Тепловой насос для отопления дома своими руками

В отличие от таких устройств альтернативной энергетики, как солнечная батарея и ветрогенератор, тепловой насос менее известен. И напрасно. Наиболее распространенная схема «грунт-вода» работает стабильно и не зависит от погоды или климатических особенностей. А изготовить его можно самостоятельно.
Немного теории
Использовать природное тепло земли для обогрева жилья проще всего при наличии в регионе геотермальных вод (как это делают в Исландии). Но такие условия большая редкость.
И в то же время тепловая энергия есть везде — надо только ее извлечь и заставить работать. Для этого и служит тепловой насос. Что он делает:
отбирает энергию у низкотемпературных природных источников;
аккумулирует ее, то есть поднимает температуру до высоких значений;
отдает ее теплоносителю системы отопления.
В принципе, используется стандартная схема компрессорного холодильника, но «наоборот». В первом контуре циркулирует природный теплоноситель. Он замкнут на теплообменник, выполняющий функцию испарителя для второго контура.
Второй контур — это и есть сам тепловой насос, внутри которого находится фреон. Цикл теплового насоса состоит из следующих этапов:
В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
В газообразном состоянии фреон поступает в компрессор и сжимается до 25 атмосфер, при этом его температура растет (чем больше сжатие, тем выше температура). Это и есть фаза аккумуляции тепла — из большого объема с низкой температурой переход в малый объем с высокой температурой.
Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
После охлаждения фреон попадает в дроссель (он же регулятор потока или терморегулирующий вентиль). В нем давление падает, фреон конденсируется и в виде жидкости возвращается в испаритель.
Где лучше «отбирать» тепло
Принципиально есть три среды, из которых можно «отобрать» тепло:
1. Воздух. При нормальном давлении все типы фреонов закипают при отрицательных температурах (например, R22 — около -25 °C, R404 и R502 — около -30 °C). Но для циркуляции в системе надо создать избыточное давление уже на первой фазе — испарении. Те же 4 атмосферы в испарителе требуют, чтобы температура воздуха на улице была не ниже 0 °C для R22 и -5 °C для R404 и R502. В наших регионах этот тип теплового насоса можно использовать для отопления в межсезонье и для горячего водоснабжения в теплое время года.
2. Вода. Это более стабильный источник тепла, при условии, что водоем зимой не промерзает до дна. Но дом должен не просто находиться рядом с озером или рекой, а быть на первой линии.
3. Земля. Самый стабильный источник тепловой энергии. Можно использовать две схемы — горизонтальную и вертикальную. Горизонтальная кажется проще тем, что не требует бурения. Но придется проделать большой объем земляных работ по рытью системы траншей на глубину ниже уровня промерзания грунта (для средних широт он колеблется от 1 метра на западе европейской части страны и до 1,6–1,8 ближе к Уралу, в Сибири ситуация «еще хуже». Вертикальная схема более универсальна и эффективна, но требует бурения на значительную глубину. Хотя можно использовать несколько неглубоких скважин вместо одной глубокой.
Принципиальная схема
Сама схема теплового насоса несложная: испаритель — компрессор — конденсатор — дроссель — испаритель.
«Сердце» схемы — это компрессор. Можно купить новый, но дешевле подыскать б/у. Естественно, речь идет не о маломощных компрессорах бытовых холодильников, а о моделях, устанавливаемых в сплит-системах. Ориентироваться надо не на потребляемую мощность, а на мощность в режиме обогрева (которая выше чем в режиме охлаждения на 5–20%).
Выбирают модель компрессора по соотношению 1 кВт на 10 кв. метров отапливаемой площади.
Внимание! Может указываться мощность не только в кВт, но и в BTU (английская единица измерения тепловой энергии, принятая для климатической техники). Пересчет сделать просто — значение в BTU разделить на 3,4.
При расчете параметров теплонасоса, в том числе теплообменников, используют программное обеспечение, предназначенное для моделирования, расчетов и оптимизации систем охлаждения, например, CoolPack
Уже на стадии расчетов (а точнее, при задании «вводных») можно оптимизировать систему, выбрав оптимальные тепловые режимы.
Использование теплового насоса эффективно для низкотемпературных систем отопления, например, для теплых полов с температурой не выше 35–40 °C. Кстати, эта же температура рекомендована по медицинским требованиям для системы ГВС.
Для каждого типа фреона есть оптимальные температуры «входа» и «выхода», точнее, кипения и конденсации, но разница у всех них не более 45–50 °C.
Казалось бы, увеличение температуры на выходе теплового насоса даст положительный эффект, но это не так. Будет расти и разница температур, что приведет к снижению COP (коэффициента преобразования, или КПД тепловой машины). Кроме того, для этого потребуется использование более мощного компрессора и дополнительный расход электроэнергии.
Идеального COP достичь не получится (потери в компрессоре, расход электроэнергии, потери тепла при транспортировке внутри системы и т. п.), поэтому реальные значения обычно лежат в пределах от 3 до 5.
Есть еще один способ повышения эффективности — использование бивалентной схемы отопления.
В реальности работа системы отопления в полную мощность нужна лишь на протяжении 15–20% всего сезона. На это время можно использовать дополнительные отопительные устройства (например, керамический обогреватель или конвектор). Уменьшение расчетной тепловой мощности до 80% позволит сэкономить на компрессоре, уменьшить глубину скважины или длину труб горизонтальной схемы, снизить расход электроэнергии на обслуживание самого теплового насоса.
От заданной номинальной мощности теплового насоса и COP зависит расчет горизонтального или вертикального грунтового теплообменника. В среднем с каждого метра «горизонта» снимают 20 Вт (при шаге укладки труб не менее 0,7 м), а с «вертикали» — 50 Вт. Но конкретные значения зависят от вида породы и ее влажности. Лучшие значения у грунтовых вод.
Интересно! Есть и другие грунтовые теплообменники — «спираль» или «корзина». По сути, это вертикальный зонд из трубы в виде спирали, что позволяет снизить глубину бурения.
После определения длины горизонтального контура или глубины вертикального зонда рассчитывают размеры испарителя и конденсатора.
Изготовление испарителя и конденсатора
Можно купить уже готовые теплообменники как для испарителя (под низкое давление), так и для конденсатора (с давлением до 25 бар). Но дешевле их изготовить из медной трубки для кондиционеров (которая предназначена именно для работы с хладагентами при высоком давлении) и подручных емкостей.
Важно! Сантехническая медная труба не такая «чистая» и гибкая. Ее хуже паять и вальцевать при монтаже.
Рассчитывают площадь поверхности теплообменника, которая прямо пропорциональна мощности тепловыделения и обратно пропорциональна разнице температур теплоносителей на входе и выходе каждого подключаемого контура (грунтового и системы отопления).
Зная диаметр трубы и площадь поверхности, определяют длину каждого змеевика для испарителя и конденсатора.
Емкость для конденсатора лучше сделать из нержавейки (температура входящих паров фреона может быть довольно высокая):
взять готовый бак подходящей емкости (чтобы поместилась спираль из медной трубки);
разместить в нем змеевик (вход вверху, выход внизу);
вывести концы медной трубки для подключения к компрессору и ТРВ (пайкой или фланцем);
сделать в баке врезку переходников для подключения труб системы отопления;
заварить крышку.
Испаритель работает на более низких температурах, поэтому для него можно взять более дешевую пластиковую емкость, в которую врезают переходники для подключения к грунтовому контуру. Он также отличается от конденсатора расположением змеевика теплообменника — вход (жидкая фаза фреона от ТРВ) снизу, выход на компрессор сверху.
Монтаж схемы
После изготовления теплообменников производят сборку газогидравлической схемы:
устанавливают по месту компрессор, конденсатор и испаритель;
паяют или соединяют на фланец медные трубы;
подключают испаритель к насосу грунтового контура;
подключают конденсатор к системе отопления.
Электрическая схема (компрессор, насос грунтового контура, аварийная автоматика) должна подключаться по выделенной цепи, которая обязана выдерживать довольно высокие пусковые токи.
Обязательно использовать автомат защиты, а также аварийное отключение от реле температуры: на выходе воды из конденсатора (при перегреве) и выходе рассола из испарителя (при переохлаждении).