Принципиальные схемы подключения тепловых насосов henk и пример простого монтажа

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.

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.

Принцип действия теплового насоса

Принцип действия тепловых насосов схож с работой холодильных машин, где производиться получение холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду. В тепловом насосе же процессы происходят в обратном порядке — в этом и заключается основное различие.

Устройство теплового насоса:

Тепловой насос состоит из двух теплообменников — испарителя и конденсатора. В испарителе с помощью испаряющегося хладагента поддерживается температура ниже температуры того тела (грунт, вода или атмосферный воздух), от которого требуется отобрать тепло. В конденсаторе поддерживается температура выше температуры другого тела (система отопления дома), которому тепло передается.

Разные уровни температур в первом и втором теплообменниках обеспечиваются с помощью циркулирующего между ними хладагента, способного изменяться от жидкого к газообразному состоянию и обратно при различных температурах.

Тепловым насосам для работы требуется электроэнергия. Ориентировочно, затратив 1 кВт электроэнергии на работу компрессора и насосов, можно получить 3 — 5 кВт тепловой энергии. В летний период, при наличии реверсивного режима работы, тепловой насос может охлаждать воздух в помещении.

Что такое тепловой насос

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.

1 — земля; 2 — циркуляция рассола; 3 — циркуляционный насос; 4 — испаритель; 5 — компрессор; 6 — конденсатор; 7 — система отопления; 8 — хладагент; 9 — дроссель

Второй контур — это и есть сам тепловой насос, внутри которого находится фреон. Цикл теплового насоса состоит из следующих этапов:

1. В испарителе фреон нагревается до температуры кипения. Она зависит от типа фреона и давления в этой части системы (обычно до 5 атмосфер).
2. 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.
3. Нагретый давлением газ поступает в конденсатор, в котором происходит передача тепла теплоносителю системы отопления.
4. 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.

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)

Советы при покупке

Перед приобретением теплового насоса, стоит посмотреть отзывы об отоплении помещений на тематических форумах. Как было отмечено ранее, воздушное устройство работает от атмосферного тепла, но не выдерживает температурные перепады и загрязнение радиатора.

От этого оборудование быстро придет в неисправность. Поэтому воздушные насосы больше подойдут для мягких зим.

• Водные устройства очень требовательны к качеству воды. При малейшем налете на насос, эффективность работы таких приборов сразу падает.
• Геотермальные насосы по отзывам потребителей наиболее пригодны для всех перепадов климатических температур. Они хорошо прогревают помещение, используя энергию земли. И идеальны для российской зимы.

Это объясняется доставкой товара до места реализации, зарплатой продавцов и чаще всего арендной платой за помещение. Также ценовая политика на тепловой насос зависит от региона, в котором продается данный товар.

Внутреннее устройство и принцип работы теплового насоса Френетта

Изобретённое американским инженером, и получившее в последующем его имя, тепловой насос Френетта, устройство произвело настоящую революцию в семействе тепловырабатывающего оборудования своим КПД, который составляет почти 1000%.

Основными элементами конструкции указанного насоса являются:

• Статор (неподвижный цилиндр);
• Ротор (подвижный цилиндр);
• Вал;
• Электровентилятор.

Роль первых двух элементов выполняют цилиндры. Причём ротор вставлен, внутрь статора. Последний заполняется маслом, нагревающимся в результате трения, возникающего при вращении ротора. Движение внутреннего цилиндра осуществляется валом, с закреплённой на его противоположном конце крыльчаткой вентилятора. Именно он передаёт нагревшийся воздух для обогрева комнаты. В дальнейшем схема теплового насоса Френетта была неоднократно усовершенствована.

Самое главное из них заключается в замене цилиндрического ротора несколькими дисками из стали и отказ от вентилятора.

Эффективность работы указанной модели насоса и его КПД обеспечиваются:

• Отсутствием теплообменника;
• Тем, что теплоноситель перемещается в закрытой системе;
• Нагревание происходит с выработкой энергии большой мощности;
• Базовая часть конструкции указанного насоса конусная, что способствует росту температуры и созданию зон вакуума.

Величина производимой устройством энергии, используемой для обогрева комнаты, многократно превосходит затраты потребляемой электроэнергии.

Изменение температуры используемого теплоносителя достигается за счёт трансформации энергии.

Особенности выбора

Теплонасос — это устройство технически сложное и довольно дорогостоящее, потому подходить к приобретению этого оборудования нужно очень тщательно. Существует ряд рекомендаций, которые смогут в этом помочь:

1. Не стоит приступать к выбору теплонасоса без предварительного выполнения расчетов и разработки проектной документации. Не соблюдение этого правила может являться причиной серьезных ошибок, и исправить их можно будет только с помощью значительных дополнительных материальных затрат.
2. Доверить разработку проекта, установку и гарантийное обслуживание термонасоса и отопительной системы следует лишь профессиональной компании. Для начала нужно проверить наличие всех требуемых документов строительной организации, портфолио уже установленных систем, сертификаты на реализуемое оборудования. Лучше всего чтобы полностью комплекс требуемых работ производила одна фирма, которая в этом случае несет всю ответственность за установленную отопительную систему.
3. Желательно выбирать теплонасос от европейского производителя. Отличие по стоимости при выборе российских или китайских устройств незначительное. Во время разработки сметы стоимости работ по установке, запуску и наладке всей отопительной системы разница в цене почти незаметна. Но европейское оборудование надежней в эксплуатации, так как завышенная стоимость насосного оборудования — это только результат использования качественных материалов и современных технологий.

Как работает земляной тепловой насос и сколько стоит?

Принцип действия обычно основан на смеси воды и антифриза, которая закачивается в область земляного массива.

Благодаря этой смеси поглощается солнечная энергия, запасённая в массиве земле. Тепло извлекается посредством использования технологий сжатия и расширения  и в качестве энергетического потенциала может применяться для отопления частного дома.

Объёмная доля собранного теплового ресурса напрямую зависит от производительности (количества труб, длины и глубины вырытых траншей), а также от характеристик почвы.

Практика показывает, что глинистая почва способна удерживать больше тепла, чем песчаная. Перед проектированием и сооружением земляного теплового насоса, как правило, выполняется тщательное изучение состояния грунта.

Согласно некоторым оценкам специалистов по энергосбережению, стоимость установки типовой системы земляного теплового насоса в частном доме на три-четыре спальни, составит около 800 000 рублей.

Между тем общепринятая «бюджетная» величина составляет примерно 1 млн. руб. за 1 кВт мощности. Для частного дома площадью 400 м² на четыре спальни, построенного в соответствии стандартам строительных норм, потребуется тепловой насос мощностью не менее 8 кВт.

Непосредственно тепловой насос оценивается в 500–600 тыс. руб. Общий баланс земляной системы включает ещё стоимость сооружения в целом. Сумма под инсталляцию нередко значительно варьируется в зависимости от условий местности.

При помощи информации: Wikipedia ; Homebuilding

Монтаж своими руками

Если владелец дома хорошо разбирается в принципе работы и схеме оборудования, можно собрать насос самостоятельно. Предварительно требуется провести расчеты, для этого воспользуйтесь готовым ПО для оптимизации охладительных систем.

Тепловой насос Просто и недорого 1

Watch this video on YouTube

Видео монтажа

Меньше всего сложностей предполагает произведенный своими руками монтаж системы отопления дома «воздух — вода». Она будет состоять из двух каналов (для подачи воздушного потока и для отвода отработанного), вентилятора и компрессора. Компрессор не обязательно приобретать новый, допускается воспользоваться рабочим устройством с холодильника или другого оборудования. Рекомендуется использовать спиральный компрессор.

Этапы работы:

1. Сделать из медной трубы змеевик. Трубу, по которой будет поступать холодильный агент, разместить сверху.
2. Вмонтировать змеевик в разделенную напополам пластиковую емкость. Она будет выполнять роль испарителя.
3. Подключить терморегулирующий клапан и заизолировать его.
4. Собрать все элементы в блок и проверить его работоспособность.

Важно отметить, что данная процедура является достаточно сложной для обычного человека. Непрофессионал не сможет правильно собрать все детали и подключить терморегулирующий клапан

Лучше доверить выполнение работ мастерам, т.к. ошибки в процедуре станут причиной неправильного функционирования оборудования либо неэффективного потребления электричества.

Таким образом, тепловой насос – эффективный способ отопления частного дома. На сегодняшний день в России и странах СНГ использование данного оборудования не сильно распространено, однако в Европе и США такие установки активно применяются для отопления.

Выбирать подходящий тепловой насос рекомендуется на основании не только стоимости монтажных работ и эксплуатации, но и региона использования, условий строительства, площади участка и других факторов.

Основные виды

Тепловая энергия, которая расходуется на отопление загородного дома и для подачи горячего водоснабжения, это результат преобразования энергии из внешней среды при помощи термонасоса. Помпа концентрирует эту низкотемпературную энергию и переносит ее по отопительной системе.

Чаще всего бытовые насосы используют тепло солнечного освещения или тепло поверхности Земли, которое скапливается в верхних частях земной коры или подземных водах на протяжении года. То есть по конструкции все теплонасосы можно разделить на воздушные, водяные и грунтовые.

Грунтовые помпы

Этот вид насосного оборудования получает тепло от грунта. Температура земли на глубине более 3 м почти не подвергается сезонным перепадам. По замкнутому контуру труб, устроенным в грунте, циркулирует этанол или антифриз. Трубопровод теплообменника можно прокладывать в грунте горизонтальным или вертикальным способом.

Трубы при горизонтальной системе нужно установить в землю ниже промерзания грунта (чаще всего это 1,6−2,1 м). Теплообменник этого типа занимает значительную площадь. Так, для отопления дома в 100 м² требуется примерно 10−20 м² земли.

На участке, который занят коллектором, можно высаживать только те растения, у которых корневая система не уходит в грунт очень глубоко, также запрещается сооружать какие-то капитальные постройки.

При устройстве вертикального теплообменника трубы устанавливают перпендикулярно уровню земли и погружают в грунт примерно на 150−220 м. Число монтируемых зондов будет зависеть от мощности обогревательной системы. То есть для отопления дома 100 м² потребуется 2 зонда длиной примерно 90 м, находящихся друг от друга с интервалом 4−6 м.

Водяное оборудование

Этот вид помп «забирает» энергию у подземных вод. Такой тепловий насос характеризуется высокой эффективностью и хорошей стабильностью. Это обусловлено отличной теплоотдачей внутри системы и постоянным термальным режимом подземных вод.

Естественно, требуется чтобы на территории участка находился в большом количестве этот водоносный слой (желательно не глубже 35−45 м). Также условием установки водяного оборудования является минимальное содержание в подземных водах железа и солевых примесей.

Наличие условий является основной причиной того, что такие теплонасосы, невзирая на их привлекательность, монтируются редко (примерно 6−7% от общего количества).

Воздушные агрегаты

В плане простоты установки воздушный тепловой насос для отопления дома имеет значительное преимущество, в отличие от своих аналогов. Для использования воздуха в качестве источника теплой энергии не потребуется бурить скважины либо выполнять иные масштабные земельные работы. То есть воздушная помпа в установке обходится намного дешевле, чем другие два вида насосов.

Невзирая на это огромное преимущество у воздушного оборудования существует один серьезный недостаток. Эта помпа может эффективно работать только при температуре воздуха выше -17C. Снижение температуры ниже установленной границы, что зимой часто случается во многих регионах, приводит к значительному уменьшению коэффициента эффективности этого оборудования.

Принцип работы

Здесь все довольно просто.

Любая среда, которая находится вокруг нас, обладает определенным количеством тепловой энергии. С одним только условием, если ее температура больше одного градуса по Цельсию.

Только ленивый может не воспользоваться тем, что нам предоставляет природа и не использовать, какую-то часть этой биоэнергии для отопления своего жилища.

Сделать это можно, посредством теплового насоса.

Его работа основывается на следующем принципе:

тепло от источника с незначительным резервом передается к теплоносителю, у которого температура намного выше.

Как это выглядит на практике?

1. Теплоноситель следует подать компрессором в трубопровод, месторасположение которого, может быть внутри грунта, и там прогреться еще на 1-2 градуса.
2. Потом теплоноситель оказывается в испарителе, и там тепловая энергия переходит на внутренний контур.
3. В наружном контуре находится вещество с минимальным показателем давления и с невысокой температурой кипения.
   Оно прогревается в теплообменнике и переходит в газообразное состояние.
4. Затем, охлаждающее вещество, в виде газа попадает в нагнетатель.
   Там под влиянием высокого давления он, максимально, сжимается, и его температура становится еще выше.
5. В конденсатор проникает газ высокой температуры, там он передает свою энергию теплоносителю системы отопления, которая находится внутри дома.
6. Хладагент, утративший все тепло, уже в жидком состоянии возвращается в систему.

На аналогичной концепции основывается работа холодильных установок.

Поэтому, допускается использование некоторых модификаций оборудования для охлаждения помещений в жаркое время года.

Насос из холодильника

Тепловой насос из холодильника

Основной частью системы является компрессор. Его лучше купить готовым в магазине или использовать имеющийся от холодильника или кондиционера. Все остальные компоненты – испаритель, конденсатор, трубопровод – под силу собрать самому. Энергию такой аппарат будет потреблять только на сжатие и перенос тепла, вырабатывая при этом в 5 раз больше.

Некоторые умельцы пошли дальше и сделали тепловой насос из холодильника, поместив внутри него радиаторы, подогреваемые теплом земли. Внутри постоянно поддерживается плюсовая температура, которая заставляет холодильник постоянно работать, нагревая радиатор, находящимся сзади него. Используя родной радиатор, делают из него теплообменник (или изготавливают самодельный), отбирают выделяемое им тепло.

Эффективность работы такого теплового насоса подходит больше для демонстрации работы устройства, так как его КПД очень низкое. Кроме того, холодильник не рассчитан на такой режим работы и может быстро выйти из строя.

Обвязка

Есть два типа систем отопления — с принудительной и естественной циркуляцией. Системы с принудительной циркуляцией работать без насоса не могут, с естественной — работают, но в таком режиме имеют более низкую теплоотдачу. Тем не менее, меньшее количество тепла, это все-таки намного лучше, чем его полное отсутствие, потому в местностях, где электричество отключают часто, проектируют систему как гидравлическую (с естественной циркуляцией), а затем в нее врезают насос. Это дает высокую эффективность и надежность отопления. Понятное дело, что установка циркуляционного насоса в этих системах имеет отличия.

Все системы отопления с теплым полом принудительные — без насоса через такие большие контура теплоноситель не пройдет

Принудительная циркуляция

Так как система отопления с принудительной циркуляцией без насоса неработоспособна, его устанавливают прямо в разрыв подающей или обратной трубы (по вашему выбору).

Большинство проблем с циркуляционным насосом возникают из-за наличия в теплоносителе механических примесей (песка, других абразивных частиц). Они способны заклинить крыльчатку и остановить мотор. Потому перед агрегатом обязательно ставят сетчатый фильтр-грязевик.

Установка циркуляционного насоса в систему с принудительной циркуляцией

Также желательно с двух сторон установка шаровых кранов. Они дадут возможность заменить или отремонтировать устройство без слива теплоносителя из системы. Перекрываете краны, снимаете агрегат. Сливается только та часть воды, которая была непосредственно в этом куске системы.

Естественная циркуляция

Обвязка циркуляционного насоса в гравитационных системах имеет одно существенное отличие — необходим байпас. Это перемычка, которая делает систему работоспособной при неработающем насосе. На байпасе ставят один шаровый отсечной кран, который закрыт, все время, пока работает перекачка. В таком режиме система работает как принудительная.

Схема установки циркуляционного насоса в системе с естественной циркуляцией

Когда пропадает электричество или агрегат выходит из строя, кран на перемычке открывают, кран, ведущий на насос, перекрывают, система работает как гравитационная.

Особенности монтажа

Есть один важный момент, без которого установка циркуляционного насоса будет требовать переделки: требуется разворачивать ротор так, чтобы он был направлен горизонтально. Второй момент — направление потока. На корпусе есть стрелка, указывающая в какую сторону должен течь теплоноситель. Вот так и разворачивайте агрегат, чтобы направление движения теплоносителя было «по стрелке».

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 -40oC). Технология, несомненно, очень интересная и перспективная, но пока доступна немногим.

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