Особенности тепловой системы воздух-вода
Тепловой насос, которому посвящена эта статья, в отличие от других модификаций подобного устройства (в частности, вода-вода и грунт-вода), обладает рядом достоинств:
- экономит электричество;
- для установки не потребуются масштабные земельные работы, бурение скважин, получение специальных разрешений;
- если подключить систему к солнечным батареям, то можно обеспечить полную ее автономность.
Веское преимущество тепловой системы, извлекающей энергию ветра и передающей ее воде, заключается в стопроцентной экологической безопасности.
Перед тем, как приступать к конструированию насоса, необходимо выяснить, в каких случаях система проявляет себя максимально эффективно, а когда ее использование нецелесообразно.
Тепловая насосная система, извлекающая энергию из воздушной массы, может использоваться для подогрева всех видов теплоносителей, применяющихся на территории СНГ: воды, воздуха, пара
Специфика применения и работы
Тепловой насос продуктивно работает исключительно в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре воздуха от +7 система будет вырабатывать больше тепла, чем необходимо, а при показателе ниже -5 – недостаточно для обогрева. Это связано с тем, что концентрированный фреон, находящийся в конструкции, закипает при температуре -55 градусов.
Теоретически система может вырабатывать тепло и в 30-градусный мороз, но его будет недостаточно для обогрева, ведь теплопроизводительность напрямую зависит от разности температуры кипения хладагента и температуры воздуха.
Поэтому жителям Северных регионов, где холода наступают раньше, эта система не подойдет, а в домах Южных областей она сможет эффективно прослужить несколько холодных месяцев.
Если в помещении установлены стандартные батареи, то тепловой насос будет работать менее эффективно. Лучше всего устройство воздух-вода сочетается с конвекторами и иными радиаторами с большой площадью, а также с системами «теплый пол», «теплые стены» водного типа.
Также само помещение должно быть хорошо утеплено снаружи, обладать встроенными многокамерными окнами, обеспечивающими лучшую теплоизоляцию, чем обычные деревянные или пластиковые.
Тепловой насос лучше всего взаимодействует с водяной системой «теплый пол», не требующей нагрева теплоносителя свыше 40 – 45º С
Самодельный тепловой насос сможет эффективно обогревать дома площадью до 100 кв. м и гарантировано выдавать мощность в 5 кВт. Следует понимать, что фреон невозможно залить достаточно качественно в конструкцию, созданную в бытовых условиях, поэтому следует рассчитывать на температуру его кипения до -22 градусов.
Устройство домашней сборки идеально подойдет для снабжения теплом гаража, теплицы, подсобных помещений, небольшого частного бассейна и др. Система обычно используется в качестве дополнительного обогрева.
Электрокотел или иное традиционное оборудование для отопительного сезона потребуется в любом случае. Во время сильных морозов (-15-30 градусов) тепловой насос рекомендуется выключать, чтобы избежать растрат электроэнергии, ведь в этот период его эффективность составляет не больше 10%.
Тепловые насосы поставляют достаточное количество энергии для обогрева воды в крытых частных бассейнах (+)
Принцип действия системы
Рабочее вещество в конструкции – воздух. Через наружный блок, устанавливающийся на улице, кислород по трубам поступает в испаритель, где взаимодействует с хладагентом.
Фреон под действием температуры становится газообразным (поскольку закипает при -55 градусах) и в нагретом виде под давлением поступает в компрессор. Устройство сжимает газ, тем самым увеличивая его температуру.
Горячий фреон поступает в контур накопительного бака (конденсатора), где происходит отдача тепла воде, которую впоследствии можно использовать для организации отопления и ГСВ. В конденсаторе фреон лишается только части своего тепла, и все еще находится в газообразном состоянии.
Проходя через дроссель, хладагент распрыскивается, в результате чего его температура понижается. Фреон становится жидким и в таком виде переходит в испаритель. Цикл повторяется.
На рисунке схематически показана реализация принципа элементарного теплового насоса, разделенного компрессором и расширителем на два контура – высокого и низкого давления
Желающим самостоятельно соорудить тепловой насос из бросовых материалов и отслужившей техники, к примеру, из старого холодильника, поможет информация, изложенная в рекомендуемой нами статье.
Потребители тепловой энергии
После того была собрана какая-либо модель теплового насоса, необходимо подключить его к какому-либо потребителю. Так как мощность данной системы не слишком высокая, то следует подключать его к специализированным системам отопления, к примеру, обогревателю. Отличным вариантом будет подсоединить такое устройство к теплому полу. Возможен вариант соединения с низкоинерционными радиаторами из алюминия или же стали с большой площадью излучения.
Уместно будет сказать, что самодельные варианты также лучше всего подходят только в качестве дополнительного источника отопления. Полностью обеспечить обогрев дома при помощи самоделки не получится, или же температура будет небольшой. Самостоятельно с этой задачей сможет справиться лишь промышленная установка. Кроме того, широкое распространение таких установок произошло благодаря тому, что они экологичны на 100 %. Переход на такие системы отопления значительно скажется на улучшении экологии.
Технология
В задачи гелиоколлектора (его также называют солнечным коллектором) входит получение и преобразование солнечной энергии для ее применения внутри дома. Основным элементом данной системы является абсорбер, размещаемый внутри коллектора. Также в состав гелиоколлектора входят гидравлический контур из трубопроводов, клапаны, фильтры, насос, который обеспечивает движение теплоносителя в системе, и системы регулирования.
Абсорбер поглощает излучение, нагревается и преобразует его в тепловую энергию. От абсорбера теплота передается к теплоносителю (это может быть вода или другая жидкость), который протекает по встроенным в коллектор трубкам. Теплоноситель перетекает по трубопроводу в буферный бак-накопитель, нагревает там запас воды и, охлажденный, возвращается в коллектор.
Варианты
Эффективность работы абсорбера зависит от его вида. Самый простой большую часть энергии отражает. Более полезен так называемый селективный абсорбер, который собирает до 95% попадающей на него энергии.
Не менее важно правильно выбрать и тип самого коллектора. Плоские прямоугольные модели прочны и надежны, но хорошо будут работать только в теплое время года и в ясную погоду
И все же именно эти варианты наиболее популярны, поскольку стоят дешевле и требуют меньше внимания при обслуживании. Цена у трубчатых коллекторов выше, но и полезное действие ощутимо больше. Такие устройства смогут «ловить» солнечное тепло даже зимой и в пасмурные дни. Так что их установка более разумна и в долгосрочной перспективе выгодна.
Монтаж солнечного коллектора
Установку гелиоколлекторов, как и тепловых насосов, следует доверить специалисту. Иногда их располагают на подпорных конструкциях на приусадебном участке, однако в большинстве случаев солнечные коллекторы размещают на крыше здания. А плоские коллекторы нередко встраивают в ее конструкцию, правда, при условии, что скат крыши составляет не менее 25°. Держатели дают возможность укрепить оба типа коллекторов на крыше любой формы и конфигурации.
С 1 м2 площади гелиоколлектора можно получить до 3 кВт*ч тепловой энергии в сутки. Этот показатель увеличивается летом, но снижается в 1,5-2 раза зимой. Имеют значение и региональные различия: на самую высокую отдачу можно рассчитывать в южных областях страны.
Однако польза от применения гелиоколлекторов будет в любой точке страны. Конечно, при условии разумного подхода к выбору их местоположения. Так, наиболее полезны те из них, что «смотрят» в южном направлении. Трубчатые коллекторы можно также направить на юго-запад или юго-восток. При планировании монтажа следует обязательно учитывать расположение деревьев (с учетом их будущего роста) и соседних построек.
Конструктивное исполнение
Промышленность выпускает различные по эксплуатационным характеристикам модели, но они имеют в своем составе оборудование, выполняющее типовые задачи, описанные выше.
Как вариант конструктивного исполнения на рисунке представлен тепловой насос для отопления дома.
Здесь по входным трубопроводам принимается тепло от геотермальных источников, а по выходным — передается в систему обогрева дома.
Работа теплового насоса обеспечивается:
- системой контроля параметров схемы и управления, включая дистанционные способы через интернет;
- дополнительным оборудованием (узлы промывки и заполнения, расширительные баки, группы безопасности, насосные станции).
Грунтовые конструкции
Они используют три схемы устройства теплообменников для забора энергии от источника:
- поверхностное расположение;
- установка вертикальных грунтовых зондов;
- заглубление горизонтальных конструкций.
Первый метод наименее эффективен. Поэтому он редко применяется для отопления дома.
Установка зондов в скважинах
Этот способ наиболее эффективен. Он предусматривает создание скважин на глубины порядка 50÷150 метров и больше для размещения U-образного трубопровода из пластиковых материалов с диаметром от 25 до 40 мм.
Увеличение площади поперечного сечения трубы, как и углубление скважины, создает улучшенный теплосъем, но удорожает конструкцию.
Горизонтальные коллекторы
Бурение скважин для зондов стоит дорого. Поэтому часто выбирается этот способ, как более дешевый. Он позволяет обойтись рытьем траншей ниже глубины промерзания почвы.
В проекте горизонтального коллектора следует учитывать:
- теплопроводность грунта;
- среднюю влажность почвы;
- геометрию участка.
Они влияют на габариты и конфигурацию коллектора. Трубы могут укладываться:
- петлями;
- зигзагами;
- змейкой;
- плоскими геометрическими фигурами;
- винтовыми спиралями.
Важно понимать, что площадь участка, отводимого под такой коллектор, обычно превышает габариты фундамента дома в 2÷3 раза. Это основной недостаток такого метода
Водные коллекторы
Это наиболее экономичный способ, но он требует расположения около здания глубокого водоема. На его дне размещают и закрепляют грузами собранные трубопроводы. Для эффективной работы теплового насоса требуется просчитать минимальную глубину закладки коллектора и объем водоема, способного обеспечить теплосъем.
Габариты такой конструкции определяются проведением тепловых расчетов и могут достигать протяженности более 300 метров.
Рисунок ниже демонстрирует подготовку магистралей для сборки на льду весеннего озера. Он позволяет визуально оценить масштабы предстоящей работы.
Воздушный метод
Внешний или встроенный вентилятор нагнетает воздух с улицы прямо на испаритель с фреоном, как в кондиционере. При этом не требуется создавать громоздкие конструкции из труб и помещать их в грунт или водоем.
Тепловой насос для отопления дома, работающий по такому принципу, стоит дешевле, но использовать его рекомендуется в относительно теплом климате: морозный воздух не позволит работать системе.
Подобные устройства нашли широкое применение для обогрева воды в бассейнах или помещений, расположенных рядом с промышленными устройствами, постоянно участвующими в технологическом процессе и выделяющими в атмосферу тепло мощными системами охлаждения. В качестве примера можно привести силовые автотрансформаторы энергетики, дизельные станции, котельные.
Виды агрегатов
Наглядное представление о вариантах устройства тепловых насосов представляет их классификация по виду теплоносителя на внешнем и внутреннем контурах конструкции. Получать энергию устройство может из:
- грунта;
- воды (водоём или источник);
- воздуха.
Внутри дома полученная тепловая энергия может использоваться в системе отопления, а также для подогрева воды или для кондиционирования воздуха. Поэтому различают несколько видов тепловых насосов в зависимости от сочетания этих элементов и функций.
Система «грунт-вода»
Получение тепла из грунта считается одним из самых эффективных для этого типа альтернативного отопления, поскольку уже примерно в пяти метрах от поверхности температура грунта остаётся достаточно постоянной, мало подвержена изменениям погодных условий.
В геотермальном тепловом насосе используют специальные теплопроводящие зонды
В качестве теплоносителя на внешнем контуре используется специальная жидкость, которую принято называть рассолом. Это экологически безопасный состав.
Наружный контур теплового насоса типа «грунт-вода» выполняют из пластиковых труб. Разместить их в грунте можно горизонтально или вертикально. В первом случае могут понадобиться работы на значительной площади, от 25 до 50 кв. м на каждый киловатт мощности насоса. Площади, отведённые под устройство горизонтального коллектора, нельзя использовать для сельскохозяйственных нужд. Здесь допустима только разбивка газона или высадка однолетних цветущих растений.
Для сооружения вертикального коллектора понадобится ряд скважин глубиной 50-150 метров. Поскольку температура грунта на такой глубине выше и устойчивее, такой геотермальный тепловой насос считается более эффективным. Для передачи тепла в этом случае используются специальные глубинные зонды.
Насос «вода-вода»
Не менее эффективным выбором может стать тепловой насос вода вода, поскольку на большой глубине температура воды остается достаточно высокой и постоянной. В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться:
- открытые водоёмы (озёра, реки);
- грунтовые воды (скважины, колодцы);
- сточные воды промышленных технологических циклов (обратное водоснабжение).
Принципиальных отличий в конструкции теплонасосов «грунт-вода» или «вода-вода» не имеется. Наименьших затрат потребует сооружение теплонасоса, использующего энергию открытого водоёма: трубы с теплоносителем нужно снабдить грузом и погрузить в воду. При использовании потенциала грунтовых вод понадобится более сложная конструкция. Может потребоваться сооружение дополнительного колодца для сброса воды, которая проходит через теплообменник.
Использование теплового насоса вода-вода в открытом водоеме может быть очень выгодным
Универсальный вариант «воздух-вода»
По эффективности тепловой насос воздух вода уступает другим моделям, поскольку в холодное время года мощность его ощутимо снижается. Однако для его монтажа не требуется сложных работ по выемке грунта или по сооружению глубоких скважин. Нужно только выбрать и установить подходящее оборудование, например, прямо на крыше дома.
Тепловой насос воздух-вода можно установить без масштабных монтажных работ
Несомненным преимуществом этой конструкции является способность повторно использовать тепло, которое покидает обогреваемые теплонасосом помещения с отработанным воздухом или водой, а также в виде дыма, газа и т. п. Чтобы компенсировать недостаток мощности воздушного теплонасоса в зимний период, следует предусмотреть варианты альтернативного отопления.
Наименее затратным вариантом может стать тепловой насос воздух-воздух, для сооружения которого не нужны сложные работы по созданию традиционной системы водяного отопления в помещениях.
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.
Принцип действия тепловых насосов
Стоит отметить, что практически любая среда обладает тепловой энергией. Почему бы не использовать возможное тепло для отопления своего дома? Поможет в этом тепловой насос.
Принцип работы теплового насоса таков: тепло передается теплоносителю от источника энергии с низким потенциалом. На практике же все происходит следующим образом.
Теплоноситель проходит через трубы, которые зарыты, к примеру, в земле. Потом теплоноситель попадает в теплообменник, где собранная тепловая энергия передается на второй контур. Хладагент, который расположен во внешнем контуре, нагревается, и превращается в газ. После этого газообразный хладагент проходит в компрессор, где сжимается. Это приводит к тому, что хладагент еще больше нагревается. Горячий газ идет в конденсатор, а там тепло переходит к теплоносителю, который уже обогревает сам дом.
Геотермальное отопление дома: принцип работы
Холодильные системы устроены по такому же принципу. Это значит, что холодильные установки могут использоваться для охлаждения воздуха в помещении.
Виды тепловых насосов
Существует несколько видов тепловых насосов. Но чаще всего устройства классифицируются характером теплоносителя на внешнем контуре.
Устройства могут черпать энергию с
- воды,
- грунта,
- воздуха.
Полученная энергия в доме может применяться для отопления помещения, для нагревания воды. Потому и различают несколько видов тепловых насосов.
Тепловые насосы: грунт — вода
Самый лучший вариант альтернативного отопления – получение тепловой энергии из грунта. Так, уже на глубине шести метров земля имеет постоянную и неизменную температуру. В качестве теплоносителя в трубах используется специальная жидкость. Наружный контур системы выполняется из пластиковых труб. Трубы в грунте могут размещаться вертикально или горизонтально. Если трубы размещаются горизонтально, то необходимо выделять большую площадь. Там, где трубы устанавливаются горизонтально, невозможно использовать земли для сельскохозяйственных нужд. Можно только устраивать газоны или сажать однолетние растения.
Чтобы устроить вертикально трубы в грунте, необходимо сделать несколько скважин глубиной до 150 метров. Это будет эффективный геотермальный насос, так как температура на большой глубине у земли высокая. Для передачи тепла применяются глубинные зонды.
Тип насоса «вода — вода»
Кроме того, тепло можно получать из воды, которая находится глубоко под землей. Могут использоваться водоемы, грунтовые воды или сточные воды.
Стоит отметить, что принципиальных отличий между двумя системами нет. Самые малые затраты требуются тогда, когда создается система получения тепла из водоема. Трубы нужно наполнить теплоносителем и погрузить в воду. Более сложная конструкция нужна для того, чтобы создать систему получения тепла из грунтовых вод.
Насосы «воздух — вода»
Можно собирать тепло и с воздуха, но в регионах, где очень холодные зимы, такая система не эффективна. В то же время монтаж системы очень простой. Вам понадобится только выбрать и установить нужное устройство.
Еще немного о принципе действия геотермических насосов
Для отопления очень выгодно использовать тепловые насосы. Дома, площадь которых имеет более 400 квадратных метров, очень быстро окупают затраты на систему. Но если ваш дом не очень большой, то можно сделать систему отопления своими руками.
Сначала нужно купить компрессор. Подойдет устройство, который оснащен обычный кондиционер. Его крепим на стене. Конденсатор можно изготовить самому. Нужно сделать из медных труб змеевик. Его помещают в пластиковый корпус. Испаритель также устанавливается на стене. Пайку, заправку фреоном и тому подобные работы должен выполнять только профессионал. Неумелые действия не приведут к хорошему результату. Мало того, можно получить травму.
Перед тем, как запустить в работу тепловой насос, необходимо проверить состояние электрификации дома. Мощность счетчика должна быть рассчитана на 40 ампер.
Самодельный тепловой геотермальный насос
Отметим, что не всегда созданный своими руками тепловой насос оправдывает ожидания. Причина тому – отсутствие правильных тепловых расчетов. Система имеет малую мощность, а также растут затраты на обслуживание
Поэтому важно провести точно все расчеты. опубликовано econet.ru
Выводы и полезное видео по теме
У нас тепловые насосы пока еще не особенно распространены, однако уже можно найти умельцев, способных поделиться опытом самостоятельного изготовления подобных систем. Предлагаем подборку полезных видеоматериалов.
Особенности подключения, эксплуатации самодельного теплового насоса:
Видеоотзыв о работе самодельной отопительной системы из кондиционера:
Схемы обогрева с теплонасосами не всегда рентабельны и удобны, поэтому обязательно взвесьте плюсы и минусы отопления этого типа.
Если придете к выводу, что такая система подойдет для вашего дома, не торопитесь тратить огромные суммы на готовую установку и соберите конструкцию самостоятельно. Это не так уж и сложно, требует гораздо меньших денежных вложений, а эффект может превзойти все ожидания.
Собираетесь собрать тепловой насос собственноручно, но не знаете с чего начать? Или может уже доводилось собирать подобную конструкцию и есть необходимые знания, которыми вы можете поделиться с нашими читателями? Оставляйте, пожалуйста, комментарии, задавайте вопросы в расположенном ниже блоке.
