Тепловой насос для отопления дома своими руками

Главная » Строительство » Тепловой насос для отопления дома своими руками

Каких только вариантов альтернативного отопления частного дома не придумано и сколько попыток внедрить их на практике было сделано! Не перечесть. Но самым смелым и будоражащим воображение хозяина загородного дома, пока остается тепловой насос. За этим простым и неказистым названием скрываются целые системы, сложнейшие процессы, которые в конце концов приводят к почти бесплатному отоплению частного дома. Что это такое, и насколько это реально, попробуем разобраться вместе.

Содержание:

1. Теоретическая база
2. Конструкция теплового насоса бытового уровня
3. Преобразователь энергии, или конденсатор
4. Возможность самостоятельного изготовления теплового насоса

Теоретическая база

Привлекательность системы в том, что она позволяет до минимума снизить потребление сторонних энергоресурсов. Просмотрев цены на электричество, мы убедимся, что это стает актуальнее день ото дня, поэтому тепловой насос для отопления дома своими руками выглядит не просто модным нововведением, но в первую очередь, потребностью снизить затраты на обогрев дома и горячее водоснабжение.

Это чудесное устройство работает по простому принципу. Система берет физическое тепло в одном месте, а при помощи жидкого незамерзающего теплоносителя переносит его туда, где оно уже будет использоваться для отопления и горячего водоснабжения. В принципе, как и любая другая система отопления, только для получения тепла используется не энергия нефти, газа или электричества, а физические геотермальные законы.

В зависимости от того, какое количество тепла нужно получить, применяют способ его получения. Если это касается огромных промышленных объектов, тогда в земле бурятся километровые скважины, в которых размещают металлические змеевики. Теплоноситель передает тепловую энергию на тепловой насос, который преобразует ее в реальное тепло. Такая установка, учитывая все расходы на земляные работы и оборудование, может стоить до $25000. Зато ее КПД — 100%, и именно этот факт подталкивает инженеров к созданию устройств для бытового применения, которые будут гораздо дешевле, но, вероятно, и не так эффективны.

Конструкция теплового насоса бытового уровня

Понять принцип действия теплового насоса гораздо проще, если познакомиться с основными элементами его конструкции. Их всего три:

1. Грунтовый контур.
2.  Преобразовательный контур.
3.  Контур отопления.

Самая простая конструктивно и самая сложная в реализации — грунтовая часть теплового насоса. Она представляет собой систему труб, в которых протекает антифриз — любая незамерзающая жидкость. Причем, размещен грунтовый контур может быть как в земле, так и в водоеме. После этого теплоноситель попадает в испаритель, где прогревает фреон. При воздействии температуры и низкого давления фреон нагревается, превращается в газ, а в газообразном состоянии он поступает в конденсатор, где и передает свое тепло на внутреннюю систему отопления дома. Хладагент остывает и снова поступает обратно в систему в жидком состоянии.

Напоминает работу холодильника, не правда ли? Только холодильник работает с точностью до наоборот. В летнее время тепловой насос тоже может служить кондиционером без изменения конструкции и охлаждать помещение в жаркие дни. В результате мы имеем только эксплуатационные расходы, которые необходимы для работы насоса, мощность которого в бытовых условиях не превышает 1 кВт.

Преобразователь энергии, или конденсатор

По принципу преобразования температур все тепловые насосы делят на два типа:

1. Воздушный преобразователь. Это сложная, но эффективная система, когда хладагент в тепловом насосе конденсируется за счет перемены температуры. К ее минусам можно отнести большие размеры, зато она эффективна и не требует дополнительных эксплуатационных затрат.
2.  Пластины Пельтье. Простая в работе конструкция, состоящая из пластин разного химического состава, проводов электропитания и источника переменного тока на 12 вольт. Система работает бесшумно, очень проста в монтаже, имеет небольшие габариты, но к недостаткам можно отнести сравнительно невысокий КПД. Его можно повысить, но в таком случае значительно увеличиваются расходы на электроэнергию.

Возможность самостоятельного изготовления теплового насоса

С нынешним подходом и нынешними технологиями ничего невозможного нет. Тепловой насос для дома площадью около 300 м² может окупить себя в течение двух-трех лет, даже если учитывать высокую стоимость элементов и земляных работ. Если площадь дома еще скромнее, то и затраты на устройство теплового насоса будут меньше. Из покупных элементов, наиболее дорогостоящим будет, вероятно, компрессор. Конденсатор можно собрать своими руками из медной тонкостенной трубы, поместив ее в пластиковый бак. Технологию изготовления может подсказать смекалка. Монтаж готовой системы проводится по месту, но самые ответственные работы лучше доверить специалисту, поскольку с заправкой системы фреоном или пайкой медных труб может справиться не каждый.

Но самым главным этапом при устройстве теплового насоса является все-таки точный расчет и проектирование. В противном случае, система может просто не оправдать ожиданий. Чтобы этого не случилось, все расчеты и проектные работы нужно проводить только при наличии достаточных инженерных знаний. Сколько бы ни стоил тепловой насос, если он рассчитан верно, устройство обеспечит теплом и горячей водой надолго, при этом не будет требовать особенно тщательного ухода.

Читайте также Геотермальное отопление дома – принцип работы

Тепловой насос для отопления дома: устройство и типы

Тепловой насос — это далеко не новое изобретение. Первый рабочий вариант был изготовлен еще в 1855 году. Но из-за недостаточного развития технологий не получила широкого распространения вплоть 70-х годов 20 века. В это время идея экономичного и энергосберегающего отопления стала набирать популярности. В это время и стали востребованными тепловые насосы для отопления дома: при малых эксплуатационных расходах они могут полностью обеспечивать теплом для отопления и нагрева воды.  

Устройство теплового насоса

Чем же хороши эти агрегаты? Тем, что затратив 1 кВт электроэнергии, в самом плохом варианте вы получаете 1,5 кВт тепла. И чудес тут нет: электричество тратиться не на преобразование в тепловую энергию, а на работу агрегатов для переноса тепла.

В этом устройстве есть три отдельных контура:

Если говорить коротко, то принцип работы теплового насоса состоит в следующем. У объектов разной природы, имеющих зимой положительные температуры (грунт на глубине ниже уровня промерзания, вода, воздух в вентиляционных шахтах и т.п.), тепло отбирается. От этого тепла нагревается циркулирующий по замкнутому контуру хладагент. Нагревшись до температуры выше точки кипения, жидкость переходит в газообразное состояние. По трубе пар (с температурой уже выше 0^oC) попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления. При сжатии выделяется большое количество тепла и из компрессора выходит вещество, нагретое уже до приличных величин +35^oC или даже +60^oC. В другом устройстве — конденсаторе — большую часть своего тепла он передает теплоносителю, который подается на трубы отопления.

Достаточно привлекательный внешний вид , малый уровень шумов позволяет устанавливать оборудование в доме

Хладагент в значительной степени потерявший тепло, но еще находящийся в газообразном состоянии и под приличным давлением, движется дальше по внутреннему контуру. Попадает на спускной клапан, где давление падает, резко снижается температура, вещество снова становится жидкостью. И снова попадает в испаритель, начинает следующий цикл работы теплового насоса.

Вот и получается что электроэнергия уходит не на выработку тепла, а только на его перемещение. И потому затратив 1 кВт электроэнергии, от этого устройства можно получить 2-6 кВт тепла. Такой разброс коэффициента преобразования из-за особенностей использования: чем ниже температура первичного нагрева (от внешних источников), тем менее эффективно будет работать тепловой насос. Но работать он будет даже при -20^oC.

С какими системами отопления работает

Чтобы эффективно использовать тепловой насос для отопления дома, иногда приходится переделывать систему отопления. Дело в том, что извлекаемая им энергия нагревает теплоноситель в контуре отопления до не очень высоких температур. Они редко превышают 50-55^oC, а чаще бывают ниже. И это — определяющий фактор при выборе системы. Если предпочитаете радиаторную, то ее тщательно и внимательно нужно считать: обеспечит дом теплом подобная установка только при хорошей теплоизоляции. Причем радиаторов понадобится очень много (расчет количества секций радиаторов тут). Потому в этом случае лучше иметь резервный источник тепла. Идеален тепловой насос для отопления дома теплыми полами: он выдает ту температуру теплоносителя, которая рекомендована для водяного подогрева пола.

В чем недостаток теплового насоса? Как было сказано выше, его эффективность (и температура нагрева теплоносителя в контуре отопления) зависят от температуры нагрева в первичном контуре. Не все источники тепла могут давать стабильно одну и ту же степень нагрева. По факту этим могут похвалиться только некоторые геотермальные источники. В основном же они меняются в достаточно широких пределах. Это не самое удобное свойство. Но для нивелирования этого разброса ставят на входе в систему отопления теплоаккумулятор, который выравнивает скачки.

Тепловой насос с теплыми полами — идеальная совместимость

Второй недостаток — высокая стоимость. И это не только стоимость самого теплового насоса, хоть и она уже очень велика. Устройство внешнего контура тоже требует средств, и порой немалых. Чтобы понять конкретнее масштабы требующихся вложений, поговорим об источниках тепла и типах тепловых насосов для отопления дома, работающих с ними.

Чем ниже температура, до которой будет нагреваться теплоноситель в отопительном контуре, тем выше эффективность теплового насоса. При температуре не выше 35^oC затратив 1 кВт электроэнергии, вы можете получить 5 кВт тепла. С повышением температуры эффективность снижается. Так что идеальная система для совместной работы — водяные полы. Для достаточной теплоотдачи необходимо будет сделать шаг укладки минимальным (но и позаботиться о хорошей теплоизоляции).

Источники тепла и требования к первичным контурам

Источником тепловой энергии для теплового насоса может быть любая среда, которая в зимнее время имеет температуру стабильно выше 1^oC. Это может быть:

Источники трех последних групп хоть и являются разными средами, на самом деле получают тепло в немалой степени от земной коры. Потому устройство, работающие с ними, называют еще геотермальный тепловой насос.

Чтобы горизонтальный контур занимал меньшую площадь, трубы можно уложить кольцами

Несмотря на то, что в использовании тепловые насосы очень экономичны, они требуют больших средств на установку: от 300$ до 1000$ на один киловатт мощности. Срок их окупаемости 5-15 лет, при строке эксплуатации до капитального ремонта от 15 лет до 20 лет.

Для снижения расходов и уменьшения «стартовых» затрат систему делают комбинированной: часть тепла для отопления дома дает тепловой насос, а часть — какой-то другой источник тепла, хоть та же печка. Так расходы и на монтаж системы и на отопление минимизируются. Дело в том, что расчет потребности тепла берется исходя из самых низких температур в регионе. Но такое время — это одна, максимум полторы недели в отопительном сезоне. Для остального промежутка требуется намного меньшая мощность. Вот эту среднюю потребность и обеспечивает тепловой насос. То есть его мощность может составлять 50-70% от пиковой. А в самые холодные дни подключается резервный источник тепла. Разумное решение, которое экономит довольно приличную сумму.

Что еще приятно, что летом система может работать в режиме кондиционирования, отбирая тепло в помещении и отдавая его в первичный контур.

Перспективы

Само оборудование и установка теплового насоса очень недешевы. Но привлекательна идея. В Европе давно функционируют тысячи агрегатов. Для наших просторов это пока экзотика, но есть уже фирмы, которые могут не только рассчитать и смонтировать систему, есть даже производители тепловых насосов в России.

Тепловой насос воздух-воздух не требует устройства внешнего контура

Все дело в том, что системы требуют индивидуального расчета и выбора источника, протяженности трубопровода и подбора самого оборудования. Но есть две модификации, которые не так и много стоят. Это те, которые отбирают энергию у воздуха. Например, тепловой насос воздух-воздух часто можно встретить в кондиционерах, которые могут работать и на отопление. Они работают именно по этой технологии и потому такие агрегаты имеют более высокую стоимость по сравнению с теми, которые только охлаждают.

Тепловой насос воздух-вода работает по схожему с отопительными кондиционерами принципу, но для нагрева воды используется гидромодуль — устройство, в котором и происходит нагрев воды. Мощность этого типа оборудования можно подобрать с таким расчетом, чтобы оно работало не только на отопление, но и нагревало воду для бытовых нужд. Вот тут нужно считать: возможно, поставить отдельный бойлер будет дешевле.

Система воздух-вода: водяное отопление с обогревом от атмосферного тепла (кликните для увеличения размера)

Производители тепловых насосов

Это оборудование давно применяется в Европе, потому на рынке довольно большое количество «европейцев». Присутствуют и японцы, и корейцы, есть и вездесущие китайцы. С качеством все, как и в остальной технике: европейцы и японцы качественны, но дороги, корейцы, и по качеству и по цене чуть ниже. С китайской продукцией тоже как обычно: повезет, все работает отлично, не повезет — будете покупать новый насос.

Примеры хорошо зарекомендовавших себя фирм:

Присутствуют на рынке и тепловые насосы российского производства. Цены и качество — между европейскими и китайскими агрегатами. Например, тепловые насосы «Henk system». С качеством оборудования, судя по отзывам, все нормально, но проблема, как обычно у нас, в грамотном расчете, а особенно в монтаже. Если с воздушными системами проблемы бывают нечасто, то об установках геотермального типа этого не скажешь: нормальные партнеры у этого предприятия есть не во всех регионах.

Henk выпускает много разных агрегатов, разной производительности и типа. Всего 82 модели. Есть линейка для низкотемпературных систем водяного пола, есть для высокотемпературных — с радиаторами. Тип подключения — однофазный и трехфазный, с теплообменниками для подогрева воды бытового назначения. Собственно, выбрать есть из чего.

Итоги

Современные тепловые насосы — это высокоэффективные устройства, которые легко обеспечивают 3-4 кВт тепла на один затраченный киловатт электроэнергии. Но стоимость самого оборудования и устройства первичного контура не многим по карману. Если же говорить о моделях воздух-воздух или воздух-вода, то хорошую эффективность они показывают при плюсовых температурах, с падением температуры их производительность сильно снижается (хотя последние линейки могут работать и до -40^oC). Технология, несомненно, очень интересная и перспективная, но пока доступна немногим.

Возможно, вам интересна будет статья «Солнечное отопление: насколько эффективно?»

Система теплового насоса «Сделай сам»: 7 вещей, которые нужно знать перед покупкой То, как вы и ваша семья будете использовать свое пространство, будет уникальным для вас. Прежде чем мы сможем провести вас через процесс выбора системы, подходящей для вашего дома и бюджета, — вот список из

семи вещей, которые вам необходимо учитывать.

1. Ваша климатическая зона (выбор правильной системы теплового насоса «сделай сам» для вашего места жительства)

Каждая система теплового насоса DIY имеет оптимальный диапазон эффективности. Холодные зимы, жаркое лето, пустыни и горные хребты — то, где вы живете, и ваш местный климат могут повлиять на тип системы, который вам подойдет. Будьте готовы сообщить нам средние зимние и летние температуры, где вы находитесь. Ваш приоритет — тепло зимой, охлаждение летом или где-то посередине?

2. Размер каждой зоны в вашем доме    

Каждая часть вашего дома, которую вы хотите обогреть или охладить, является зоной. Зона должна представлять собой единую область без слишком большого количества препятствий для циркуляции воздуха. Так что, если в вашем доме есть большая кухня открытой планировки, жилая зона наверху может считаться одной зоной. Добавьте дополнительный люкс внизу, и вы получите до двух зон и так далее. Измерьте квадратные метры каждой зоны, чтобы мы могли помочь вам рассчитать ваши потребности в отоплении и охлаждении.

3. Общий размер всех зон (определяет размер системы с тепловым насосом своими руками)  

После того, как вы решили, сколько у вас зон, сложите эти измерения вместе, чтобы получить общую площадь, которую вы хотите обогреть или охладить. Это позволяет нам рассчитать размер конденсатора, который вам нужен. Эти единицы обычно варьируются от 12 до 36 тыс. БТЕ.

4. Оптимальный вариант для вашей текущей системы отопления  

Сообщите нам, что вы в настоящее время используете для обогрева и/или охлаждения. У вас есть плинтусные обогреватели или вы заменяете газовую печь с принудительной подачей воздуха? У вас есть дополнительный источник тепла, например, дровяная печь? То, что у вас есть сейчас, поможет нам определить наиболее эффективную и доступную систему теплового насоса DIY для ваших нужд. Дополнительную информацию о тепловых насосах также можно найти здесь.

5. Расположение внешнего конденсатора (сердце системы с тепловым насосом, сделанной своими руками)

Внешний конденсатор — это часть системы, извлекающая тепло из воздуха, готовое передать его в ваш дом. Он должен быть расположен в месте, защищенном от сильных ветров, со свободным доступом воздуха вокруг устройства, вдали от ограждений, стен и вентиляционных отверстий, выходящих из здания. Вы хотите рассмотреть оптимальное расстояние между наружным блоком и внутренними блоками (обработчиками воздуха), чтобы длина линий была как можно короче.

6. Расположение(я) воздухообрабатывающего агрегата  

Для воздушных тепловых насосов Mini-Split вы хотите разместить по воздухообрабатывающему агрегату в каждой зоне для обогрева и охлаждения. Наши кондиционеры должны быть установлены на стене на высоте не менее 6 футов и 6 дюймов над полом. Убедитесь, что вы выбрали место, которое не находится непосредственно над другим источником тепла, таким как прибор, в любом месте, подверженном воздействию пара, например, в ванной комнате, или прямо над вашей основной зоной отдыха (слишком ветрено!). Держитесь подальше от тесных углов или размещения за решетками, которые могут препятствовать воздушному потоку. Мы можем помочь вам выбрать правильное место для каждой зоны.

7. Длина комплектов трубопроводов 

Комплекты трубопроводов содержат жидкость, которая может передавать тепло или охлаждение снаружи дома внутрь. Чтобы быть максимально эффективным, важно, чтобы длина ваших наборов линий была как можно короче. Для тепловых насосов Mini-Split с воздушным источником — когда вы знаете, где вы хотите разместить свой наружный блок (конденсатор) и внутренние блоки (обработчики воздуха), решите, как вы собираетесь запускать свои комплекты линий, и измерьте длину, которую вам нужно пройти между каждым. воздухораспределитель и конденсатор. Избегайте слишком большого количества острых углов или углов. Мы можем обсудить с вами варианты, чтобы сделать это правильно!

Установка собственного теплового насоса

Как сократить расходы на установку теплового насоса

После покупки теплового насоса можно установить агрегаты самостоятельно. Эта часть не является технической и не требует разрешения, и позволит сэкономить деньги в процессе установки, если блок уже установлен на свое место, когда сертифицированный специалист приедет для его установки. Тепловой насос состоит из 2 основных блоков, наружного и внутреннего. Чтобы проиллюстрировать, как сэкономить на установке, наружный блок можно установить снаружи, а внутренний блок можно установить на настенном кронштейне или настенной подставке и ждать установки.

Однако это единственное, что вы можете сделать как личность, если вы не обучены этому предмету. Устанавливать тепловой насос и соединять части вместе должен обученный установщик газа. Если вам необходимо установить тепловой насос типа «воздух-вода», вам также потребуется сертифицированный специалист, который соединит наружный блок теплового насоса с внутренним блоком.

Задачи, которые не требуют присутствия техника и могут быть выполнены вами, включают сборку основных частей теплового насоса. После установки теплового насоса авторизованный установщик соединит детали вместе. Кроме того, необходимо даже подключить электричество, так как в этом отношении необходимо соблюдать некоторые правила и нормы. Поэтому для этого у вас должен быть лицензированный электрик. Если вы умеете, подумайте о том, чтобы сделать тепловой насос на основе грунта своими руками с помощью видео.

Компоненты тепловых насосов

Тепловые насосы поставляются с некоторыми узкоспециализированными компонентами, поступающими из глобальных цепочек поставок производителей. Компоненты можно разделить на хладагенты и механические компоненты.

1. Хладагенты 

Тепловые насосы используют хладагенты при температуре ниже температуры окружающей среды для поглощения тепла и его сжатия для повышения температуры выше температуры среды, такой как вода для радиаторов или воздух, циркулирующий в доме. Важно, чтобы хладагент был инертен и мог испаряться и конденсироваться при правильной температуре и давлении. Двумя наиболее часто используемыми моделями хладагентов в Великобритании в настоящее время являются: R410A (ПГП 2088), который используется в трех четвертях всех тепловых насосов Великобритании, за которым следуют R134a (ПГП 1300) и R32 (ПГП 675), популярность которых также растет.

2. Механические компоненты

Большинство механических компонентов любого теплового насоса работают одинаково, их основная функция заключается в изменении свойств хладагента. Ключевым компонентом является компрессор, который используется в тепловых насосах и кондиционерах. Помимо компрессора, другие компоненты тепловых насосов включают теплообменники, насосы, вентиляторы, расширительные баки и системы управления.

Руководство по установке

Установка самодельного геотермального теплового насоса на время может показаться сложной задачей, но следование руководству поможет. Существует несколько руководящих принципов, начиная от теплового насоса с использованием грунта и заканчивая тепловым насосом типа «воздух-вода». Прежде чем решиться на строительство своими руками, обязательно ознакомьтесь со стоимостью тепловых насосов с воздушным источником. Перед установкой теплового насоса следует рассмотреть тип руководства:

Тепловой насос «воздух-вода»

При установке теплового насоса «воздух-вода» сведите к минимуму шум и поддерживайте хорошие отношения с соседями. Важно, чтобы вы установили наружный блок теплового насоса не менее чем в 5-10 метрах от границы с вашим соседом, чтобы он не беспокоил их.

Грунтовый тепловой насос

Сначала вам нужно получить разрешение на установку геотермальной системы. Установщик обычно может помочь вам с получением разрешения.

Установка теплового насоса должна быть сезонной, т. к. зимой тепловой насос нельзя настроить. Это связано с тем, что вы рискуете получить изморозь в земле, когда трубы закопаны под землю.

Убедитесь, что у вас есть страховка, покрывающая стоимость самодельного геотермального теплового насоса. Это необходимо в отношении, например, если происходит утечка в земляных трубах.

Во избежание дискомфорта от шума теплового насоса рекомендуется установить внутренний блок в подвале или подсобном помещении. Не устанавливайте внутренний блок в местах, чувствительных к шуму.

Для обоих типов тепловых насосов можно установить солнечные панели, чтобы вы становились самодостаточными.