Работа теплового насоса для отопления дома. Принцип работы, выгодно ли, как сделать своими руками

Для отопления частных домов доступен широкий выбор отопительных систем, которые способны преобразовывать один вид энергии в другой. Однако при этом они весьма затратны, имеют сложную конструкцию, нуждающуюся в частом обслуживании и дорогостоящем ремонте. Оптимальным выходом в такой ситуации станет тепловой насос.

Тепловой насос

Прежде чем приступить к детальному рассмотрению устройства, необходимо расшифровать само понятие “тепловой насос”, поскольку далеко не все люди знают, что это такое. 

Что собой представляет

Итак, тепловой насос представляет собой специальное оборудование, которое работает по прямому или обратному циклу термодинамической машины. Основной его задачей является перенос тепла из одной среды в другую при помощи термодинамически расширяющегося газа или жидкости с определёнными свойствами.

Если буквально: тепловой насос – комплекс оборудования, позволяющий передавать тепло от нагретого тела к холодному. Конструктивно состоит из двух основных блоков: внутреннего – для установки внутри помещений и наружного.

Внутренний блок выполнен в виде металлического шкафа, в котором располагаются: компрессор, дроссели, расширительный бак. От внутреннего блока идёт разводка труб на систему отопления или кондиционирования.

Обратите внимание! Конструкция наружного блока зависит от типа теплового насоса. Например, в насосе типа «воздух-воздух» он представляет собой блок кондиционера, внутри которого располагается теплообменник с вентилятором. По трубным коммуникациям транспортируется теплоноситель.

Тепловые насосы, изготавливаемые крупными заводами, оснащаются управляющей автоматикой. Она информирует пользователя о текущем состоянии, критических параметрах насоса, а также позволяет управлять режимами работы.

Технические характеристики

Тепловой насос любой конструкции обладает следующими основными параметрами:

• КПД в режиме нагрева (СОР);
• коэффициент энергоэффективности в режиме охлаждения (EER).

Коэффициент СОР показывает уровень энергозатрат на нагрев помещений внутри зданий. То есть, сколько киловатт тепловой энергии будет получено при затратах 1 кВт электричества. Диапазон СОР может быть 3-5, а EER – 5-7.

Не менее важными являются и другие технические характеристики:

1. диапазон рабочих температур для работы насоса в стабильном режиме;
2. максимально допустимая длина труб, по которым будет протекать хладагент или теплоноситель;
3. мощность и тип компрессора, одно- или трёхфазное питание;
4. внутренняя площадь медного теплообменника;
5. перепад высот между источником и потребителем, для функционирования насоса в заданных режимах;
6. тип используемых теплоизоляционных материалов;
7. уровень шумов компонентов установки в разных режимах работы.

Таблица 1. Параметры тепловых насосов мощностью 4,5 кВт и 9 кВт.

 Принцип работы теплового насоса

Принцип работы основан на теплопередаче от нагретой среды в холодную посредством хладагента, циркулирующего по замкнутому контуру. Для работы насоса достаточно, чтобы разница температур составляла минимум 1°С.

В качестве источника тепла или холода могут выступать массивные тела со стабильной температурой в течение достаточно длительного времени, независимо от условий окружающей среды. Это может быть грунт, вода, камни или воздух. То есть, чтобы охладить или нагреть помещение, достаточно транспортировать теплообменную среду по замкнутому контуру между источником и потребителем, а также изменять её температуру путём термодинамического сжатия или расширения. 

Установили тепловой насос «воздух-воздух» еще в 2015 году. Достаточно включить его и до конца отопительного сезона будет комфортная температура внутри комнат. Даже при отключении электричества не требует к себе внимания, поскольку тепловой насос сам запускается и работает в стационарном режиме. За 5 лет эксплуатации ни одной поломки. Расходы за потребление электроэнергии даже в самый холодный месяц не превышали 6 тыс. руб. и это при том, что у меня нет газа, для готовки пищи использую электроплитку. Насос прост в эксплуатации и неприхотлив в обслуживании.

Arkona14, Москва, Россия.

 Тепловой насос работает так:

1. При включении насоса теплоноситель начинает двигаться по замкнутому контуру системы.
2. В ходе циркуляции теплоноситель от среды-источника при прохождении через теплообменник нагревается.
3. Нагретый теплоноситель начинает нагревать хладагент при попадании во внутренний циркуляционный контур.
4. Хладагент начинает испаряться внутри испарителя, то есть переходит из жидкого в газообразное состояние.
5. Испаренный хладагент по коммуникациям попадает в компрессор, сжимается и начинает нагреваться (эффект Джоуля-Томсона).
6. После сжатия нагретый хладагент попадает в конденсатор, внутри которого происходит обмен теплом с контуром системы отопления дома. Там он теряет свою температуру, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние.
7. Жидкий хладагент по трубам при прохождении через редукционный клапан теряет высокое давление и снова поступает в испаритель.

Как сделать тепловой насос своими руками

Для того чтобы самостоятельно сделать тепловой насос, необходимо определиться с его типом: источником для забора тепловой энергии, а также способом отопления дома. Выбор проводится с учётом наличия максимальной разницы между требуемой температурой и источником. При этом важно, чтобы температура источника была постоянной в течение нескольких дней или недель, в зависимости от требований к климату внутри помещений.

На следующем этапе нужно самостоятельно спроектировать тепловой насос на основании собственных расчётов или подобрать наиболее подходящий по параметрам готовый проект.

Важно! Сборка системы из имеющегося под рукой оборудования не всегда приносит ожидаемый результат, если не были проведены тепловые расчёты.

Подготовленный проект надо согласовать с соответствующими органами местного управления. Только после получения разрешительной документации можно приступать к подготовительным работам.

Как выглядит самодельный тепловой насос

Самодельный насос может иметь открытую или закрытую конструкции. Открытая – предполагает монтаж всех основных узлов и агрегатов на устойчивую монтажную панель или стену с обеспечением полного доступа к каждому из них. Закрытая конструкция создаётся внутри любого корпуса с подходящими размерами. Это может быть готовый металлический шкаф от распределительных щитов или самодельный.

Внутри корпуса находятся следующие элементы:

1. компрессор;
2. расширительный бак из нержавейки;
3. пластиковый бак для испарителя;
4. электрооборудование и защитные элементы;
5. манометры и амперметры, предназначенные для контроля режима работы теплового насоса;
6. соединительные трубки из меди для соединения узлов в единый контур.

Как смонтировать тепловой насос

Монтаж теплового насоса выполняется в такой последовательности:

• В соответствии с расчётами и составленным проектом составляется смета для закупки оборудования.
• Приобретается компрессор с требуемыми характеристиками. Подходят модели от кондиционеров или холодильных камер.

• Из медной трубки изготавливается змеевик с сечением ¼ дюйма.

• Создаётся корпус для конденсатора. Для этих целей подойдёт любой металлический бак, желательно из нержавеющей стали, объёмом 100 л.

• Змеевик вставляется в одну из половинок бака с выводом трубок наружу, привариваются два вывода для подключения внешнего источника тепла или холода, затем бак заваривается.

• Для создания испарителя потребуется пластиковая ёмкость объёмом 80 л. Для него нужно сделать змеевик из трубы на ¾ дюйма, а затем вставить внутри пластиковой бочки и зафиксировать. В нижней и верхней частях потребуется создать 2 ввода для подключения теплового аккумулятора или системы отопления.
• Подготавливается место для монтажа теплового насоса. На стену крепят антивибрационный слой из резины или каучука для поглощения вибраций от компрессора. Затем прокладывают слой шумоизоляции. Поверх слоёв устанавливают кронштейны для фиксации оборудования. Для установки компрессора на пол нужно сделать аналогичную подушку.

• Устанавливается компрессор на подготовленную поверхность. К стене фиксируется на металлический или пластиковый хомут.
• С двух сторон от компрессора устанавливается испаритель и конденсатор.
• К змеевику конденсатора подключается выход компрессора и дроссельный клапан, который необходимо приобрести в магазине теплового оборудования. К патрубкам основной ёмкости подключают тепловой аккумулятор
• К змеевику испарителя подсоединяют вход компрессора и вывод от дроссельного клапана. Ёмкость испарителя подключают к коммуникациям от наружного источника тепла.

• К компрессору подводят электропроводку в гофре, на питание устанавливают автоматические выключатели, которые располагают в распределительной коробке. Автоматический выключатель будет служить тумблером для включения и отключения теплового насоса.

• Проверяют контур на наличие течей, а затем заправляют систему фреоном через технологический клапан компрессора.

Важно! Для контроля давления на контурах с конденсатором и испарителем нужно установить манометры. Они позволят контролировать режимы работы и своевременно избегать поломок. 

Советы профессионалов

Для повышения эффективности работы теплового насоса необходимо проводить тепловые расчёты системы:

1. определить мощность компрессора, достаточной для работы установки в требуемом режиме;
2. подобрать хладагент для достижения заданного диапазона температур;
3. рассчитать потери на транспортировку теплоносителя по трубам;
4. вычислить расходы электроэнергии и КПД, чтобы понять, будет ли насос энергоэффективным, при необходимости внести правки.
5. рассчитать характеристики теплообменников.

Без привлечения профессионалов, способных провести тепловые расчёты, надеяться получить производительность нагрева выше 3 кВт в час не приходится, поскольку все компоненты должны быть сбалансированными.

Для повышения эффективности работы теплового насоса на 10-15% рекомендуется использовать регенеративный теплообменник. Он представляет собой трубку диаметром ¾ дюйма и длиной 1,5 м, внутрь которой помещён змеевик с сечением 10 мм.

Как не допустить ошибок

Перед установкой теплового насоса необходимо убедиться в надёжности электросети. Компрессоры не могут стабильно работать в условиях перепадов напряжений, также должен быть запас по мощности электропроводки для обеспечения необходимого уровня безопасности. Рекомендуется использовать трёхфазную сеть для мощных компрессоров.

Все трубные коммуникации надлежит монтировать примерно на одном уровне, чтобы снизить гидростатическое давление и энергозатраты на транспортировку хладагента. В целях снижения теплопотерь трубы следует теплоизолировать.

После выполнения монтажных работ важно убедиться в отсутствии протечек в коммуникациях, так как при попадании воздуха в трубы с хладагентом начинает  теряться эффективность теплопередачи.

Если запуск компрессора с первого раза не получился, то нужно подождать 5 минут перед следующим. Каждый последующий запуск должен выполняться на 5 минут дольше предыдущего. Количество повторных запусков не должно превышать 5, так как в противном случае он может выйти из строя. Нужно найти причину отсутствия старта и устранить неполадки.

При работе важно защитить компрессор от попадания внутрь фреона с температурой выше допустимой, чтобы он не вышел из строя. Данные о рабочих режимах оборудования берут в прилагаемой технической документации или на официальном сайте производителя.

Для контроля давления в системе устанавливают манометры. Это позволяет предотвратить протечки хладагента, а также поломку компрессора.

Подключать тепловой насос к готовой системе отопления не рекомендуется, так как она не выдаст требуемых температур внутри помещения. Поэтому нужно заменить отопительную систему или модернизировать, разделив на несколько небольших контуров.

Выгодно ли делать тепловой насос

Тепловой насос заводского производства от самодельного отличается рядом параметров:

• технические характеристики рассчитаны профессионалами;
• предоставляется гарантия завода-изготовителя или реализатора (продавца);
• подобрано сбалансированное по мощности и техническим характеристикам оборудование;
• удобный способ управления и контроля состояния системы;
• прилагается подробная инструкция по установке с учётом всех практических нюансов, а также правила техники безопасности;
• высокая стоимость.

Таким образом, люди, решившие лично изготовить и установить тепловой насос, должны чётко понимать, как произвести нужные расчёты, спроектировать систему, собрать её и ввести в эксплуатацию. Только при выполнении этих условий можно говорить о выгодности самостоятельной сборки оборудования.

В то же время, сборка теплового насоса своими руками позволяет получить ряд преимуществ:

1. знание всей конструкции системы помогает правильно осуществлять её обслуживание и ремонт;
2. компоненты оборудования можно подобрать под любой бюджет;
3. возможность дальнейшей модернизации устройства;
4. индивидуальную конфигурацию возможно адаптировать под любые условия эксплуатации.

Иными словами, самостоятельная сборка теплового насоса значительно выгоднее, чем приобретение готовых моделей от брендовых производителей.

Как соблюсти правила безопасности

При установке теплового насоса следует соблюдать следующие правила безопасности:

• тепловой насос должен быть смонтирован в отдельном помещении, подсобке или подвале из-за вибраций и шумов, а также возможной протечки хладагента;
• систему следует перед заправкой хладагентом обязательно проверить на протечки;
• на важные узлы следует устанавливать датчики давления, чтобы контролировать правильность режимов работы;
• хладагенту надлежит быть совместимым по характеристикам с установленным оборудованием (компрессором) и коммуникациями (некоторые материалы при контакте с хладагентом способны терять свои свойства и вызывать протечки);
• при использовании воды в качестве теплоносителя в регионах с температурой окружающей среды ниже -40°С, надо добавлять незамерзающие вещества;
• перед вводом оборудования в эксплуатацию необходимо убедиться в его работоспособности во всех режимах. Если обнаружены неполадки, то их следует обязательно устранить.

Нужно ли согласовывать с кем-либо установку самостоятельно изготовленного теплового насоса

Несмотря на то, что конкретной правовой документации по необходимости согласования установки тепловых насосов нет, надо руководствоваться следующими критериями. Согласование установки теплового насоса не требуется, если речь идёт о системе «воздух-воздух», а также «вода-воздух», при условии заглубления тепловых коллекторов только до уровня грунтовых вод.

Важно! Согласно СП 60.13330.2016, запрещено самостоятельно подключать тепловые насосы собственной конструкции или покупные к системам центрального отопления.

Установка коллекторов в водные ресурсы общего пользования (речки, водопады) или под землю с выполнением рытья котлованов, бурения шурфов, даже на собственном участке, требует согласования с соответствующими органами управления. Монтаж выполнять до получения разрешительной документации строго запрещён. По всем вопросам рекомендуется обратиться в органы местного управления и получить точный ответ.

Есть ли разница между покупным и самодельным насосом

Покупной насос от самодельного отличается рядом особенностей:

• в комплекте идёт всё необходимое оборудование и комплектующие, которые позволяют существенно ускорить монтаж;
• вся система точно рассчитана специалистами, поэтому при установке теплового насоса результат заранее предсказуем и гарантирован;
• есть официальная гарантия и бесплатные сервисные обслуживания;
• оборудование сертифицировано, поэтому с получением разрешительной документации проблем не возникнет;
• в комплекте есть подробная инструкция по настройке, эксплуатации, простым ремонтам;
• удобная система контроля и управления, позволяющая даже неопытным пользователям выполнять необходимые настройки.

Проще говоря, покупной тепловой насос по функциональности будет лучше самодельного, его легче установить, не потребуется длительная настройка, но и обойдётся он дороже. То есть, с ним будет минимум проблем в работе, а значит, он полностью оправдает вложенные в него средства. Теоретически и самодельный сможет приблизиться к покупному, но для этого нужно иметь внушительный опыт проектирования тепловых систем и иметь навыки сборки.