Тепловой насос своими руками для отопления дома

Тепловой насос (ТН) — инновационное, эффективное, экологическое и бюджетное решение выработки тепла для нужд горячего водоснабжения (ГВС) и отопления. Принцип его работы прост. Устройство забирает тепло от естественных сред (воздух, земля, вода) и подаёт в отопительную систему (ОС) и ГВС.

Внутренний теплоноситель (аммиак или другой хладагент) отбирает энергию окружающей среды и транспортирует её в испаритель. В нём хладагент из жидкости преобразуется в газ путём испарения. На следующем этапе объем газообразного теплоносителя снижается и, следовательно, растёт его температура.

Горячий теплоноситель циркулирует в конденсаторе, тепловыделение из которого поступает в отопительную систему дома. Расширительный клапан обеспечивает повторное охлаждение хладагента, и он начинает новый тепловой цикл, что создаёт чрезвычайно эффективную систему теплоснабжения.

Схемы подключения источника отопления и эффективность

Эффективность такого насоса определяется путём сравнения количества энергии, вырабатываемой устройством, и количеством потреблённой электроэнергии на собственные нужды. Прежде всего она зависит от температуры наружного воздуха. В режиме обогрева производительность системы падает, когда наружная температура падает. В холодном климате при максимально низких температурах такая система требует дополнительного резервного отопления, когда она самостоятельно не может обеспечить достаточное количество тепла для поддержания санитарной температуры воздуха в помещении.

Существуют разные источники тепла для отопительных систем:

• Воздух;
• Почва;
• Грунтовые воды.

Простые расчёты говорят о том, что если высокоэффективный котёл на природном газе может работать с эффективностью 93%, ТС «воздух-воздух» — на 180%, а ТН «земля — вода» может достигать эффективности до 400%.

Теплонасосы вода-вода

Насосы «вода-вода» преобразуют энергию, полученную от природных водных источников, для внутридомового нагревательного контура. Гидротермальные системы используют грунтовые воды для нужд:

• отопления здания;
• охлаждения здания;
• ГВС для бытового потребления;
• подогрева воды для бассейнов.

Насосы отбирают тепловую энергию из подземных вод с помощью буровых скважин, дренажных систем и других водных систем. Полученная энергия через систему теплопередачи отдаётся воде, циркулирующей в отопительной системе дома. Охлаждённая вода возвращается в водоносный горизонт через сбросной колодец. Эффективность гидротермальных систем с водяными ТН обеспечивается неизменностью температуры подземных вод в течение года, обычно на уровне 8—13 C.

Такие условия создают стабильную высокопроизводительную систему отопления и делают её независимой от внешних погодных условий. Поэтому насосы «вода-вода» являются наиболее эффективными и имеют гарантированный постоянный коэффициент производительности (СОР). Коэффициент COP показывает отношение тепловой энергии (кВт) к потребляемой ТН электроэнергии (кВт) на собственные нужды для обеспечения отопления здания.

Когда температура находится в диапазоне 8—13 C, а подаваемая температура теплоносителя составляет 35 C, коэффициент COP = 5 ÷ 7. В этом случае для каждого киловатта электрической энергии, потраченного на управление ТН, мы получаем дармовую энергию 5 ÷ 7 кВт, достаточную для поддержания санитарного теплового режима в помещении с площадью примерно 60 м².

Промышленностью выпускается широкий диапазон насосов типа «вода-вода», которые успешно используются в системах теплоснабжения и кондиционирования воздуха одноквартирных и многоквартирных домов малой этажности, а также гостиниц, школ, административных зданий и промышленных объектов. Ограничением в применении такого типа ТН может стать наличие разрешительных документов на установку скважины.

Применение геотермальных систем для теплоснабжения

Использование энергии геотермальной энергии (приповерхностная) — ещё одно эффективное направление работы насосов. Под землёй прокладывается трубная система длиной порядка 100 метров, которая аккумулирует тепло почвы. Состояние почвы определяет, сколько геотермальных систем необходимо для обеспечения отопительной нагрузки дома. В случае больших участков в качестве альтернативы может использоваться тепло от расположенных рядом подземных коллекторов от централизованного отопления или водоснабжения.

Схема теплового насоса отлично работает летом по режиму кондиционирования воздуха. После сбора тепла от земли эта энергия отбирается насосом и подаётся во внутридомовую систему отопления. Геотермальные насосы требуют больших инвестиций в установку, чем воздушные, но они обеспечивают постоянную мощность нагрева, потому что почва имеет постоянные температуры круглый год. Таким образом, гарантируется непрерывное производство энергии.

Как установить геотермальную систему? Установка геотермальной системы может идти по нескольким направлениям:

1. Трубы теплообменника располагаются горизонтально, имеют длину траншеи на сотни метров. Такая схема требует значительного объёма земляных работ и приводит к нарушению придомового ландшафта. Кроме того, в будущем этот участок земли будет проблематично использовать под многолетние зелёные насаждения.
2. Трубы теплообменника располагаются вертикально, петли до 10 метров. Наиболее трудоёмкий и дорогой вариант.
3. Трубы теплообменника располагаются под водой водоёма, расположенного недалеко от дома. Самый дешёвый вариант.

Преимущества:

1. Бесступенчатая модуляция компрессора для обзора контролируемой производительности.
2. Снижение энергопотребления и затрат по сравнению с обычными теплонасосами.
3. Высокая энергоэффективность.
4. Более длительный срок службы благодаря процедуре мягкого пуска.
5. Температура нагрева на выходе до 60 C.
6. COP > 7.
7. Значительно более низкие эксплуатационные расходы благодаря интеллектуальному циклу охлаждения.

Помимо существенной экономии затрат, геотермальная система имеет некоторые дополнительные преимущества. Тепло выделяется при более низкой температуре, чем принудительный воздух, и работает непрерывно, поэтому система более стабильна, не имеет больших перепадов температур.

Геотермальные системы хорошо поддаются автоматизации с разгрузкой отопительной мощности. Когда температура в помещении будет соответствовать параметрам, установленным потребителем, излишнее тепло будет уходить на другие задачи энергообмена, например, для нагрева горячей воды. Обычный срок окупаемости большинства геотермальных систем составляет 5—10 лет, что сопоставимо с периодом окупаемости солнечной энергии.

Воздушные сплит-системы

Для этого типа насосов источником является энергия из внешнего воздуха. Основным преимуществом воздушного ТН по сравнению с геотермальными и водяными являются небольшие затраты на установку, так как не требуются выполнения земляных, монтажных и глубоководных работ по укладке теплопроводов.

Воздушные ТН бывают наружной и внутренней установки, выполненными моноблочными или сплит-системами. Для моноблочных воздушных насосов пластинчатый теплообменник расположен в наружном блоке, а энергия подаётся во внутренний блок через хорошо изолированные тепловые трубки. С раздельным тепловым насосом теплообменник расположен во внутреннем блоке, так что энергия транспортируется внутрь через хладагент.

Одно ограничение: ТН с воздушным источником теряют эффективность в более холодную погоду и прекращают работу, когда температура опускается ниже -20 градусов, поэтому для регионов со средней температурой холодного воздуха не более -10 С такие системы наиболее предпочтительны.

Расчёт контура теплоснабжения

Первое, что нужно сделать, прежде чем установить теплонасос — рассчитать тепловой баланс дома. Это позволит определить теплоотдачу, необходимую для обеспечения требуемой комфортной температуры. При расчёте насоса следует учитывать следующие данные:

• назначение здания;
• его общая площадь;
• количество этажей, площадь каждого из них;
• высота потолка;
• желаемая (требуемая) температура в помещении;
• стены (материал, толщина слоя);
• тип и общая площадь остекления;
• наличие системы вентиляции и её характеристики;
• спрос на горячую воду, количество точек;
• нагреватели и их тип;
• присутствие/отсутствие земли/воды поблизости;
• наличие/отсутствие ограничений на электричество.

Можно быстро предварительно рассчитать энергетические потребности дома по формуле:

P = V x C x T,

где V — объем жилья в м 3;

C — коэффициент строительства C = 0,75, если дом очень хорошо изолирован (RT2005) C от 0,9 до 1,3, когда дом плохо изолирован C = 1,6;

T — разница между требуемой температурой в доме и самой низкой температурой наружного воздуха в холодный период года для географической зоны места размещения строения.

Пример: Дом площадью 200 м², высотой 2, 5 м, расположенного в Московской области, температура внутри помещения 20 C, температура наружного воздуха — 16 С. P = 200×2, 5×0, 9 x (20 — (-16)) = 16200 Вт

Для этого дома, требующего 16 кВт, мы необходим тепловой насос мощностью от 16 кВт до 20 кВт .

Изготовление теплового насоса для домашних нужд

Тепловой насос для отопления дома своими руками изготовить выгодно и удобно. Статистика утверждает, что ТН для дома площадью 200 м² окупится в течение первых трёх лет, и это ещё не предел, учитывая растущую стоимость топлива и электроэнергии. Можно эти затраты сократить, если в доме есть умельцы, которые могут собрать насос из подручных материалов. Для этого понадобится:

1. Мощный компрессор, например, предназначенный для кондиционера. Если дома такого нет, то можно подобрать в мастерских по ремонту холодильников и кондиционеров. Для него предварительно нужно подготовить крепление в удобном месте (обычно на стене дома).
2. Конденсатор, его можно сделать самостоятельно. Изготовить змеевик из медной трубки с толщиной стенки не менее 1 мм, который разместить в подходящем по размеру металлическом сварном корпусе. Установить на нём необходимые отводы и соединения. Его также размещают на стене, рядом с компрессором. Для того чтобы змеевик был сделан качественно, медную трубу наматывают, например, на газовый баллон, а межвитковое расстояние закрепляют уголком из алюминия. Окончательный монтаж конденсатора (пайку медной трубы, закачку фреона и т. п. ) лучше доверить профессионалу, чтобы не повредить ТН и не получить травмы во время сборки или эксплуатации.
3. Испаритель — ёмкость для превращения жидкого хладагента в парообразное состояние. Образовавшийся пар, поступает в компрессор, который перекачивает его под давлением в конденсатор.
4. Дроссельный клапан. Необходимо приобрести, учитывая параметры насоса.
5. Соединительные трубные элементы схемы в зависимости от выбранного типа установки.
6. Проверяют гидравлическую плотность трубопроводных систем путём опрессовки (воздушной или водяной).
7. Проверяют надёжность электросилового оборудования дома.

Достоинства и недостатки источника теплоснабжения

Преимущества тепловых насосов:

• Идеальное электрическое отопление: выработка 4 квт тепла при потреблении 1 квт на собственные нужды установки.
• Независимость от дорогостоящего топлива (газ, уголь, мазут).
• Эффективный энергетический баланс в комплекте с напольными или настенными обогревателями.
• Занимают небольшое пространство в доме или подвале.
• Небольшие затраты на обслуживание.
• Хорошо интегрируется в систему «умный дом».

Недостатки:

• Экономическая эффективность после практических испытаний в старых домах не всегда соответствует заявленной производителем оборудования.
• Высокие требования к отопительной системе.
• Наличие бака-аккумулятора в схеме.
• Температура источника тепла постоянна только при грунтовых водах.
• Многие модели содержат хладагент, разрушающий климат.