В котельных сжигается газ, уголь или мазут. В результате этого образуется тепло, которое при помощи теплоносителя по трубам подается в многоквартирные дома. В частном секторе для получения теплоснабжения также могут сжигать газ, уголь или дрова. В некоторых редких случаях для отопления может использоваться электроэнергия.
В настоящее время имеются эффективные разработки тепловых насосов (далее — ТН). Их можно использовать для отопления домов частного сектора, садовых домиков и гаражей.
Особенности тепловых насосов
Для получения тепловой энергии в ТН не используются энергоносители, и поэтому не наносится вред окружающей природе. Такая установка производит тепловой энергии больше, чем потребляет электроэнергии.
Принцип работы
В основе работы ТН лежит принцип переноса тепла от более холодного источника к более теплому. То есть более холодное он делает еще холоднее, а более теплое — еще теплее. Это значит здесь не заложена идея вечного двигателя, потому что в сумме количество тепла сохраняется неизменным, а электроэнергия тратится только на разделение и перенос тепла.
Для чего нужны
Тепловой насос можно применить как для отопления, так и для охлаждения, потому что при помощи его происходит разделение и перенос тепла. Значит ту часть установки, которая становится холоднее, можно использовать для понижения температуры, а другую часть — для повышения.
Что такое тепловой насос и как он работает
Под термином тепловой насос понимается набор определенного оборудования. Основной функцией этого оборудования является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. Источником такой энергии может стать любое тело или среда, обладающая температурой от +1º и более градусов.
В окружающей нас среде источников низкотемпературного тепла более чем достаточно. Это промышленные отходы предприятий, тепловых и атомных электростанций, канализационные стоки и пр. Для работы тепловых насосов в сфере отопления дома нужны три самостоятельно восстанавливающихся природных источника – воздух, вода, земля.
Три перечисленных потенциальных поставщика энергии напрямую связаны с энергией солнца, которое путем нагревания приводит в движение воздух с ветром и сообщает тепловую энергию земле. Именно выбор источника является основными критерием, согласно которому классифицируют тепловые насосные системы.
Принцип действия тепловых насосов базируется на способности тел или сред передавать тепловую энергию другому телу или среде. Получатели и поставщики энергии в тепловых насосных системах работают обычно в паре.
Так различают следующие виды тепловых насосов:
- Воздух – вода.
- Земля – вода.
- Вода – воздух.
- Вода – вода.
- Земля – воздух.
- Вода – вода
- Воздух – воздух.
При этом первое слово определяет тип среды, у которой система отбирает низкотемпературное тепло. Второе указывает на вид носителя, которому и передается эта тепловая энергия. Так, в тепловых насосах вода – вода, тепло отбирается у водной среды и в качестве теплоносителя используется жидкость.
Современные тепловые насосы используют три основных источника тепловой энергии. Это – грунт, вода и воздушная среда. Самый простой из этих вариантов – воздушный тепловой насос. Популярность таких систем связана с их довольно несложной конструкцией и простотой монтажа.
Однако несмотря на такую популярность, эти разновидности имеют довольно низкую производительность. К тому же КПД нестабилен и зависим сезонных колебаний температурного режима.
С понижением температуры их производительность значительно падает. Такие варианты тепловых насосов можно рассматривать как дополнение к имеющемуся основному источнику тепловой энергии.
Варианты оборудования, использующего тепло грунта, считаются более эффективными. Грунт получает и аккумулирует тепловую энергию не только от Солнца, он постоянно подогревается за счет энергии земного ядра.
То есть грунт является своеобразным тепловым аккумулятором, мощность которого, практически, не ограничена. Причем температура грунта, особенно на некоторой глубине, постоянна и колеблется в незначительных пределах.
Сфера применения энергии, вырабатываемой тепловыми насосами:
Постоянство температуры источника является важным фактором стабильной и эффективной работы данного вида энергетического оборудования. Аналогичными характеристиками обладают системы, в которых водная среда является основным источником тепловой энергии. Коллектор таких насосов располагают либо в скважине, где он оказывается в водоносном слое, либо в водоеме.
Среднегодовая температура таких источников, как грунт и вода, варьируется от +7º до + 12º С. Такой температуры вполне достаточно для того, чтобы обеспечить эффективную работу системы.
Виды насосов
Имеются различные виды тепловых насосов, но все они основаны на использовании принципа получения тепла или холода методом разделения тепловой энергии и ее переноса. Лишь один ТН Френетта отличается. Кавитационный способ получения тепловой энергии при помощи гидродинамического генератора является разновидностью теплового насоса.
Тепловая энергия, которая расходуется на отопление здания, является следствием преобразования энергии, осуществляемого при помощи теплового насоса. Причем получают тепло без сжигания топлива, а при помощи охлаждения наружной среды и выделения тепловой энергии внутри помещения, то есть в этом случае закон сохранения энергии соблюдается: сколько тепловой энергии забирается из внешней среды, столько же и выделяется внутри здания. Большинство таких устройств бытового назначения используют тепло солнца, которое накапливается поверхностью земли, водой или воздухом.
Поэтому по типу первого контура все конструкции можно разделить на воздушные, грунтовые и водяные.
По виду теплоносителя (В — вода, Г — грунт) в контурах насосы можно разделить на восемь типов:
- В—В;
- Г—В;
- Г—воздух;
- воздух—В;
- воздух—воздух;
- В—воздух;
- хладагент—В;
- хладагент—воздух.
Они могут использовать также тепло выпускаемого воздуха, подогревая приточный, то есть работать в режиме рекуперации.
Воздух-воздух
По принципу работы тепловой насос напоминает тот, что применяется в кондиционере в режиме обогрева, но имеет единственное отличие. ТН настроен на отопление, а кондиционер на снижение температуры в комнате.
Принцип действия установки В—В заключается в следующем: воздух даже при низких температурах имеет некоторое количество энергии. Только при абсолютном нуле тепловая энергия отсутствует. Большинство ТН способны получать тепло при температуре –15 °С. В настоящее время некоторые производители выпускают станции, сохраняющие отбор тепла при –30 °С. Забор тепла происходит при помощи испарения фреона, который циркулирует по внутреннему контуру. Для этой цели используется испаритель, в котором хладагент преобразовывается из жидкого состояния в газообразное. При этом поглощается тепло.
Следующим блоком, который расположен в системе теплоснабжения В—В, является компрессор, который фреон из газообразного состояния превращает в жидкое. При этом выделяется тепло. Эффективность установки В—В напрямую зависит от температуры окружающей среды. Чем она ниже, тем и производительность станции меньше.
Воздух-вода
ТН типа воздух-вода является наиболее универсальной моделью. Она весьма эффективна в теплое время года, но в холодное время года производительность существенно падает. Простой монтаж является преимуществом системы. Подходящее оборудование монтируется в любом месте. Тепло, которое удаляется из помещения в виде газа либо дыма, может повторно использовать.
Водяной ТН берет тепло из грунтовых вод, которые прокачиваются через испаритель. Подобный насос отличается неплохой эффективностью и повышенной стабильностью: эффективность — это результат значительной теплоотдачи воды.
Разумеется, для использования установки такого типа, нужно чтобы грунтовые воды на территории имелись в достаточном количестве. Желательно, чтобы вода находилась не глубже 30 метров.
Вода-вода
При такой системе во внутреннем контуре циркулирует легко испаряющаяся жидкость, например, фреон. В качестве контура внутри помещения могут быть водяные трубы, регистры или батареи, заполненные водой.
В качестве внешнего контура может выступать любой водоем, с достаточно большим количеством воды. Это может быть река, озеро или пруд. В этом случае теплоноситель забирает тепло с внешнего контура и отдает его контуру внутреннему.
Геотермальный
В качестве источника тепла у ТН используется запасенная тепловая энергия земли. Такие насосы считаются самыми эффективными, потому что температура грунта остается постоянной в течение всего года.
Эти системы подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Но для такого метода нужно довольно большая площадь под горизонтальные трубы, а для вертикальных систем необходимо выполнить значительные земляные работы.
Цены на разные виды тепловых насосов
тепловой насос
Тепловой насос для отопления своими руками
Такое устройство станет находкой для владельцев дач и частных домов, которые не подключены к газу. Главное преимущество такого способа обогревания помещения перед другими в том, что тепловые насосы потребляют мало энергии и способны довольно эффективно обогревать помещение. Таким тепловым насосом, как изготовил автор, происходит частичное обогревание дома в 2.5 этажа и площадью 213 кв. метров.
В установке используется два компрессора 24000 БТУ, в итоге потребление электричества составляет около 4-ех киловатт в час, а выделяется теплоты при этом 16-18 киловатт.
Два компрессора нужно для того, чтобы увеличить их срок службы, а также снизить пусковые токи, которые возникают при включении.
Материалы и инструменты для изготовления: — два компрессора; — терморегулирующий клапан; — металлический бак для создания конденсатора; — медная труба для создания змеевика; — пластмассовая бочка для создания испарителя (около 120 л); — кронштейны и другие крепежные элементы; — ТРВ; — однофазное пусковое реле и другие элементы.
Процесс изготовления теплового насоса:
Шаг первый. Установка компрессора
Мощность компрессора должна быть около 25500 Бту. он крепится к стене так, как указано на картинке. Для этого используются кронштейны L-300мм.
Шаг второй. Устройство конденсатора
Для создания конденсатора понадобится бак из нержавейки емкостью 120 литров. Бак был разрезан на две части и затем в него был вставлен змеевик фреоновода. После этого бак сварили назад. Также на этом этапе нужно будет приварить несколько технических резьбовых соединений. Площадь медной трубы змеевика рассчитывается по формуле M2 = kW/0,8 x ∆t. ∆t – разница температуры воды на входе и выходе системы. У автора это 35с-30с= +5 градусов С. M2 — площадь трубы змеевика (квадратные метры). kW – мощность тепловыделения системой (с работающим компрессором) в кВт. 0,8 – коэффициент теплопроводности меди/воды при условии противотока сред.
В итоге площадь теплообмена змеевика составляет порядка двух квадратных метров.
Змеевик делается из медной трубки, которая наматывается на любой подходящий по форме предмет, у автора это газовый баллон. Общая длинна трубы составила 35 метров. Чтобы конструкция была прочной, ее нужно зафиксировать с помощью двух алюминиевых реек и медной проволоки. Концы змеевика выводятся при помощи сантехнических выводов. Вместо обжимного кольца использовалась льняная веревка с герметиком.
Шаг третий. Устройство испарителя
Для создания испарителя понадобится пластмассовая бочка на 127 литров с широкой горловиной. Испаритель изготавливается по такому же принципу, как и конденсатор. То есть понадобиться медная труба длиной 25 метров, из которой нужно сделать змеевик.
Такой испаритель является затопленного типа. Жидкий фреон заходит через змеевик снизу, затем в нем испаряется и далее распространяется уже в виде газа, движется затем к компрессору. При этом улучшается теплоотдача.
Переходы подойдут пластмассовые PE 20*3/4’, от питьевой воды. Подача и сток воды происходит через обыкновенные канализационные трубы. Впоследствии испаритель крепится на кронштейны размером L-400мм.
Шаг четвертый. Подключение ТРВ
ТРВ используется фирмы Honeywell. При пайке нужно быть крайне осторожным, так как ТРВ не выдерживает температуры более 100 градусов. Перед пайкой нужно обмотать ТРВ мокрой тряпочкой, так будет происходить охлаждение.
Шаг пятый. Сборка устройства.
Для сборки понадобится комплект для жесткой пайки Rotenberg. Еще нужно будут три электрода с нулевым содержанием серебра и один электрод с содержанием серебра 40% для пайки в стороне компрессора. В итоге соединение будет вибростойким. нужно не забыть впаять в систему заправочный клапан Шредера, на нем должен быть ниппель для подключения шланга. Он припаивается на входе в компрессор. Входная труба выравнивателя ТРВ припаивается после испарителя, но перед баллоном. Перед пайкой золотник нужно вывернуть, так как резиновый уплотнитель расплавится.
Шаг шестой. Заправка фреоном
Перед заправкой нужно выгнать из системы воздух, для этого в нее подается некоторое количество фреона для его вытеснения. Для заправки понадобится не более 2 кг фреона. Для заправки понадобится манометр, с помощью него можно следить за процессом.
Шаг седьмой. Электроника
Для запуска системы необходимо пусковое реле, так пусковые токи составляют около 40 А. Обязательно должен иметься предохранитель, а также щиток с DIN рейкой. Еще понадобится тепловой датчик, с помощью него система будет автоматически выключаться при достижении определенной температуры.
По словам автора, сразу же после первого запуска система заработала так, как нужно. Теперь можно подключать контур отопления и вести тепло по дому туда, куда нужно. После этого нужно будет сделать корректировку давления и ТРВ.
Источник (Source)
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
Сборка простого насоса из кондиционера
Современные кондиционеры могут выполнять функцию ТН воздух—воздух. Но их производительность падает вместе с температурой наружного воздуха.
Доработав кондиционер, можно получить действительно работающую модель насоса. Для этого можно собрать самодельный ТН своими руками по рабочим вариантам чертежей из кондиционера, который отбирает энергию не у наружного воздуха, а от проточной воды. В этом случае от кондиционера используется только компрессор.
Этапы работы:
- К компрессору нужно сделать теплообменник. Медная трубка длиной 30 метров наматывается в форме змеевика на цилиндр. После чего эту конструкцию нужно поместить в стальную емкость, которая имеет патрубки для воды.
- Компрессор необходимо присоединить к нижнему вводу теплообменника, а к верхнему подключить регулирующий клапан.
- Заправить систему фреоном лучше всего поручить мастеру.
- Дальше следует всю конструкцию проверить и произвести пробный пуск ТН.
- После устранения недостатков система отключается от напряжения, все закрепляется, закрывается защитными кожухом и включается в работу.
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.
Сборка насоса из старого холодильника
Тепловой насос изготовить из старого холодильника можно двумя способами.
В первом случае холодильник должен находиться внутри помещения, а снаружи требуется проложить 2 воздуховода и врезать в переднюю дверку. По верхнему воздух попадает в морозилку, происходит охлаждение воздуха, и по нижнему воздуховоду он покидает холодильник. Помещение греется от теплообменника, который расположен на задней стенке.
По второму способу своими руками сделать тепловой насос тоже довольно просто. Для этого понадобится старый холодильник, его надо только встроить снаружи отапливаемого помещения.
Такой обогреватель может работать при наружной температуре до минус 5 ºС.
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.
Перед сборкой конденсатора необходимо медную трубку намотать в виде спирали и поместить в металлическую бочку емкостью не менее 0,2 м³. Медная трубка заполняется фреоном, а бочка с водой подключается к системе отопления дома.
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. Циркуляционный насос grundfos вы найдете ответ по ссылке.
Принципиальная схема
Принципиальная схема работы теплового насоса.
В закрытом контуре происходит поочерёдное испарение, сжатие, конденсация (сжижение) и расширение рабочего вещества – хладагента, закипающего уже при невысокой температуре.
1.Испаритель — в испарителе находится жидкий хладагент низкого давления. Его темпе-ратура ниже, чем температура источника тепла. Поэтому тепло от источника тепла передаётся хладагенту, что приводит к испарению хладагента.
2.Компрессор — газообразный хладагент сжимается в компрессоре до высокого давления и при этом настолько сильно нагревается, что температура хладагента после компрессии ста-новится выше температуры, необходимой для отопления и ГВС. Кроме того, энергия привода компрессора тоже преобразуется в тепло и «перетекает» к хладагенту.
3.Конденсатор — очень горячий хладагент высокого давления отдаёт в конденсаторе всё своё тепло, то есть тепло, полученное от источника тепла, а также тепло энергии привода компрессора в систему отопления (перепад тепловых потенциалов). При этом хладагент сильно охлаждается и снова становится жидким.
4.Расширительный клапан — затем хладагент проходит через расширительный клапан и снова возвращается в испаритель. В расширительном клапане происходит декомпрессия до первоначального давления. Цикл завершился.
Режимы эксплуатации тепловых насосов — ТН(тепловой насос) для отопления помещений – в зависимости от типовых условий – могут эксплуатироваться самыми разнообразными способами. Выбор того или иного режима работы должен ориентироваться, прежде всего, на уже имеющиеся в здании или планируемые системы отдачи тепла и на выбранный источник тепла:
1). Моновалентный режим
О моновалентном режиме эксплуатации речь идёт тогда, когда ТН(тепловой насос) покрывает всю потребность в тепле для отопления и ГВС. Оптимальными для этого являются такие источники тепла, как грунт и грунтовые воды, так как эти источники тепла почти незави-симы от наружной температуры и поставляют вполне достаточно тепла даже при низких тем-пературах.
2). Бивалентный режим
В бивалентном режиме, наряду с ТН(тепловым насосом) всегда применяется второй теплогенератор, чаще всего – уже имеющийся жидкотопливный котёл. В прошлом для одно- и двухсемейных домов этот вид эксплуатации имел огромное значение, прежде всего – в сочета-нии с воздушно-водяным ТН(тепловым насосом). При этом основное теплоснабжение выпол-нялось ТН(тепловым насосом), а, начиная с наружной температуры, например, ниже 0°C, к работе подключался жидкотопливный котёл. Из экономических соображений – поскольку всегда требуется два теплогенератора – такие системы сейчас не получают широкого распространения и реализуются лишь в отдельных редких случаях.
