Самодельные тепловые насосы для отопления

Повышение эффективности системы отопления дома является одной из главных задач его хозяина, поскольку расходы по этой статье в российских климатических условиях весьма значительны. Поэтому задача использования энергии окружающего пространства для отопления весьма интересна, постоянно развивается и остается предметом внимания, особенно в сообществе «самоделкиных». Собрать тепловой насос своими руками вполне доступно подготовленному человеку, поскольку особых сложностей эта работа не представляет, и необходимости в изготовлении деталей сложной конфигурации нет.

Принцип действия устройства

Он основан на сборе тепла из окружающего пространства и использовании его для системы отопления дома с целью уменьшения затрат на эту функцию. Аппараты такого типа имеются во многих домах, это холодильники, сплит – системы и кондиционеры. Некоторые из них имеют двойное назначение, выполняя по выбору пользователя либо отопление, либо охлаждение помещений в зависимости от потребности.

Теоретической основой таких машин является обратный цикл Карно. Но, не вникая в подробности, просто опишем процесс работы такого устройства.

Рис.1. Принципиальная схема работы теплового насоса в сети отопления

Рабочим телом в таких устройствах, как и в холодильниках, является фреон или аммиак, который компрессором нагнетается в нагревательный контур. При этом давление внутри системы резко повышается, поскольку выход теплоносителя перекрыт дросселем. Полученным теплом согревается теплоноситель в системе отопления дома, как правило, температура достигает уровня 64^оС. Горячий поток дополняет циркулирующий в основной отопительной сети, снижая потребление топлива. При определенном давлении дроссель открывается, и рабочее тело поступает в камеру испарителя. При этом его температура снижается. Дополнительное тепло получается из регистра сбора тепла. Далее цикл повторяется, как и в устройстве холодильника.

Расчет параметров системы

Мощность, которую потребует самодельный тепловой насос, можно рассчитать из соотношения:

R = (k * v * T)/860, где

R – мощность, необходимая для обогрева помещения

k – коэффициент для учета тепловых потерь зданием (1 – качественно утепленное помещение, 4 – дощатый барак);

v – общий объем помещения, подлежащего отоплению;

T – наибольший перепад температур внешнего мира и внутридомового пространства;

860 – коэффициент перевода результата расчета в кВт из ккал.

В качестве примера приведем расчет для дома 200 квадратных метров с высотой потолков 2,8 метра:

R = 1 * 200*2,8 * (22 — -25)/860 = 560 * 47 /860 = 30,6 кВт.

Целесообразно использовать теплонасос с запасом мощности 10 – 12%, то есть – порядка 35 кВт.

Нужно обратить внимание на такой показатель, как разность наружной и внутренней температур. Если брать подогретый воздух из окружающего пространства с температурой порядка 7^оС, показатель разности составит (22 – 7) 15 градусов, а мощность теплонасоса составит 9,8 кВт. Сравните два этих показателя и почувствуйте разницу при использовании тепла окружающего пространства.

Состав оборудования

Внешний контур

Для внешнего контура агрегата отопления дома понадобятся трубы. Наибольшей теплопроводностью обладают изделия из металла (но не из нержавеющей стали), поэтому для системы сбора тепла лучше применять их.

Рис.2. Сбор тепла в земле с использованием скважины для самодельного теплонасоса

На рис.2 показан геотермальный тепловой насос своими руками с использованием деталей старого кондиционера и холодильника. Глубина скважины для сбора тепла геотермальных вод составляет порядка 60 – 120 метров. На приведенной схеме не показана обсадная труба, однако ее применение обязательно, поскольку обсадка защищает стенки скважины от разрушения. Регистр сбора внешнего тепла должен находиться внутри обсадной трубы.

Рис.3. Поверхностный сбор внешнего тепла

Сбор пространственной энергии для отопления дома может производиться не только через глубинную скважину, но и с использованием горизонтальной системы труб, заглубленных не менее, чем на величину промерзания грунта.

Достаточный результат дает сбор тепла из водоема, поскольку на дне температура воды всегда составляет 4 градуса тепла, поскольку именно в таком состоянии она имеет наибольшую плотность. Привлекательной стороной является значительно меньший объем земляных работ.

Используются для сбора тепла и системы, нагревающиеся под воздействием солнца. Такие блоки устанавливаются чаще всего на крыше дома и предназначаются для нагрева воды или воздуха. Они существенно повышают температуру в испарителе теплонасоса, повышая эффективность системы отопления дома.

Рис.4. Использование гелиоколлектора в системе обогрева здания теплонасосом

Испаритель

Этот узел представляет собой емкость, в которой располагается теплообменник, несущий в себе носитель тепла, собранного наружным контуром. Конструктивное решение этой детали может быть различным, но чаще всего его выполняют из медных труб.

Рис. 5. Форма теплоэлемента испарителя должна обеспечивать максимальный контакт с хладагентом

Изготавливая тепловой насос своими руками, часто используют пригодные для эксплуатации узлы и детали из старого холодильника или кондиционера, а также вышедшей из строя сплит – системы.

Компрессор

На самодельных теплонасосах чаще всего применяют компрессоры из имеющейся в наличии старой техники. Когда система агрегата собрана и испытана, можно подумать о замене компрессора из старого холодильника на другой, более или менее мощный. Выбирая компрессор, лучше всего обратить внимание на узлы из сплит –  систем, отличающиеся повышенной мощностью и надежностью. Современные агрегаты, как правило, оснащаются блоками автоматического управления и регулировки, что значительно упрощает управление этими агрегатами.

Рис.6. Компрессор для теплового насоса

Конденсатор

К выбору этого элемента системы нужно подойти особенно тщательно, поскольку он представляет собой сосуд, работающий под давлением. Предпочтительно использовать старый газовый баллон. Его придется разрезать, чтобы поместить туда теплообменник, а затем снова сварить.

Дроссели

В теплонасосах это устройства для сброса давления из конденсатора в испаритель. Деталь легко найти в магазинах или мастерских по ремонту бутовой техники, поскольку они очень долговечны в работе.

Рис.7. Дроссель для теплонасоса

Тепловые насосы Френетта

Эти устройства чрезвычайно просты и эффективны. Однако для их изготовление важна точность исполнения каждой детали и тщательная балансировка всей системы ротора.

Рис.8. Схема теплового насоса Френетта

При работе такого теплонасоса нагревается масло, и передача тепла в систему отопления дома производится через радиатор. Возможны вертикальные и горизонтальные схемы устройства.

Тепловой насос френетта своими руками для отопления дома можно изготовить, только имея доступ к металлообрабатывающему оборудованию и хорошую слесарную подготовку.

Рис.9. Вариант исполнения самодельного теплонасоса

Заключение

Использование энергии окружающего пространства заслуживает внимания, позволяя сократить расходы на отопление дома. При использовании теплоты геотермальных вод или грунтового подогрева воздуха быстро не окупится в связи с большими трудовыми и финансовыми затратами, однако экономичность процесса не подвергается сомнениям.

Кроме того, имеется возможность использовать теплонасосы как сплит – системы, повышая комфортность проживания, а применение блока автоматического управления облегчит управление устройством.

Советуем почитать: тепловой насос вода — вода