Тепловой насос для отопления дома своими руками: устройство, принцип работы, схемы

Простейшая конструкция ТН

Чтобы создать насос вида «воздух-вода», можно использовать обычный бытовой кондиционер. При выборе модели этого агрегата стоит ориентироваться на те, в которых установлен реверсивный клапан. Кроме этого, кондиционер должен иметь режим обогрева. В противном случае придется заменить конструкцию фреонового контура.

Чтобы сделать из оконного обогревателя ТН, необходимо выполнить следующие действия:

Демонтируется верхний кожух устройства, после чего внешний теплообменный узел снимается с основания

На этом этапе крайне важно не перегибать трубки с фреоном.
С общего валика снимается крыльчатка.
Из листа металла изготавливается бак в соответствии с длиной внешнего теплообменного узла. При этом ширину самодельной емкости следует увеличить на 10−15 см

В боковые стенки бака устанавливаются штуцера для подачи воды.
Чтобы защитить радиатор от обмерзания, рекомендуется увеличить полезную площадь теплообмена, установив на его торцах алюминиевые либо медные пластины.
Радиатор монтируется в баке. Затем следует изготовить крышку и уплотнить элементы ввода-вывода контуров.
К штуцерам подсоединяются шланги и циркуляционные насосы. Следующим шагом станет проверка бака на герметичность.

Тепловые насосы типа «воздух – вода», «воздух – воздух»

Тепловой насос типа «воздух – воздух» и «воздух – вода» схожи по принципу работы с кондиционерами. Они стоят дешевле, но проигрывают другим видам насосов по универсальности, применяясь преимущественно для нагревания горячей воды.

Такие устройства имеют два варианта исполнения:

Сплит система состоит из двух блоков, соединенных инженерными коммуникациями. В состав наружного входят мощный вентилятор и испаритель, а внутренний содержит конденсатор и автоматику. При этом компрессор может располагаться как во внутреннем блоке, так и в наружном, чтобы избежать шума в помещении.
В моно системе все элементы собираются в одном корпусе и монтируются либо в доме, соединяясь с улицей гибким воздуховодом, либо снаружи.

КПД и принцип работы теплового насоса

КПД теплового насоса для отопления всегда будет более 1. Для геотермальных систем более корректным является коэффициент преобразования тепла. Если он равен 4, то это означает, что при мощности 1 кВт, тепловой насос на выходе обеспечивает 4 кВт энергии, из которых 3 кВт дала земля.

Принцип, лежащий в основе работы теплового насоса для отопления дома, был разработан в начале XIX в. инженером Сади Карно и был назван циклом Карно. На этом основана работа обычного бытового холодильника, в котором продукты охлаждаются за счет того, что рассеянное тепло отводится через радиатор наружу. Но применять для отопления домов, когда все происходит с точностью до наоборот, т. е. работа теплового насоса основана на принципе обратного цикла Карно, его стали недавно.

Тепловой насос для отопления дома редставляет собой устройство, в котором происходит преобразование низкотемпературного в высокотемпературное тепло, которое и идет на обогрев. Источником тепла выступают земля, вода и воздух (первый из них распространен шире всего, поскольку он эффективен (хотя имеет значение уровень теплоизоляции дома, способ, который применяют для обогрева дома, и др.) и отличается оптимальным соотношением цены и потребительских качеств).

Для работы теплового насоса, предназначенного для отопления дома, требуется электричество, но при затратах в 1 кВт электроэнергии отдача составляет 4–6 кВт тепловой энергии.

Дополнительно к обогреву дома летом, тепловой насос может работать как кондиционер, для чего достаточно, чтобы система была способна на реверсивный режим работы. Тепловые насосы классифицируются на несколько типов:

«земля – вода»;
«земля – воздух»;
«вода – вода»;
«вода – воздух»
«воздух – вода»;
«воздух – воздух».

Далее подробно рассказывается о том, как работают разные типы тепловых насосов для отопления дома.

Самодельные установки

Агрегат, добывающий тепло из окружающей среды, можно создать самому, если взять за основу бытовой холодильник или кондиционер. Рассмотрим подробнее, как смонтировать тепловой насос своими руками. Подходящей альтернативой отоплению загородного дома послужит такая система, поскольку она не требует дорогостоящего подключения к газовой сети или постоянной заботы о покупке и доставке топлива.

Теплонасос из холодильника

Использование холодильника в качестве базиса для изготовления теплового насоса напрашивается по очевидной причине — конструкция агрегата включает такой ключевой элемент как компрессор.

На первом этапе работ следует изготовить конденсатор в виде емкости с теплообменным контуром в виде змеевика. Самодельный контур для циркуляции теплообменника лучше всего выполнить из тонкой медной трубки, предназначенной для монтажа инженерных сетей. Толщина стенки должна составлять не менее 1 мм. Трубку наматывают ровными витками на цилиндрический предмет подходящего диаметра. Затем готовый змеевик снимают с цилиндра. Для жесткости поверх витков змеевика можно установить перфорированные алюминиевые уголки, чтобы с равным шагом фиксировать витки к их отверстиям.

Тепловой насос из холодильника

Самодельный конденсатор представляет собой емкость из прочного материала, устойчивого к высоким температурам. Лучше всего выбрать бак из нержавеющей стали емкостью порядка 100 литров. Чтобы в ходе монтажа змеевик не деформировался, рекомендуется разрезать резервуар, установить туда контур, и сварить разрезанную емкость обратно. При этом в баке следует прорезать выходные отверстия для концов змеевика — сверху и снизу. В отверстия ввариваются резьбовые патрубки.

На следующем этапе необходимо установить компрессор от старого бытового холодильника. Предварительно проверьте его исправность. Компрессор монтируют на стену помещения при помощи кронштейнов, и рядом с ним устанавливают остальное оборудование.

Трубы внутреннего контура заводят в испаритель — пластиковую емкость, объем которой должен соответствовать объему конденсаторного бака. Внутрь испарителя ставят змеевик из трубы, диаметр которой составляет ¾ дюйма. Для монтажа водяного контура применяются трубы ПВХ. На заключительном этапе систему заправляют фреоном — это должен сделать специалист, располагающий соответствующим оборудованием.

Тепловой насос из холодильника способен обогревать небольшое помещение или постройку — гараж, мастерскую.

Теплонасос из кондиционера

Самодельный тепловой насос из кондиционера изготавливается несколькими способами. К особенностям кондиционера можно отнести схожесть принципов его работы с функционированием теплового насоса. Но есть и ряд отличий, в том числе касающийся температурного режима работы — сплит-системы не приспособлены для функционирования при низких температурах. Чтобы из кондиционера выполнить тепловой насос, требуется самостоятельно модифицировать имеющуюся конструкцию.

Работа теплонасоса из кондиционера

Способ 1. Наружный блок кондиционера меняют местами с внутренним, в котором расположен испаритель. Функция испарителя в тепловом насосе — передавать низкопотенциальное тепло. Во внешнем блоке находится конденсатор, передающий тепловую энергию. Теплоносителем в системе служит вода или воздух. Если выбрана вода, конденсатор требуется смонтировать внутри резервуара, где будет передаваться тепло.

Способ 2. Климатическая техника полностью разбирается, а ее детали идут на сборку классической схемы, в которой задействованы испаритель, компрессор и конденсатор.

Как сделать агрегат из холодильника

Холодильник — один из самых подходящих агрегатов для создания теплового насоса. Это объясняется тем, что в комплектацию прибора входит компрессор.

Подготовка схемы и чертежа

Перед тем как начинать строить прибор, выбирают место источника. Затем вырывается скважина или траншея для монтажа труб.

Конструкция агрегата одинакова для любого источника тепла. Схему прибора заказывают у профессионала или выбирают в интернете. На ее основании делают чертеж. В нем обозначают все расстояния, точки узлов и размеры.

Подбор необходимых деталей

Основная деталь, обеспечивающая работу конструкции, — это компрессор. Если в холодильнике он вышел из строя, приобретается новый прибор. Такие устройства реализуют мастера, специализирующиеся на ремонте холодильников. Чинить старый компрессор не рекомендуется.

Помимо компрессора, подготовьте:

клапан терморегулирования;
L-образные кронштейны, размером 30 см;
герметичную емкость, сделанную из нержавеющей стали, объемом не менее 120 литров;
емкость из пластика, объемом 90 литров;
трубы из меди разного диаметра в количестве 3 штук;
несколько труб из металлопластика;
болгарку для нарезки материалов;
сварочный аппарат для соединения труб;
стандартный набор инструментов.

Монтаж узлов системы

Болгаркой бак из металла разрежьте на две одинаковые части.
Из медной трубы сделайте змеевик. Для этого трубу накрутите на цилиндрическую опалубку по спирали, не прилагая больших усилий, и снимите ее.
Змеевик надежно зафиксируйте в одной из половин бака.
Детали металлического бака приварите друг к другу и сделайте в емкости резьбовые отверстия.
На стальной бак, объемом 120 литров, намотайте трубу из меди и зафиксируйте концы с помощью реек.
К выводам подключите сантехнические переходы.
На бак из пластика намотайте змеевик, концы зафиксируйте рейками.
Пластиковый бак, который в системе отопления выполняет функцию испарителя, подвесьте на стену с помощью кронштейнов.

После этого соберите систему, согласно подготовленной схеме, и залейте внутрь фреон. К выбору жидкости рекомендуется подойти со всей ответственностью, в противном случае возникнут большие проблемы при ее заливке и во время эксплуатации системы. Специалисты советуют использовать состав марки R 422 или R 22.

Подключение к заборному устройству

Когда система готова, ее присоединяют к заборному устройству:

Для приборов, работающих по принципу «вода-почва», коллектор погружается в землю, где температура выше +1 °C. На этом же уровне монтируют трубы.
Для приборов, функционирующих по принципу «вода-вода», коллектор и трубы погружают в центр источника тепла.
Агрегаты, работающие от воздуха, устанавливают снаружи здания.

Базовый принцип функционирования

Тепловой насос извлекает низкотемпературную энергию тепла из окружающей среды и преобразует ее в высокотемпературную, которая идет на нагрев жидкости в контуре отопительной системы или напрямую греет воздух в помещении. Функционирование теплонасоса базируется на физических и химических законах, давно открытых наукой.

Чтобы разобраться, как работает тепловой насос для отопления дома, нужно вспомнить принцип работы обычного холодильника. Отличие заключается в том, что процессы идут в обратной последовательности. В случае с холодильником рабочее вещество испаряется, за счет чего продуцирует холод. А в тепловом насосе рабочее вещество конденсируется и отдает при этом тепло.

Конструкция холодильника включает испаритель (морозильную камеру) — это источник холода в системе. Излишки тепла попадают на конденсаторную решетку (она расположена с тыльной стороны корпуса) и выбрасываются в воздух.

Теплонасос также нуждается в испарителе, который должен контактировать с природным источником низкотемпературной энергии. К ним относятся

воздушные массы снаружи дома;
глубинная часть незамерзающих водоемов;
земная кора ниже точки промерзания грунта.

В системе присутствует конденсатор — устройство, которое обеспечивает теплообмен. По сути, тепловой насос напоминает холодильник, в котором тепло целенаправленно уходит на прямой или косвенный обогрев помещения, а не выбрасывается в атмосферу за ненужностью.

Тепловой насос — система, которая работает циклически, ее рабочее вещество, как и в холодильнике — хладагент. В состав теплонасоса входит три контура

внешнего сбора — проложен во внешней среде, по нему перемещается теплоноситель с подходящими характеристиками, обычно это антифриз;
коллектора — в его состав входит коллектор, теплообменники, клапаны и т.д.;
внутреннего снабжения — для отопления помещений или поставки горячей воды в систему ГВС.

Принципиальная схема работы теплового насоса Принцип работы тепловых насосов для отопления дома достаточно прост. Пока теплоноситель движется по рабочему контуру (он может находиться на воздухе, в воде, в грунте), он получает низкую энергию тепла. Далее теплоноситель поступает в первый теплообменник — это испарительная камера, где он отдает аккумулированное тепло хладагенту, который циркулирует по внутреннему контуру системы.

Хладагент в жидком виде перемещается в испарительную камеру, где под воздействием низкого давления и температуры +5°С переходит в газообразное состояние. Газ поступает в компрессор, и в результате сжатия его температура скачкообразно возрастает. Газ движется дальше, в конденсатор, и отдает эту тепловую энергию системе отопления. Избавившись от излишков тепла, газ переходит в жидкое состояние, и цикл начинается заново.

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:

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.
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 работает тепловой насос?

Тепловой насос для отопления дома своими руками имеет довольно простой принцип работы. Основные составляющие системы следующие:

Насос тепловой.
Заборное устройство.
Устройство, занимающееся распределением тепла.

Все насосы работают по «цикл Карно», который заключается в следующем: в коллектор податься температуростойкая жидкость, которая не будет замерзать при снижении температурных показателей. Она забирает тепловую энергию и перемещает ее к насосу.

Принцип работы теплового насоса

Попадая в испаритель, энергия взаимодействует с хладогеном, в результате чего образуется пар. Давление увеличивается, температурные показатели подымаются. Тепловая энергия передается в помещение, хладаген становится жидким и вновь направляется в коллектор, таким образом, получается замкнутая система.

Принцип работы

Преимущество такого типа обогрева помещений заключается в том, что все комнаты в доме отапливаются гораздо быстрее, эффективнее и равномернее, чем при работе системы с естественной циркуляцией.

Являясь одним из самых важных компонентов отопительной схемы и системы подачи горячей воды, насос служит для обеспечения циркуляции жидкости, нагретой с помощью котла и идущей по трубам к радиаторам, чтобы отдать тепло, а затем снова возвратиться к котлу.

Как устроен водяной насос

Схема агрегата состоит из следующих комплектующих:

Крыльчатка (колесо с лопастями, расположенное на роторном вале).
Ротор (керамический или стальной), который вращается за счет работы электрического двигателя.
Корпус, изготовленный из сплавов, исключающих коррозию: бронза, латунь, сталь, алюминий или чугун.
Патрубки (входной и выходной).

Всасывание воды происходит благодаря снижению давления на входном патрубке. Крыльчатка вращается и вырабатывает центробежную силу. Это способствует компрессии, возникающей на патрубке, в результате чего тепло начинает нагнетаться в систему отопления, конкретнее – в трубопровод.

Маркировка

Идущие вслед за названием насоса цифры означают присоединительные размеры (в см или дюймах) и возможную высоту подъема агрегата (в метрах водяного столба). Это может выглядеть, например, как «32-60».

Разновидности

Когда говорят о видах ТН, указывают среду-источник и среду-получатель, посредством которой осуществляется отопление дома. Таким образом, выделяют следующие разновидности этих устройств:

ТН типа «грунт — вода»: в этом варианте средой-источником является грунт. Трубопровод с циркулирующим по нему рассолом или антифризом можно расположить горизонтально от 2-х до 5-ти метров ниже уровня земли (потребуется участок большой площади) – либо вертикально – в скважине глубиной 150 – 200 м. Потребителем выкачиваемой тепловой энергии выступает рабочая среда водяной системы отопления.

ТН типа «вода — вода»: в данном случае трубы внешнего контура погружаются не в грунт, а в расположенный поблизости водоем (если, конечно, таковой имеется в наличии)

Важно, чтобы водоем даже в самый сильный мороз не промерзал на всю глубину. Разумеется, погрузить наружный контур в воду гораздо проще, чем закапывать в грунт, поэтому при наличии водоема данный вариант является наиболее предпочтительным.

ТН типа «воздух — вода»: ТН с самым простым устройством, но и наименее производительный

Наружного контура попросту нет, испаритель закреплен на стене снаружи дома и обдувается вентилятором. Тогда как температура в грунте и воде не снижается за пределы +5 градусов, воздух может охлаждаться и до -30, поэтому ТН типа «воздух — вода» или «воздух — воздух» (обогрев дома осуществляется по принципу тепловентилятора) работает эффективно далеко не всегда.

Тепловой насос вода-вода

Более эффективным вариантом считается тепловой насос вода-вода. Он извлекает тепловую энергию из ближайшего водоема, если таковой есть на расстоянии до 100 м от дома. Другой, более распространенный способ – отбор тепла у грунтовых вод через скважину. По сути, скважин нужно 2: одна для выкачивания воды, другая – для ее сброса. Ниже представлены схемы тепловых насосов, действующих по такому принципу:

Здесь есть свои нюансы. Вода из скважины должна проходить очистку перед попаданием теплообменник, а трубы надо прокладывать ниже глубины промерзания грунта. Другое дело – контур на дне водоема, он заполняется незамерзающей жидкостью (пропиленгликолем), что служит посредником между водой и хладагентом.

Также существуют геотермальные тепловые насосы, чей принцип работы не отличается от предыдущих типов аппаратов, только тепло извлекается из грунта на глубине, где температура всегда одинакова – плюс 7 ºС. Для этого в землю закапывается горизонтальный контур из труб, занимающий большую площадь, либо в скважины глубиной 25 м опускаются геотермальные зонды. В обоих случаях в качестве теплоносителя используется антифриз.

Тепловой насос для отопления дома принцип работы

Принцип работы теплового насоса для отопления

Принцип работы тепловых насосов основан на возможности тел и сред отдавать свою тепловую энергию другим таким же телам и средам. По этой особенности различают различные виды тепловых насосов, в которых обязательно присутствуют поставщик энергии и её получатель.

В названии насоса на первом месте указывается источник тепловой энергии, а на втором тип носителя, которому передаётся энергия.

Тепловой насос для отопления дома

В конструкции каждого теплового насоса отопления дома выделяют 4 основных элемента:

Компрессор, предназначенный для увеличения давления и температуры пара, возникающего вследствие кипения фреона.
Испаритель, представляющий из себя бак, в котором фреон из жидкого состояния переходит в газообразное.
В конденсаторе хладагент передаёт тепловую энергию внутреннему контуру.
Посредством дроссельного клапана регулируется количество хладагента, поступающего в испаритель.