, такое как:

• L-образные кронштейны;
• герметичный бак из «нержавейки»;
• болгарка;
• алюминиевые рейки;
• медные трубы разных диаметров, 3 шт.;
• пластиковый бак на 90 л;
• металлопластиков ые трубы.

Этап 4. Монтаж оборудования

Шаг 1. Компрессор должен быть бесшумным. Оптимальный вариант – использование компрессора от импортного кондиционера. Посредством L-образных кронштейнов длиной в 30 см он устанавливается на стене.

Шаг 2. Конденсатором послужит герметичный бак из «нержавейки» объемом минимум в 120 л. Бак разрезают на две части и помещают в него медный змеевик, в котором будет циркулировать антифриз. После этого резервуар сваривается обратно и в нем проделывается необходимое количество технических отверстий (обязательно резьбовых).

Шаг 3. В роли теплообменника выступает большая медная труба. Она наматывается на бак, а концы витков фиксируются рейками. Для вывода этих концов используются сантехнические переходы.

Шаг 4. Испаритель не будет подвергаться воздействию высоких температур, поэтому его можно сделать из обычной пластиковой бочки емкостью в 90-100 л. Испаритель также оборудуется медным змеевиком и крепится к стене L-образными кронштейнами. Для слива и подводки используются простые металлопластиков ые трубы.

Шаг 5. После сборки покупается терморегулирующи й клапан. Делать это раньше нежелательно, т. к. клапан должен быть совместимым с конструкцией.

Шаг 6. Для сварки готовых комплектующих и закачки фреона необходимо пригласить специалиста, ведь делать это самостоятельно минимум небезопасно. Кроме того, свежий опытный взгляд на самодельный насос может быть полезным.

Этап 5. Сборка

После сборки остается подсоединить систему к заборному устройству. Особенности этой процедуры напрямую зависят от выбранной схемы геотермального отопления.

Такая схема может быть горизонтальной и вертикальной.

При вертикальном расположении коллектор представляет собой систему труб. Он помещается ниже уровня промерзания грунта – обычно это 1,5-2 м, но конкретная цифра зависит от климатических особенностей региона. Снимается верхний слой почвы, устанавливаются трубы, производится обратная засыпка.

Насосы горизонтального типа устанавливают в траншеях, при этом трубы размещают опять же ниже глубины промерзания.

Как можно судить из названия, насос получает тепло непосредственно из воздуха, поэтому земляные работы в данном случае не требуются. Необходимо лишь выбрать место для монтажа коллектора – на крыше здания или где-нибудь неподалеку – и подключить к отопительной магистрали.

При сборке коллектора используются ПНД-трубы, а саму процедуру монтажа проводят на суше. Затем коллектор наполняется жидкостью и помещается в ближайший водоем, при этом трубы должны размещаться в максимальной близости от центра.

Такой способ отопления позволяет существенно сэкономить на монтажных работах. Суть подобной схемы в следующем: мощность насоса определяется минимальным возможным температурным показателем, но подобный минимум стоит на улице недолго, следовательно, большую часть времени система использует свой потенциал лишь частично.

В таких случаях устанавливают тепловой насос меньшей мощности, чем того требуют климатические условия, но параллельно с ним подключают небольшой электрокотел. Выходит, что при сильных морозах можно дополнительно «подтапливать» дом. По карману это особо не ударит, зато позволит сэкономить на строительстве насоса.