Особенности и принцип работы ТН

Чем тепловой насос отличается от других установок для отопления частных домов:

  • в отличие от котлов и обогревателей, агрегат самостоятельно не производит тепло, а подобно кондиционеру перемещает его внутрь здания;
  • ТН получил название насоса, поскольку «выкачивает» энергию из источников низкопотенциального тепла – окружающего воздуха, воды либо грунта;
  • установка питается исключительно электроэнергией, потребляемой компрессором, вентиляторами, циркуляционными насосами и платой управления;
  • работа аппарата основана на цикле Карно, используемом во всех холодильных машинах, например, кондиционерах и сплит-системах.
Принцип действия бытовой сплит-системы
В режиме обогрева традиционная сплит-система нормально работает при температуре выше минус 5 градусов, на сильном морозе эффективность резко падает

В теплообменном цикле Карно участвует рабочее тело – газ фреон, кипящий при минусовой температуре. Поочередно испаряясь и конденсируясь в двух теплообменниках, хладагент поглощает энергию окружающей среды и переносит внутрь здания. В целом принцип действия теплового насоса повторяет работу кондиционера, включенного на обогрев:

  1. Находясь в жидкой фазе, фреон двигается по трубкам наружного теплообменника-испарителя, как изображено на схеме. Получая тепло воздуха или воды сквозь металлические стенки, хладагент нагревается, кипит и испаряется.
  2. Дальше газ поступает в компрессор, нагнетающий давление до расчетного значения. Его задача – поднять точку кипения вещества, чтобы фреон сконденсировался при более высокой температуре.
  3. Проходя через внутренний теплообменник–конденсор, газ снова обращается в жидкость и отдает накопленную энергию теплоносителю (воде) или воздуху помещения напрямую.
  4. На последнем этапе жидкий хладон поступает внутрь ресивера–влагоотделителя, затем в дросселирующее устройство. Давление вещества снова падает, фреон готов пройти повторный цикл.
Как работает тепловой насос
Схема работы теплового насоса похожа на принцип действия сплит-системы

В бытовых кондиционерах и ТН применяются различные типы терморегулирующей арматуры, снижающей давление хладагента перед испарителем. В бытовых сплит-системах роль регулятора играет простое капиллярное устройство, в насосах ставится дорогой терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Заметьте, вышеописанный цикл происходит в тепловых насосах всех типов. Разница состоит в способах подвода/отбора тепла, которые мы перечислим далее.

Дроссельные устройства кондиционера
Виды дроссельной арматуры: капиллярная трубка (фото слева) и терморегулирующий вентиль (ТРВ)

Назначение бытового теплового насоса

Тепловые насосы создавался не для замены традиционных котлов, а для сокращения и оптимизации эксплуатационных расходов и снижения стоимости получаемого тепла. Величина такой экономии может быть значительной.

Коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую (СОР) для современного воздушного теплового насоса составляет 4-5. Это значит, что каждый кВт тепла будет стоить в 4-5 раз дешевле, чем при отоплении привычным электрическим котлом.

В инструкции к тепловому насосу любого производителя подробно рассказано, что тепловой насос должен работать в паре с традиционным отопительным котлом для покрытия пиковых нагрузок и повышения температуры нагрева. Приведены рекомендации по повышению эффективности работы теплового насоса, чтобы экономический эффект его применения был максимальным, а срок окупаемости коротким. Приводятся типовые схемы подключения тепловых насосов как в новые, так и в уже существующие системы отопления с обычными котлами.

Однако, домовладельцы часто пренебрегают этими рекомендациями, а также строительными нормами и правилами, особенно в части резервирования котлов системы отопления на случай аварий или ремонтных работ.

Для отопления дома можно использовать любые тепловые насосы, представленные на рынке. Однако, лучшими считаются те, которые имеют наивысшие показатели сезонной эффективности SCOP, проще в установке и настройке, надежнее в работе и, которые окупаются быстрее. Лидерами по этим показателям являются тепловые насосы воздушного типа.

В зависимости от способа передачи тепла потребителю — это могут быть привычные нам сплит-системы «воздух-воздух» (кондиционеры с расширенным рабочим диапазон температур) или более сложные системы «воздух-вода» для водяной системы отопления.

Делаем геотермальную установку

Согласно общепринятой классификации, ТН делятся на типы по источнику получаемой энергии и виду теплоносителя, которому она передается:

  1. Насосы типа «воздух-воздух» наиболее близки к традиционным сплит-системам, разница состоит в площади наружного испарителя. Аппарат отнимает теплоту окружающей среды и напрямую передает воздуху помещения, как происходит в обычном кондиционере.
  2. Конструкция генераторов «воздух–вода» идентична, но предусматривает нагрев воды либо антифриза, циркулирующего по системе отопления жилого дома.Отопитель типа воздух-вода
  3. Установка типа «вода-вода» берет низкопотенциальное тепло водоема и передает жидкому теплоносителю. Здесь применяется дополнительный внешний теплообменник из труб, погруженный в колодец, озеро, скважину или канализационный септик. Циркуляцию воды через испаритель обеспечивает второй насос.
  4. Геотермальный ТН использует теплоту грунта и нагревает внутридомовой теплоноситель. Внешний теплообменный контур представляет собой змеевик с антифризом, заглубленный на 1.5—2 м и занимающий большую площадь. Второй вариант – несколько вертикальных зондов из труб, опущенных внутрь скважин на глубину 10—100 метров.
Предлагаем ознакомиться  Сколько весит индюк. Вес индюка по месяцам (таблица).

Основной параметр, характеризующий тепловой насос для отопления дома, – коэффициент эффективности COP, равный отношению между полученной и затраченной энергией. Например, относительно недорогие воздушные отопители не могут похвастать высоким COP – 2.5…3.5. Поясняем: затратив 1 кВт электричества, установка подает в жилище 2.5—3.5 кВт теплоты.

Схемы отбора тепла водной среды
Способы отбора тепла водных источников: из пруда (слева) и через скважины (справа)

Водяные и грунтовые системы эффективнее, их реальный коэффициент лежит в диапазоне 3…4.5. Производительность – величина переменная, зависящая от многих факторов: конструкции теплообменного контура, глубины погружения, температуры и протока воды.

Если предыдущий вариант позволит добиться примерно двойной экономии, то даже самодельный земляной контур даст COP в районе 3 (три киловатта тепла на 1 кВт израсходованного электричества). Правда, финансовые и трудовые затраты тоже существенно увеличатся.

Хотя в интернете опубликована масса примеров сборки подобных аппаратов, универсальной инструкции с чертежами не существует. Мы предложим рабочий вариант, собранный и проверенный реальным домашним мастером, хотя многие вещи придется додумывать и доделывать самостоятельно – всю информацию о тепловых насосах сложно поместить в одной публикации.

Следуя собственным рекомендациям, приступаем к расчетам геотермального насоса с вертикальными U-образными зондами, помещенными в скважины. Необходимо узнать общую протяженность внешнего контура, а потом – глубину и количество вертикальных шахт.

Исходные данные для примера: нужно обогреть частный утепленный дом площадью 80 м² и высотой потолков 2.8 м, расположенный в средней полосе. Расчет нагрузки на отопление производить не станем, определим потребность в тепле по площади с учетом теплоизоляции – 7 кВт.

Способы раскладки трубы внешнего контура ТН
По желанию можно обустроить горизонтальный коллектор, но тогда придется выделить большую площадь под земляные работы

Интенсивность теплообмена между землей и незамерзающей жидкостью, циркулирующей по контуру, зависит от типа грунтов:

  • 1 погонный метр вертикального зонда, погруженного в подземные воды, получит около 80 Вт теплоты;
  • в каменистых грунтах теплосъем составит порядка 70 Вт/м;
  • глинистые почвы, насыщенные влагой, отдадут примерно 50 Вт на 1 м коллектора;
  • сухие породы – 20 Вт/м.

Пример вычисления длины трубы. Чтобы извлечь из сырой глинистой породы необходимые 7 кВт тепловой энергии, понадобится 7000 Вт поделить на показатель 50 Вт/м, получаем общую глубину зонда 140 м. Теперь трубопровод распределяется по скважинам глубиной 20 м, которые вы сможете пробурить своими руками.

Следующий этап – расчет площади теплообмена испарителя и конденсора. На различных интернет-ресурсах и форумах предлагаются некие расчетные формулы, в большинстве случаев – некорректные. Мы не возьмем на себя смелость рекомендовать подобные методики и вводить вас в заблуждение, но предложим некий хитрый вариант:

  1. Обратитесь к любому известному производителю пластинчатых теплообменников, например, Alfa Laval, Kaori, «Анвитэк» и так далее. Можно выйти на официальный сайт бренда.
  2. Заполните форму подбора теплообменника либо созвонитесь с менеджером и закажите подбор агрегата, перечислив параметры сред (антифриз, фреон) – температуру на входе и выходе, тепловую нагрузку.
  3. Специалист фирмы произведет необходимые расчеты и предложит подходящую модель теплообменника. Среди его характеристик вы найдете главную – площадь поверхности обмена.

Пластинчатые агрегаты очень эффективны, но дороги (200—500 евро). Дешевле собрать кожухотрубный теплообменник из медной трубки наружным диаметром 9.5 или 12.7 мм. Выданную производителем цифру умножьте на коэффициент запаса 1.1 и поделите на длину окружности трубы, получите метраж.

Предлагаем ознакомиться  Как правильно спроектировать расположение дверей?
Устройство пластинчатого теплообменника
Пластинчатый теплообменник из нержавейки – идеальный вариант испарителя, он эффективен и занимает мало места. Проблема в высокой цене изделия

Пример. Площадь теплового обмена предложенного агрегата составила 0.9 м². Выбрав медную трубку ½” диаметром 12.7 мм, вычисляем длину окружности в метрах: 12.7 х 3.14 / 1000 ≈ 0.04 м. Определяем общий метраж: 0.9 х 1.1 / 0.04 ≈ 25 м.

Будущий тепловой насос предлагается строить на базе наружного блока сплит-системы подходящей мощности (указана на табличке). Почему лучше использовать б/у кондиционер:

  • аппарат уже оснащен всеми комплектующими – компрессором, дросселем, ресивером и пусковой электрикой;
  • самодельные теплообменники можно поместить в корпус холодильной машины;
  • есть удобные сервисные порты для заправки фреона.

Собирать ТН на базе старого холодильника нецелесообразно – мощность агрегата слишком мала. В лучшем случае удастся «выжать» до 1 кВт теплоты, чего хватит на обогрев одной небольшой комнаты.

Тепловой насос для отопления и охлаждения квартиры

Помимо внешнего блока «сплита» понадобятся следующие материалы:

  • труба ПНД Ø20 мм – на земляной контур;
  • полиэтиленовые фитинги для сборки коллекторов и подключения к теплообменникам;
  • циркуляционные насосы – 2 шт.;
  • манометры, термометры;
  • качественный водопроводный шланг либо труба ПНД диаметром 25—32 мм на оболочку испарителя и конденсатора;
  • трубка медная Ø9.5—12.7 мм с толщиной стенки не менее 1 мм;
  • утеплитель для трубопроводов и фреоновых магистралей;
  • комплект для герметизации греющих кабелей, укладываемых внутри водопровода (понадобится для уплотнения концов медных трубок).
Приспособление для ввода греющего кабеля в трубу
Комплект втулок для герметичного ввода медной трубки

В качестве внешнего теплоносителя применяется солевой раствор воды либо антифриз для отопления – этиленгликоль. Также понадобится запас фреона, чья марка указана на шильдике сплит-системы.

Перед началом монтажных работ наружный модуль надо разобрать – снять все крышки, удалить вентилятор и большой штатный радиатор. Отключите электромагнит, управляющий реверсивным клапаном, если не планируете использовать насос в качестве охладителя. Датчики температуры и давления необходимо сохранить.

Порядок сборки основного блока ТН:

  1. Изготовьте конденсор и испаритель, просунув медную трубку внутрь шланга расчетной длины. На концах установите тройники для присоединения грунтового и отопительного контура, выступающие медные трубки уплотните с помощью специального комплекта для греющего кабеля.
  2. Используя в качестве сердечника отрезок пластиковой трубы Ø150—250 мм, намотайте самодельные двухтрубные контуры и выведите концы в нужные стороны, как это делается ниже на видео.
  3. Разместите и закрепите оба кожухотрубных теплообменника на месте штатного радиатора, медные трубки подпаяйте к соответствующим выводам. «Горячий» теплообменник–конденсатор лучше подключить к сервисным портам.Компоновка элементов геотермальной установки
  4. Установите заводские датчики, измеряющие температуру хладагента. Утеплите голые участки трубок и сами теплообменные устройства.
  5. На водяных магистралях поставьте термометры и манометры.

На тематических форумах встречается другой способ изготовления испарителя – трубка из меди навивается спиралью, затем вставляется внутрь закрытой емкости (бака или бочки). Вариант вполне разумен при большом количестве витков, когда рассчитанный теплообменник попросту не помещается в корпусе кондиционера.

На данном этапе выполняются несложные, но трудоемкие земляные работы и раскладка зондов по скважинам. Последние можно проделать вручную либо пригласить буровую машину. Расстояние между соседними скважинами – не менее 5 м. Дальнейший порядок работ:

  1. Прокопайте между сверлениями неглубокую траншею для укладки подводящих трубопроводов.
  2. В каждое отверстие опустите по 2 петли из полиэтиленовых труб и залейте ямы бетоном.
  3. Сведите магистрали к точке соединения и смонтируйте общий коллектор, используя фитинги ПНД.
  4. Проложенные в земле трубопроводы утеплите и засыпьте грунтом.
Монтаж внешнего контура ТН
Слева на фото – опускание зонда в обсадную пластиковую трубу, справа – прокладка подводок в траншее

Как выбрать тепловой насос для отопления дома

Учитывая особенности законодательства в части “зеленой энергии”, среднюю концентрацию квалифицированных подрядчиков в нашей стране, а также баснословную стоимость их услуг, рассматривать геотермальный тепловой насос, в качестве способа оптимизации расходов на отопление дома — это решение не для слабонервных.Тепловой насос для отопления и охлаждения квартиры

Конечно, как и в любом правиле и здесь есть свои исключения, когда “геотермалка” будет выгоднее “воздушника”, но все они укладываются в статистическую погрешность 3 % и говорить о них в этой статье мы не будем.

https://www.youtube.com/watch?v=3SH5jUDErHo

Предлагаем ознакомиться  Установка снегозадержателей: монтаж на кровлю из профнастила. Как правильно установить? Правила, расчеты и схемы

Если в доме установлена или планируется к установке обычная радиаторная (высокотемпературная) система отопления с рабочими температурами 50 градусов и выше, тогда тепловой насос — это одно из худших решений для экономии на отоплении дома. Потратьте эти деньги на модернизацию системы отопления, утепление дома и сокращение теплопотерь через вентиляцию, такая экономия будет ощутимей.

Какой ТН лучше собирать

Формулируем задачу: нужно построить самодельный тепловой насос с наименьшими затратами. Отсюда вытекает ряд логичных выводов:

  1. В установке придется использовать минимум дорогостоящих деталей, поэтому достичь высокого значения COP не удастся. По коэффициенту производительности наш аппарат проиграет заводским моделям.
  2. Соответственно, делать чисто воздушный ТН бессмысленно, проще пользоваться инверторным кондиционером в режиме обогрева.
  3. Чтобы получить реальную выгоду, нужно изготавливать тепловой насос «воздух – вода», «вода-вода» либо строить геотермальную установку. В первом случае можно добиться COP около 2—2.2, в остальных – достичь показателя 3—3.5.
  4. Без контуров напольного отопления обойтись не удастся. Теплоноситель, нагретый до 30—35 градусов, несовместим с радиаторной сетью, разве только в южных регионах.
Прокладка труб до озера
Прокладка внешнего контура ТН к водоему

Для реализации водяной версии ТН необходимы определенные условия (на выбор):

  • водоем за 25—50 м от жилища, на большем расстоянии потребление электричества сильно вырастет за счет мощного циркуляционного насоса;
  • колодец либо скважина с достаточным запасом (дебетом) воды и место для слива (шурф, вторая скважина, сточная канава, канализация);
  • сборный канализационный коллектор (если вам позволят туда врезаться).

Расход грунтовых вод рассчитать нетрудно. В процессе отбора теплоты самодельный ТН понизит их температуру на 4—5 °С, отсюда через теплоемкость воды определяется объем протока. Для получения 1 кВт тепла (дельту температур воды принимаем 5 градусов) нужно прогнать через ТН около 170 литров в течение часа.

На отопление дома площадью 100 м² потребуется мощность 10 кВт и расход воды 1.7 тонны в час — объем впечатляющий. Подобный тепловой водяной насос сгодится для небольшого дачного домика 30—40 м², желательно – утепленного.

Способы прокладки труб теплового насоса
Способы отбора теплоты геотермальным ТН

Сборка геотермальной системы более реальна, хотя процесс довольно трудоемкий. Вариант горизонтальной раскладки трубы по площади на глубине 1.5 м отметаем сразу – вам придется перелопатить весь участок либо платить деньги за услуги землеройной техники. Способ пробивки скважин реализовать гораздо проще и дешевле, практически без нарушения ландшафта.

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

Как нетрудно догадаться, для изготовления ТН «вода – воздух» потребуется оконный охладитель в рабочем состоянии. Очень желательно купить модель, оборудованную реверсивным клапаном и способную работать на обогрев, иначе придется переделывать фреоновый контур.

Холодильная мощность оконного кондиционера
Отопительная мощность аппарата больше холодильной и равна сумме двух параметров — производительность плюс тепло, выделяемое компрессором

При некоторой доле везения вам даже не придется выпускать фреон и перепаивать трубки. Как переделать кондиционер в тепловой насос:

  1. Снимите верхний кожух агрегата и открутите внешний теплообменник от поддона. Аккуратно отодвиньте радиатор, стараясь не перегибать трубки с хладагентом.
  2. Снимите наружную крыльчатку с общего вала.
  3. Изготовьте металлический бак по длине внешнего теплообменника, ширину сделайте на 10—15 см больше. В боковые стенки врежьте штуцеры подачи проточной воды.
  4. Чтобы радиатор не обмерзал, увеличьте площадь обмена, добавив по бокам пластины из меди либо алюминия (в зависимости от материала теплообменника).
  5. Погрузите радиатор в бак, желательно без разрезания фреоновых трубок. Сделайте герметичную крышку и уплотните вводы контура.
  6. Подсоедините к штуцерам шланги подачи и отбора воды, подключите циркуляционные насосы. Наполните и проверьте бак на герметичность.

Заключение

Сделать и запустить тепловой геотермальный насос своими руками весьма непросто. Наверняка потребуются неоднократные доработки, исправления ошибок, настройки. Как правило, большинство неполадок в самодельных ТН возникает из-за неправильной сборки либо заправки основного теплообменного контура. Если агрегат сразу отказал (сработала автоматика безопасности) либо не греет теплоноситель, стоит вызвать мастера по холодильному оборудованию – он проведет диагностику и укажет на допущенные ошибки.