Тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип действия, разновидности агрегатов и инструкция по изготовлению

Выгода от использования системы отопления на базе теплового насоса (ТН) вполне очевидна. Однако, широкого применения данный способ обогрева жилища у нас пока не получил, главным образом – из-за дороговизны оборудования.

Проблемой заинтересовались народные умельцы. Кое-кто из них решил не отказываться от столь прогрессивной идеи и придумал, как соорудить тепловой насос для отопления дома своими руками.

Принцип действия

Название «тепловой насос» характеризует работу данного устройства максимально точно.

Действительно, этот агрегат цикл за циклом как бы выкачивает тепловую энергию, причем извлекаться она может из довольно холодной по нашим меркам среды, которая называется низкопотенциальным источником.

Под этим термином обычно подразумевают грунт на глубине более 2-х метров, прохладный зимний воздух и даже укрытый ледяной коркой водоем.

Рассмотрим работу этого технического чуда поэтапно:

В среду-источник помещается контур из труб, по которому циркулирует антифриз или раствор соли. За время обхода контура теплоносителю сообщается температура примерно в +5 – +7 градусов.
Далее теплоноситель поступает к испарителю ТН, в котором находится особое вещество – хладагент. Чаще всего в этом качестве выступает фреон. За счет теплообмена хладагент нагревается до тех же +5 – +7 градусов. При этом он переходит в газообразное состояние, поскольку закипает при температуре около -10 градусов.
Теперь происходит самое интересное: хладагент перекачивается компрессором в конденсатор, где сжимается под большим давлением, вследствие чего его температура увеличивается до 70 – 80 градусов. Конденсатор омывается водой, циркулирующей в отопительной системе. Она нагревается, а затем передает тепловую энергию радиаторам.
Через редукционный клапан хладагент порциями сбрасывается в испаритель, где он расширяется и остывает. При этом его температура становится ниже исходных 5-ти градусов, ведь часть внутренней энергии была передана рабочей среде отопительного контура на предыдущем этапе. Снова происходит нагрев от контакта с рассолом, испарение, закачка компрессором в конденсатор – и так по кругу.

Принцип действия теплового насоса

Из вышеприведенного описания становится понятным, что для работы ТН необходимы два теплообменника: в одном происходит передача тепловой энергии от наружного контура хладагенту, в другом – от хладагента воздушной или жидкой среде внутри дома.

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.

Достоинства и недостатки технологии

Важнейшими преимуществами ТН являются:

Экономичность: на каждый киловатт потребленной электроэнергии ТН выдает на-гора от 3 до 5 кВт тепла. То есть речь идет о практически дармовом отоплении.
Экологичность и безопасность: работа ТН не связана с образованием и выбросом в атмосферу каких-либо опасных для экологии веществ, а отсутствие пламени делает эту технологию абсолютно безопасной.
Простота эксплуатации: в отличие от газовых и твердотопливных котлов ТН не нужно чистить от сажи и копоти. Так же не придется сооружать и обслуживать дымоход.

Существенный недостаток данной технологии – высокая стоимость оборудования и монтажных работ.

Приведем простой расчет. Для дома площадью 120 кв. м понадобится ТН производительностью 120х0,1 = 12 кВт (из расчета 100 Вт на 1 кв. м). Модель Diplomat от компании Thermia с такой производительностью стоит около 6,8 тыс. евро. Несколько дешевле обойдется модель DUO того же производителя, но и ее стоимость нельзя назвать демократичной: около 5,9 тыс. евро.

Тепловой насос Thermia Diplomat

Даже если сравнивать с самым дорогим видом традиционного отопления – электрическим (по 4 руб. за 1 кВт*ч, 3 месяца – работа с полной загрузкой, 3 месяца – с половинной), окупаемость займет более 4-х лет, и это без учета стоимости монтажа наружного контура. На деле же ТН не всегда работает с расчетной производительностью, соответственно, и срок окупаемости может оказаться более продолжительным.

Покрытый толстым слоем льда пруд отличный источник для бесплатного отопления. Геотермальное отопление: принцип работы, достоинства и недостатки, способы размещения внешнего контура.

Схему обвязки котла отопления вы найдете здесь.

Печь на отработанном топливе отличный вариант для экономичного отопления помещения. Здесь https://4air.ru/otopitelnoe-oborudovanie/pechi/na-otrabotannom-masle-svoimi-rukami.html вы найдете пошаговую инструкцию по изготовлению такого устройства своими руками.

Делаем тепловой насос своими силами

В общих чертах инструкция по изготовлению тепловых насосов для отопления своими руками имеет следующий вид:

приобретается компрессор,
изготавливаются конденсатор и испаритель,
устанавливается регулирующий клапан и производится заправка ТН фреоном.

Приобретение компрессора (можно б/у)

Компрессор следует выбирать спиральный, а не поршневой компрессор, так как он имеет более высокий КПД и отличается большей долговечностью.

Шумит он тоже меньше, что немаловажно, ведь агрегат будет находиться внутри дома.

В самодельном ТН вместо одного мощного компрессора можно установить несколько маломощных, которые будут включаться в работу один за другим.

Преимущество такого варианта – снижение величины пусковых токов в сравнении со схемой, включающей один компрессор. «Сердце» ТН следует закрепить на стене с помощью кронштейнов.

Изготовление конденсатора

Конденсатор изготавливается в виде змеевика из медной трубы. Ее диаметр и длина подбираются таким образом,чтобы площадь поверхности соответствовала значению:

S = P / 0.8 x dT

Здесь:

S, кв. м – площадь поверхности конденсатора (медного змеевика),
P, кВт – мощность по тепловыделению,
0,8 – стандартный коэффициент теплопроводности для меди,
dT, градусы – разность температур теплоносителя отопительной системы на входе и выходе в теплообменник.

Для придания змеевику правильной формы медную трубу можно оборачивать вокруг газового баллона. Ее стенка должна быть не тоньше 1-го мм, иначе при сгибании она будет заминаться.

Конденсатор располагают так, чтобы фреон поступал в него сверху.

Испаритель рассчитывают и изготавливают совершенно аналогично. Фреон в него должен поступать снизу.

Наиболее эффективными являются покупные пластинчатые теплообменники, но стоят они довольно дорого: около 400 евро. Предлагается установить испаритель и конденсатор в обычных баках, каждый из которых подключен к соответствующему контуру. Емкость бака для конденсатора составляет примерно 120 л, для испарителя понадобится меньший объем – около 70 л. Правда, змеевик испарителя может оказаться слишком большим, в этом случае для него также можно взять бак объемом 120 л.

Все привылки, что электрическое отопление стоит очень дешево, поэтому оно не пользуется большой популярностью. На самом деле отопление дома электричеством дешево можно организовать при помощи многотарифных счетчиков и накопительных емкостей. Как это делается, читайте на нашем сайте.

Подробную систему расчета мощности котла отопления вы найдете в этой теме.

Завершающий этап

Завершающий этап – монтаж терморегулирующего клапана и заправка ТН фреоном R22 или R422. Для этих операций придется приглашать специалиста с соответствующим оборудованием.

Схема устройства самодельного теплового насоса

В данном случае самодеятельность действительно неуместна. Даже нарезку медной трубы следует осуществлять специальным инструментом, иначе в систему попадет стружка, которая быстро выведет из строя компрессор.

Способы размещения наружного контура

Существует несколько вариантов размещения наружного контура:

В грунте горизонтально: трубы укладываются «змейкой» с шагом около 1 м на глубине, превышающей глубину промерзания грунта. Длина контура определяется из расчета 20 – 30 Вт потребной тепловой мощности на 1 м.п. Устройство такого контура не потребует специальных навыков, но под него придется отвести довольно большой участок.
В грунте вертикально: трубы наружного контура помещают в скважины глубиной до 200 м. В этом случае с 1-го м.п. удается получить уже 50 Вт тепла. Построить вертикальный контур самостоятельно невозможно, придется приглашать бурильщиков. Но у него есть и преимущество: уходя вглубь, вы сэкономите изрядную часть собственной территории.
В водоеме: при наличии водоема – самый предпочтительный вариант, так как отпадает необходимость производства земляных работ. Трубы контура укладывают на дне спиралью и прижимают грузом. Производительность по теплу – около 30-40 Вт/м.п.
На воздухе: в этом случае, как уже говорилось, наружный контур вовсе отсутствует. Испаритель необходимо закрепить на улице, установив рядом с ним вентилятор.

Движение рабочей среды в наружном контуре обеспечивается циркуляционным насосом.