Зміст:
- Пристрій і принцип роботи
- Тепловий насос повітря-повітря
- Тепловий насос вода-вода
- Як зібрати тепловий насос в домашніх умовах?
- Тепловий насос з кондиціонера
- Висновок
Сьогодні мало хто сумнівається в тому, що тепловий насос для опалення будинку – найефективніший засіб з усіх існуючих. Воно ж — найдорожче і складний у виконанні. З цієї причини багато домашні умільці взялися за самостійне рішення даної проблеми. Але через її високої складності досягнення позитивних результатів дається дуже непросто, треба мати ентузіазм, терпіння і до того ж добре вивчити теорію. Наша стаття для тих, хто робить перший крок на шляху до впровадження у себе вдома такого альтернативного джерела енергії, як тепловий насос, зроблений своїми руками.
Пристрій і принцип роботи
Для складання діючої моделі теплового насоса не обійтися без знання теорії, а точніше, принципу дії цього пристрою. Хотілося б спочатку зазначити, що твердження про ККД 300, 500 і 1000% — це міф чи просто маркетинговий хід, розрахований на незнання рядовим користувачем законів фізики. Так от, тепловий насос – це пристрій, що бере теплову енергію в одному місці і переміщує її в іншу з певним ККД, що не перевищують 100%. На відміну від котельних установок, він самостійно тепло не виробляє.
Прикладом можуть служити домашні холодильники і кондиціонери, чия конструкція заснована на так званому циклі Карно, його ж використовує принцип роботи теплового насоса для опалення чи ГВП. Суть цього циклу полягає в русі речовини (робочого тіла) по замкнутій системі і змінює свій агрегатний стан з рідкого на газоподібний і навпаки. У момент переходу виділяється або поглинається величезна кількість енергії.
Щоб пояснити на більш доступною мовою, перерахуємо основні елементи, які включає в себе пристрій теплового насоса:
- компресор;
- теплообмінник, де робоче тіло переходить в газоподібний стан (випарник);
- теплообмінник, в якому робоче тіло конденсується (конденсатор);
- розширювальний (редукційний) клапан;
- засоби управління і автоматики;
- магістралі з мідних трубок.
В якості робочого тіла виступає речовина, закипаюче при низьких температурах – фреон. Циркулюючи по трубці у вигляді рідини, першим ділом він потрапляє у випарник. Після взаємодії з теплоносієм від зовнішнього джерела (повітря, вода, грунт) робоче тіло випаровується і продовжує свій рух у вигляді газу. На цій ділянці тиск в системі — низька. Весь ланцюжок циклу відображає принципова схема теплового насоса:
Пройшовши компресор, фреон під тиском рухається до другого теплообмінника, де йому належить сконденсуватися і передати отримане тепло воді, знову взявши рідкий стан. Далі, робоче тіло потрапляє в розширювальний клапан, тиск знову падає і воно продовжує свій шлях до випаровування. Цикл завершено.
Заводські теплонасоси для житлового будинку здатні видавати теплоносій з температурою 55-60 ?С, цього достатньо для обігріву приміщень радіаторами або теплими підлогами. При цьому вся система опалення витрачає електроенергію на такі цілі:
- живлення компресора;
- обертання роторів циркуляційних насосів зовнішнього і внутрішнього контуру;
- харчування засобів автоматики і контролю.
Виходить, що при споживанні 1 кВт електрики дію теплового насоса може перемістити в будинок до 5 кВт теплової енергії ззовні, звідси і небилиці про ККД 500%.
Тепловий насос повітря-повітря
Теоретично будь-яке середовище, що має температуру вище абсолютного нуля (мінус 273 ° С), володіє запасом теплової енергії. А значить, її можна отримати, тим більше це неважко зробити при температурі навколишнього повітря мінус 10-30 ?С.
Для цієї мети служить тепловий насос повітря-повітря, забирає тепло з зовнішнього навколишнього середовища і переміщає його всередину приватного будинку. Це найдоступніший спосіб за ціною обладнання і вартості монтажу, він же – найменш ефективний. Чим міцніше мороз на вулиці, тим менше тепла вдається отримати. Принцип дії системи показаний на рисунку:
Зовнішній блок повітряного теплового насоса зовні схожий на такий же агрегат спліт-системи, тільки всередині у нього немає компресора. Залишається лише пластинчастий теплообмінник і вентилятор, чиїм завданням є підвищити інтенсивність процесу шляхом нагнітання через пластини великої кількості повітря.
Тепловий насос вода-вода
Більш ефективним варіантом вважається тепловий насос вода-вода. Він отримує теплову енергію з найближчої водойми, якщо такий є на відстані до 100 м від будинку. Інший, більш поширений спосіб – відбір тепла у ґрунтових вод через свердловину. По суті, свердловин потрібно 2: одна для викачування води, інша – для її скидання. Нижче представлені схеми теплових насосів, що діють за таким принципом:
Тут є свої нюанси. Вода зі свердловини повинна проходити очищення перед попаданням теплообмінник, а труби треба прокладати нижче глибини промерзання грунту. Інша справа – контур на дні водойми, він заповнюється незамерзаючої рідиною (пропіленгліколем), що служить посередником між водою і холодоагентом.
Важливо. Здатність забезпечити приватний будинок тепловою енергією в цьому випадку залежить від продуктивності свердловини і обсягу води в ставку. Також існують варіанти занурення зовнішнього контуру в проточну воду річки або каналізаційний септик.
Також існують геотермальні теплові насоси, чий принцип роботи не відрізняється від попередніх типів апаратів, тільки тепло витягується з грунту на глибині, де завжди однакова температура – плюс 7 ?С. Для цього в землю закопується горизонтальний контур з труб, що займає велику площу, або в свердловини глибиною 25 м опускаються геотермальні зонди. В обох випадках в якості теплоносія використовується антифриз.
Вважається, що робота теплового насоса, видобувного тепло ґрунту, — найбільш стабільна і ефективна. Але купівля і монтаж такого устаткування дуже дороги, а домашні майстри-умільці рідко вдаються до цього варіанту.
Як зібрати тепловий насос в домашніх умовах?
Оскільки термодинамічний розрахунок теплового насоса становить для більшості домашніх майстрів — самодельщиков чималу складність, приводити його тут ми не будемо. Наше завдання – представити кілька діючих моделей, щоб будь-ентузіаст міг взяти яку-небудь з них за основу для створення власного дітища.
Необхідно відзначити, що тепловий насос, придуманий і зібраний своїми руками, для переважної більшості пересічних користувачів залишиться недосяжною мрією, якщо не докласти до його виготовлення масу зусиль і часу.
Найпростіший тепловий насос з старого холодильника був описаний у статті журналу «Інженер» за 2006 р. Він позиціонується, як нагрівач повітря – повітря для невеликого приміщення або теплиці. До речі, який би не був потужний побутової холодильник, на обігрів навіть невеликого будинку його не вистачить, а от на 1 кімнатку – цілком. Рішення реалізується 2 способами, причому внутрішня автоматика відключення демонтується і всі агрегати з’єднуються безпосередньо для безперервної роботи. У першому випадку старий холодильник знаходиться в приміщенні, конструкція насоса показана на схемі:
Зовні до нього прокладається 2 воздуховода і врізається в передню дверку. Повітря з верхнього каналу потрапляє в морозилку, охолоджується і опускається до нижньої повітропроводу через збільшення щільності. Потім він покидає корпус холодильника, витісняється верхнім потоком. Приміщення прогрівається від теплообмінника, розташованого на задній стінці агрегату. За другим способом зробити своїми руками тепловий насос так само просто, треба лише холодильник вмонтувати у зовнішню стіну, як зображено на схемі:
Саморобний обігрівач з холодильника може функціонувати до зовнішньої температури мінус 5 ° С, не нижче.
Тепловий насос з кондиціонера
Сучасні спліт-системи, особливо інверторного типу, успішно виконують функції того ж теплового насоса повітря – повітря. Їх проблема в тому, що ефективність роботи падає разом із зовнішньою температурою, не рятує навіть так званий зимовий комплект.
Домашні умільці підійшли до питання інакше: зібрали саморобний тепловий насос з кондиціонера, відбирає теплоту проточної води з свердловини. По суті, від кондиціонера тут використовується тільки компресор, іноді – внутрішній блок, який грає роль фанкойла.
За великим рахунком, компресор можна придбати окремо. До нього потрібно зробити теплообмінник для нагрівання води (конденсатор). Мідна трубка з товщиною стінки 1-1.2 мм довжиною 35 м намотується для додання форми змійовика на трубу діаметром 350-400 мм або балон. Після чого витки фіксуються перфорованим куточком, а потім вся конструкція поміщаються в сталеву ємність з патрубками для води.
Компресор з спліт-системи приєднується до нижнього введення в конденсатор, а до верхнього підключається регулюючий клапан. Таким же чином виготовляється випарник, для нього згодиться звичайна пластикова бочка. До речі, замість саморобних ємнісних теплообмінників можна використовувати заводські пластинчасті, але це обійдеться недешево.
Сама по собі складання насоса не надто складна, але тут важливо вміти правильно і якісно пропоювати з’єднання мідних трубок. Також для заправки системи фреоном потрібні послуги майстра, не станете ж ви спеціально купувати додаткове обладнання. Далі – етап налагодження і пуску теплового насоса, який далеко не завжди проходить вдало. Можливо, доведеться чимало попрацювати, щоб досягти результату.
Висновок
Звичайно, опалення тепловим насосом – мрія багатьох домовласників. На жаль, вартість установок занадто висока, а впоратися з власноручним виготовленням можуть одиниці. І то часто потужності вистачає лише на ГВП, про опалення мова не йде. Якби все було так просто, то у нас в кожному будинку стояв саморобний тепловий насос, а поки що він залишається недоступним широкому колу користувачів.