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

Особенности монтажа ТН системы воздух-воздух

Монтаж ТН воздух-воздух чем-то напоминает установку сплит-системы. В устройстве присутствует два блока – внешний и внутренний, соединенных между собой контуром, по которому циркулирует хладагент.

Наружный или внешний блок теплового насоса, монтируется на улице. Некоторые модели устанавливаются в специальный защитный кожух. Станция настолько легкая, что ее монтаж допускается даже на кровле здания. Рекомендуется, чтобы ТН воздух-воздух устанавливался приблизительно в 2-3 м от входа в жилые помещения.

Внутренний блок размещают таким образом, чтобы потоки нагретого воздуха, максимально эффективно распространялись по помещению. Допускается настенная и потолочная установка.

Централизованное воздушное отопление дома с помощью теплового насоса воздух-воздух, при постоянном проживании, требует использования системы принудительного нагнетания воздуха. Протяженность воздушных каналов и их расположение, тщательно просчитывается во время изготовления проектной документации.

Установка теплового насоса – это сложный технологический процесс, поэтому, выполнение работ выполняют специализированные монтажные бригады, имеющие соответствующую лицензию.

Преимущества и недостатки ТН воздух-воздух

Отзывы реальных владельцев о тепловых насосах системы воздух-воздух, помогают составить точную картину, относительно энергоэффективности использования альтернативных методов обогрева, а также получить представление о существующих преимуществах и недостатках.

Отопление дома ТН воздух-воздух имеет следующие плюсы:

• Экономия средств – даже при значительных первоначальных затратах, теплонасос самоокупается уже через 3-6 лет эксплуатации. Так как оборудование рассчитано на 30-50 лет службы, выгоды очевидны. Затраты на электроэнергию, в течение всего отопительного сезона, в 3-5 раз меньше чем у электрокотла.

Полная независимость от традиционных видов топлива. Главное преимущество отопления ТН воздух-воздух заключается в производстве тепловой энергии, без использования газа, твердого и жидкого топлива, и т.д. При условии установки солнечных панелей, можно отказаться и от внешнего электричества.

Экологичность – во время работы используют возобновляемые источники тепловой энергии, полностью отсутствуют вредные выбросы.

Конечно, у теплонасосов есть свои слабые стороны, которые время от времени пытаются исправить производители. К ним относятся:

• Зависимость КПД от наружной температуры – производители постоянно совершенствуют системы. Современное оборудование способно работать при -15 -25°С. Эффективность при низких температурах заметно снижается, что ограничивает применение модулей для отопления помещений в условиях Севера.

Большие материальные затраты на приобретение и монтаж теплонасоса. Главный недостаток ТН воздух – воздух, по причине которого, станции не получили широкого распространения в отечественных условиях.

Перспективы использования ТН воздух-воздух достаточно оптимистичные. Сравнительно недавно, несколько крупных производителей объявили о разработке модулей, способных работать при отрицательной температуре до -32°С. Постоянно делается акцент на удешевлении продукции, чтобы сделать ее доступной для потребителей среднего класса, улучшается производительность (средние показатели СОР у современных моделей равны 5-8 единицам).

Что может стать источником тепла для теплового насоса

Тепло для обогрева помещения можно отбирать у воздуха  на улице. Но тут неминуемо возникнут сложности при эксплуатации: слишком велики колебания температуры даже среднесуточные, не говоря уже о том, что нормальную эффективность тепловой насос показывает при температуре выше 0o C. А как много регионов у нас имеют зимой такую картину? Весной, да и то не ранней, и не на всей территории, и не постоянно.

Источником тепла для вашего дома с отоплением от теплового насоса может стать любая среда

Намного более приемлемым выглядит источник тепла, расположенный в воде. Если рядом есть речка, озеро или приличной глубины пруд — это просто здорово: можно трубопровод просто утопить

Важно только чтобы там рыбаки с донками не рыбачили

Еще один неплохой вариант — колодец, однако есть вероятность, что упадет уровень воды и придется вам искать другой источник. Но пока все нормально, работать будет неплохо: средняя температура воды в подземных горизонтах 5-7 oC. Этого для работы теплового насоса более чем достаточно.

Вы будете, возможно, удивлены, но использовать можно и канализацию — там температуры выше, чем в колодцах. Трубопровод можно будет разместить в сточной яме или колодце, но при условии, что он будет покрыт водой постоянно. И трубу нужно будет выбрать химически стойкую.

Горизонтальный подземный коллектор — дело чрезвычайно трудоемкое: снять грунт придется с нескольких соток на глубину ниже точки промерзания. Это очень большие объемы, которые в одиночку или даже с помощником не осилить. И, как показала практика, в наших климатических условиях такие системы малоэффективны: слишком суровы зимы.

С вертикальными коллекторами дело не лучше — без бурильной техники обойтись вряд ли удастся.  Количество и глубина скважин зависят от грунта: разброс возможного съема тепла с метра скважины очень большой. От 25 Вт/м в сухом щебенистом и песчаном грунте, до 80-85 Вт/м во влажных щебенистых и песчаных почвах или в граните. Соответственно и разница в длине скважин в 3 раза и выше.

Вот схема отопления дома тепловым насосом. При использовании, как в описываемом примере, двух скважин и при отсутствии замкнутого контура, расстояние между двумя колодцами должно быть не менее 20 метров. И нужно учесть направление потока, чтобы холодная вода от насоса не снижала температуру в «донорской» скважине

В описываемом примере самодельного теплового насоса, источник тепла — колодец с хорошей скоростью поступления воды. Вода прибывает настолько быстро, что покрывает расход на бытовые потребности и ее хватает для переноса нужного количества тепла (была рассчитана необходимая скорости подачи воды, и соответственно подобран насос). Но источником тепла для этой модификации может служить любой из описанных выше, кроме воздуха. Определившись с источником тепла, можно будет изготовить тепловой насос для отопления дома.

Тепловой насос вода-вода из компрессора кондиционера

Этот тепловой насос из кондиционера несложно изготовить своими руками, но вам понадобиться помощь хорошего мастера по ремонту холодильной техники.  Для изготовления вам нужно приобрести:

• Рабочий компрессор от кондиционера. Это может быть новый, купленный в магазине, но вполне подойдет б/у, главное, чтобы он был рабочим и ресурс его еще не был выработан. Уточните, с каким хладагентом он работает: вам нужно будет заправлять систему.

• Гибкая медная труба двух диаметров (сечение небольшое, типа тех, что используются в холодильниках) с толщиной стенки не менее 1 мм. Больший диаметр используем для изготовления змеевика конденсатора (12 метров), меньший — для змеевика испарителя (10 м).

• Металлопластиковая труба для теплообменников (12 м + 10 м). В нее засовываем медные трубы, и по ним циркулирует теплоноситель. Так что внутренний диаметр должен быть прилично больше наружного диаметра меди.
• Терморегулирующий вентиль (ТРВ).
• Термоизоляционная поролоновая труба (12 м + 10 м). Внутренний диаметр такой, чтобы можно было засунуть металлопластиковую трубу.
• Шаблон для изготовления змеевика — толстостенная труба (можно газовый баллон).
• Фреон для заполнения системы.
• Каркас для монтажа составляющих.
• Контролирующая аппаратура: датчик давления фреона и температуры, устройство защиты от холостого хода насоса, электропускатель, таймер.

Все эти составляющие с платой за работу холодильщика (за сборку и пайку, заливку фреона) составили примерно 600$. Плюс затраты личного времени на обустройство входного контура и сборку.

Теперь приступаем к изготовлению самого теплового насоса.

1. Первыми можно сделать змеевики. Сначала медные трубы вставляете в металлопластиковые, сверху на металлопластик надеваете термоизоляцию. На шаблон наматываете витки трубы. Стараетесь расстояние между ними делать одинаковым.
2. На раме закрепляете выбранный компрессор (был использован б/у на 1,2 кВт потребляемой мощности, а производительность по холоду 3,8 кВт). Для установки использованы автомобильные сайлент-блоки.

1. Теперь нужно будет установить и соединить теплообменники с компрессором. Для этого желательно пригласить «холодильщика», владеющего техникой капиллярной сварки (еще неплохо бы, чтобы он разбирался в тепловых насосах, а то вам долго придется объяснять, что и к чему). Он же заполнит систему фреоном и отрегулирует ее. Если вы не обладаете достаточными знаниями и навыками, самому это будет сделать в высшей степени проблематично, а работа с фреоном, вообще может закончиться травмой. Поэтому ищите хорошего специалиста и доверьте эту часть работы ему.

Это после работы «холодильщика»

1. Дальше подключаем внешний контур и отопительный.
   1. К входу испарителя через тройник подключаем воду из внешнего источника.
   2. К выходу металлопластиковой трубы через аналогичный тройник воду отводим.
   3. Таким же образом подключаем отопительный контур к змеевику конденсатора.

2. Включаем систему — все должно работать. Но для нормальной работы необходимо будет еще контролировать наличие движения теплоносителя в первичном и отопительном контуре, температуру в них, контролировать давление фреона, чтобы можно было отследить утечку. Вообще, системе нужна надежная автоматика, а пока ее не подобрали можно поставить обычный пускатель. Но нужно помнить, что после любого отключения компрессор запускать можно только после того, как выровняется давление фреона в системе (10-15 мин).

Преимущества водяных тепловых насосов

По сравнению с грунтовыми и воздушными тепловые насосы «вода-вода» обладают следующими преимуществами:

• в качестве источника тепла для водяных тепловых насосов используются открытые и закрытые водоемы;
• водоемы обладают положительной температурой даже в зимнее время;
• тепловой насос «вода-вода» имеет более короткий внешний контур – следовательно, коэффициент преобразования энергии выше;
• тепловые насосы «вода-вода» требуют меньше времени и затрат на подготовительные работы;
• контур водяного теплового насоса не мешает какой-либо деятельности (при грунтовом контуре запрещено строительство и ограничено земледелие).

Что дешевле для отопления: электричество, газ или тепловой насос

Приведем затраты на подключение каждого из типа отопления. Для представления общей картины возьмем Московскую область. В регионах цены могут отличаться, но соотношение цен останется прежним. В расчетах принимаем, что участок «голый» — без проведеного газа и электричества.

Затраты на подключение

Тепловой насос. Укладка горизонтального контура по ценам МО – 10 000 рублей за смену экскаватора с кубовым ковшом (выбирает до 1 000 м³ грунта за 8 часов). Система для дома в 100 м² будет закопана за 2 дня (справедливо для суглинка, на котором можно снять до 30 Вт тепловой энергии с 1 м.п. контура). Порядка 5 000 рублей потребуется для подготовки контура к работе. В итоге, горизонтальный вариант размещения первичного контура обойдётся в 25 000.

Скважина выйдет дороже (1 000 рублей за погонный метр, с учётом монтажа зондов, обвязки их в одну магистраль, заправкой теплоносителем и опрессовкой.), но значительно выгоднее для будущей эксплуатации. При меньшей занятой площади участка возрастает отдача (для скважины 50 м – минимум 50 Вт с метра). Покрываются потребности насоса, появляется дополнительный потенциал. Поэтому вся система будет работать не на износ, а с некоторым запасом мощности. Разместить 350 метров контура в вертикальных скважинах – 350 000 рублей.

Газовый котёл. В Московской области за подключение к газовой сети, работы на участке и монтаж котла «Мособлгаз» запрашивает от 260 000 рублей.

Электрический котел. Подключение трёхфазной сети обойдётся в 10 000 рублей: 550 – местным электросетям, остальное – на распределительный щит, счётчик и прочее наполнение.

Потребление

Для работы ТН с тепловой мощностью 9 кВт требуется 2.7 кВт/ч электроэнергии – 9 руб. 53 коп. в час,

Удельная теплота при сгорании 1 м³ газа – те же 9 кВт. Бытовой газ для МО выставлен по 5 руб. 14 коп. за куб.

Электрокотёл потребляет 9 кВт/ч = 31 руб. 77 коп. в час. Разница с ТН – почти в 3,5 раза.

Эксплуатация

• Если подведён газ, то наиболее рентабельный вариант для отопления – газовый котёл. Стоит оборудование (9 кВт) минимум 26 000 рублей, месячная оплата за газ (по 12 ч/сутки) составит 1 850 рублей.
• Мощное электрооборудование выгоднее с точки зрения организации трёхфазной сети и приобретения самого оборудования (котлы – от 10 000 рублей). Тёплый дом будет стоить 11 437 рублей за месяц.
• С учётом первоначальных вложений в альтернативное отопление (оборудование 275 000 и монтаж горизонтального контура 25 000), ТН, расходующий электричества на 3 430 руб/месяц, окупится не ранее чем через 3 года.

С подробными расчётами в пользу эксплуатации теплового насоса можно ознакомиться, просмотрев видео от производителя:

Некоторые дополнения и опыт эффективной эксплуатации освещены в этом ролике:

Материалы для оборудования скважины

Коллектор скважины может быть выполнен из металла или полимерного состава. Кроме установки самого коллектора нужно провести работы по изоляции его от грунта. Пространство между трубой коллектора и грунтом должно быть заполнено специальным составом. При выборе обоих компонентов решающее значение имеет их качество, а также теплопроводность, так как от нее напрямую зависит эффективность теплопередачи.

Геотермальная скважина

Лучшим вариантом станет металлический коллектор. Помимо большего срока службы, металл обладает более высокой теплопроводностью, чем полимер. Что касается заполнителя, то данный материал должен обладать достаточной прочностью для защиты от усадочных деформаций. Если не производить защиту от усадки грунта, тепловой контур может быть поврежден и приведен в негодность. Оптимальным вариантом выбора материала для заполнителя является бетонит.

Бурение скважинного колодца под геотермальные тепловые насосы требует тщательных расчетов и подготовки. От качества выполнения данного процесса зависит не только эффективность теплонасоса, но и срок его эксплуатации.

https://youtube.com/watch?v=2CPQ2BpU-KA

Принцип работы теплового насоса воздух-вода

Принцип работы, достаточно прост.  Энергия добывается  путем всасывания атмосферного воздуха в теплообменник-испаритель. Воздух используется для нагрева газообразного фреона, подобно тому, как работает холодильник, но в обратном направлении. После того как фреон получил от воздуха низкопотенциальное тепло, температура хладагента повышается за счет сжатия, его осуществляет компрессор. Сжатый, теперь уже нагретый газ конденсируется в промежуточном теплообменнике, который называется конденсатором. После чего  накопленное тепло передается теплоносителю системы отопления.

Бивалентная схема отопления ↑

Использование такой схемы поможет сэкономить на этапе изготовления и монтажа насоса. Дело втом, что расчет мощности теплового насоса производится исходя из минимальной возможной температуры. Но ведь пиково низкие температуры стоят на улице только очень короткое время, а значит, большую часть года тепловой насос будет использовать только часть своего потенциала мощности.

Для того чтобы иметь возможность установки мене мощного насоса параллельно с ним подключают дополнительный источник тепла – электрический котел. Тогда, в сильные морозы вы можете дополнительно «подтапливать» помещение. Учитывая, что таких дней в году бывает немного, такой подогрев не сильно ударит по кошельку, а на стоимости насоса можно значительно сэкономить.

Возможно так же использование в качестве дополнительного оборудования котла на твердом топливе. В этом случае в систему отопления необходимо включить байпас.

Изготовление геотермальной установки

Изготовить геотермальную установку своими руками вполне возможно. При этом для обогрева жилища используется тепловая энергия земли. Конечно, это трудоемкий процесс, но и выгода при этом получается существенная.

Расчет контура и теплообменников насоса

Площадь контура для ТН составляется из расчета 30 м² на каждый киловатт. Для жилого помещения площадью 100 м² нужно около 8 киловатт/час энергии. Значит площадь контура будет составлять 240 м².

Теплообменник можно сделать из медной трубки. Температура на входе 60 градусов, на выходе 30 градусов, тепловая мощность 8 киловатт/час. Площадь теплового обмена должна быть 1,1 м². Медная трубка диаметром 10 миллиметров, коэффициент запаса 1,2.

Длина окружности в метрах: l = 10 × 3,14 / 1000 = 0,0314 м.

Количество медной трубки в метрах: L = 1,1 × 1,2 / 0,0314 = 42 м.

Необходимое оборудование и материалы

Во многом успех при изготовлении ТН зависит от степени подготовленности и знаний самого исполнителя, а также от наличия и качества всего необходимого для монтажа теплового насоса.

Перед началом работ нужно приобрести оборудование и материалы:

• компрессор;
• конденсатор;
• контроллер;
• полиэтиленовые фитинги, предназначенные для сборки коллекторов;
• труба на земляной контур;
• циркуляционные насосы;
• водопроводный шланг или труба ПНД;
• манометры, термометры;
• трубка медная диаметром 10 миллиметров;
• утеплитель для трубопроводов;
• комплект уплотнений для герметизации.

Как собрать теплообменный блок

Теплообменный блок состоит из двух составных частей. Испаритель нужно собрать по принципу «труба в трубе». Внутренняя медная трубка заполняется фреоном или другой быстро закипающей жидкостью. По наружной циркулирует вода из скважины.

Обустройство грунтового контура

Для того чтобы подготовить необходимую площадь для грунтового контура, требуется выполнить большой объем земляных работ, которые желательно проводить механизированным способом.

Можно использовать 2 метода:

1. При первом способе необходимо снять верхний слой грунта на глубину ниже его промерзания. На дно получившегося котлована уложить змейкой свободную часть наружной трубы испарителя и произвести рекультивацию почвы.
2. Во втором способе нужно сначала прокопать траншею по всей планируемой площади. В нее укладывается труба.

Затем нужно проверить герметичность всех соединений и заполнить трубу водой. Если протечек нет, можно засыпать конструкцию землей.

Заправка и первый запуск

После окончания монтажа необходимо заполнить систему хладагентом. Данную работу лучше всего поручить специалисту, потому что для заправки внутреннего контура фреоном применяются специальные приборы. При заполнении нужно замерить давление и температуру на входе компрессора и на выходе.

После окончания заправки нужно включить оба циркуляционных насоса на самую низкую скорость, затем запустить компрессор и контролировать работу всей системы по термометрам. При прогреве магистрали возможно обмерзание, но после полного прогрева системы обмерзание должно растаять.

Как устроен внутренний контур теплового насоса

Внутренний контру таких систем устроен довольно традиционно. Нагревать помещения или, наоборот, охлаждать их могут теплые полы с водяным теплоносителем или специальные устройства – фанкойлы, напоминающие усовершенствованный кондиционер.

В таких системах не используются традиционные отопительные радиаторы, так как максимальная температура теплоносителя не превышает 55 градусов Цельсия.

Установка фанкойлов наиболее предпочтительна, так как они более эффективно могут работать как в режиме тепловентилятора холодной зимой, так и в режиме охлаждающего кондиционера жарким летом. Летом температура воздуха, поступающего из вентилятора может достигать минимальной величины в 7 градусов, что безусловно будет достаточно для эффективного охлаждения дома.

Деление по типу рабочего тела

Современные теплонасосы могут использовать газообразное тело или химический жидкий раствор аммиака в роли транспортера тепла. Пригодность той или иной схемы оценивается по нескольким факторам, особенностям систем.

1. Установки, использующие фреон, имеют цикл теплового насоса, основанный на процессах сжатия и расширения газа. Они так или иначе построены на компрессорной схеме. Оборудование обладает привлекательными показателями производительности, однако имеет и недостатки. Хотя средневзвешенное потребление системы в момент рабочего цикла стабильно, проводка сильно нагружается. Кроме этого, теплонасосы с газообразным транспортером тепла не будут полезны в регионах, где нет централизованных сетей электричества или источника питания достаточной нагрузочной способности.
2. Установки испарительного типа, использующие аммиачный раствор, имеют рабочий цикл, основанный на процессе испарения вещества при низких температурах кипения. Сжижение после прохода внешнего теплообменника происходит под действием источника энергии. Это — тепловая горелка. Для нее может применяться практически любое топливо: твердое, бензин, дизель, газ, керосин, в отдельных случаях — метиловый спирт. Поэтому испарительные теплонасосы привлекательны в местах, где нет электричества. Кроме этого, к выбору именно такого оборудования может подтолкнуть дешевизна топлива определенного вида в регионе.

Итоги

Несомненно, стоимость теплового насоса из кондиционера в разы ниже готовых заводских вариантов, даже китайского производства. Но нюансов тут море: нужно позаботиться об источнике и количестве подаваемого тепла, правильно рассчитать длину теплообменников (змеевиков), установить автоматику, обеспечить гарантированное питание, и т.д. Но если вы в состоянии решит эти проблемы, то это, несомненно, выгодно.  Позволим дать вам совет: в первый год очень желательно иметь резервное отопление, а испытания и пробный пуск, лучше проводить еще летом, чтобы было время на доработку агрегата до начала отопительного сезона.