Постоянно растущая стоимость энергоносителей заставляет владельцев частных домов искать новые способы экономии на отоплении. Другой причиной является то, что энергоисточники обычно расположены вне зоны доступа, а подключиться к ним физически невозможно. Вашему вниманию предлагается статья о том, как создаются тепловые насосы своими руками

Подобная технология появилась в стране относительно недавно, но популярность геотермального отопления (то есть, использования энергии земли) ввиду своей энергоэффективно сти растет достаточно быстро.

Состоит из нескольких элементов:

Сам насос по принципу работы напоминает холодильник, вот только тепловая энергия передается не в окружающее пространство, а в отопительную магистраль. Это происходит так:

• антифриз подается в коллектор, получает определенную порцию тепла и передает ее тепловому насосу;
• в испарителе хладагент поглощает это тепло, закипает и образует пар;
• в компрессоре пар сжимается и, следовательно, повышает температуру/давл ение;
• посредством конденсатора тепловая энергия поступает в домашнюю отопительную магистраль;
• цикл повторяется.

Важно! Как видим, тепловой насос не генерирует энергию, а лишь накапливает ее. Для получения 1 кВт он «тратит» в среднем 220 Вт. Довольно неплохой результат.

Видео – Насосы тепловые

Интересный факт

Тепловой насос способен не только обогревать, но и охлаждать помещение. Охлаждение осуществляется одним из двух способов.

Способ 1. Ввиду того что летом в недрах земли температура ниже, чем в здании, дом можно охлаждать естественным путем или, проще говоря, напрямую.

Способ 2. Второй способ есть не что иное, как кондиционировани е. Реверсивный тепловой насос позволяет регулировать движение хладагента. Тепло в доме передается этому хладагенту и выводится наружу.

Целесообразность и окупаемость

Сразу отметим, что покупка геотермального оборудования – удовольствие не из дешевых. Стоимость может колебаться в ту или иную сторону в зависимости от мощности, источника энергии или производителя, но, к примеру, тепловой насос средней мощности польского производства стоит порядка 337 000 рублей (без стоимости монтажа). Есть и более дорогие модели. При этом расчеты показывают, что эта сумма окупится максимум за 2 года, а если сделать устройство своими руками, то даже быстрее.

Технология изготовления теплового насоса

Обустройство геотермального отопления – процедура сложная, но за несколько недель ее можно выполнить. Для этого потребуется купить специальное оборудование и инструменты, но затраты на них все равно будут меньшими, чем 300 тысяч.

Этап 1. Выбор источника энергии

Об особенностях различных источников энергии речь пойдет в конце статьи. Главное, что нужно уяснить – все они должны находиться под землей. Потребуется бурение скважины или рытье траншеи на глубину, где перманентная температура в зимнее время не опускается ниже +5ᵒС. Есть и другие варианты (водоемы, к примеру), но принцип работы у каждого из них один.

Этап 2. Проведение расчетов

Требуемая мощность будет зависеть лишь от качества термоизоляции дома:

• для некачественно утепленного дома потребуется минимум 70 Вт/м²;
• для домов, отделанных современным утеплителем – 45 Вт/м²;
• для домов, которые утеплены с применением специальных технологий – всего 25 Вт/м².

При необходимости улучшается термоизоляция.

Этап 3. Необходимое оборудование

Все, что потребуется при создании теплового насоса , продается в специализированн ых магазинах. Сюда можно отнести:

• компрессор;
• терморегулирующи й клапан;
• конденсатор;
• испаритель.

Важно! Нежелательно использовать комплектующие от разных систем.

Помимо того, потребуется дополнительное оборудование, такое как:

• L-образные кронштейны;
• герметичный бак из «нержавейки»;
• болгарка;
• алюминиевые рейки;
• медные трубы разных диаметров, 3 шт.;
• пластиковый бак на 90 л;
• металлопластиков ые трубы.

Этап 4. Монтаж оборудования

Шаг 1. Компрессор должен быть бесшумным. Оптимальный вариант – использование компрессора от импортного кондиционера. Посредством L-образных кронштейнов длиной в 30 см он устанавливается на стене.

Шаг 2. Конденсатором послужит герметичный бак из «нержавейки» объемом минимум в 120 л. Бак разрезают на две части и помещают в него медный змеевик, в котором будет циркулировать антифриз. После этого резервуар сваривается обратно и в нем проделывается необходимое количество технических отверстий (обязательно резьбовых).

Шаг 3. В роли теплообменника выступает большая медная труба. Она наматывается на бак, а концы витков фиксируются рейками. Для вывода этих концов используются сантехнические переходы.

Шаг 4. Испаритель не будет подвергаться воздействию высоких температур, поэтому его можно сделать из обычной пластиковой бочки емкостью в 90-100 л. Испаритель также оборудуется медным змеевиком и крепится к стене L-образными кронштейнами. Для слива и подводки используются простые металлопластиков ые трубы.

Шаг 5. После сборки покупается терморегулирующи й клапан. Делать это раньше нежелательно, т. к. клапан должен быть совместимым с конструкцией.

Шаг 6. Для сварки готовых комплектующих и закачки фреона необходимо пригласить специалиста, ведь делать это самостоятельно минимум небезопасно. Кроме того, свежий опытный взгляд на самодельный насос может быть полезным.

Важно! Создавать такое оборудование без соответствующих навыков и знаний в области физики – дело рискованное. Если есть хоть малейшие сомнения в своей компетенции, то лучше отказаться от затеи. Поверхностного знакомства с конструкцией теплового насоса вряд ли хватит для собственноручног о изготовления устройства.

Этап 5. Сборка

После сборки остается подсоединить систему к заборному устройству. Особенности этой процедуры напрямую зависят от выбранной схемы геотермального отопления.

Такая схема может быть горизонтальной и вертикальной.

При вертикальном расположении коллектор представляет собой систему труб. Он помещается ниже уровня промерзания грунта – обычно это 1,5-2 м, но конкретная цифра зависит от климатических особенностей региона. Снимается верхний слой почвы, устанавливаются трубы, производится обратная засыпка.

Насосы горизонтального типа устанавливают в траншеях, при этом трубы размещают опять же ниже глубины промерзания.

Как можно судить из названия, насос получает тепло непосредственно из воздуха, поэтому земляные работы в данном случае не требуются. Необходимо лишь выбрать место для монтажа коллектора – на крыше здания или где-нибудь неподалеку – и подключить к отопительной магистрали.

При сборке коллектора используются ПНД-трубы, а саму процедуру монтажа проводят на суше. Затем коллектор наполняется жидкостью и помещается в ближайший водоем, при этом трубы должны размещаться в максимальной близости от центра.

Такой способ отопления позволяет существенно сэкономить на монтажных работах. Суть подобной схемы в следующем: мощность насоса определяется минимальным возможным температурным показателем, но подобный минимум стоит на улице недолго, следовательно, большую часть времени система использует свой потенциал лишь частично.

В таких случаях устанавливают тепловой насос меньшей мощности, чем того требуют климатические условия, но параллельно с ним подключают небольшой электрокотел. Выходит, что при сильных морозах можно дополнительно «подтапливать» дом. По карману это особо не ударит, зато позволит сэкономить на строительстве насоса.

Правила монтажа

Важно! Обрезку труб нужно проводить исключительно вальцовкой, ведь если в систему попадет даже мелкая стружка, то компрессор придет в непригодность через одну-две недели.

Иностранный опыт в геотермальном отоплении

Во многих развитых странах геотермальные тепловые насосы распространяются с рекордной скоростью – каждый год устанавливаются десятки и сотни тысяч приборов. Наибольшей популярностью такое отопление пользуется в Западной Европе, Китае и, конечно же, Америке.

В чем же причина невиданной популярности? Как ни странно, главная причина кроется отнюдь не в оригинальности технологии отопления как таковой, а в мощной поддержке государства – каждому человеку, установившему тепловой насос, возмещается определенная часть затрат.

Не так давно интерес к геотермальному отоплению появился и у жителей стран СНГ. Но информацию об оборудовании, равно как и о самой технологии в целом, изготовители доносят до потенциального клиента несколько искаженно. Возможно, потому, что ориентируются лишь на продажу новинки. Справедливости ради стоит заметить, что рост популярности, о котором говорилось в начале статьи, не настолько интенсивен, невзирая даже на тщательно продуманные ходы маркетологов.

Словом, тепловые насосы – действительно полезная вещь, пусть и малоизвестная. Несмотря на достаточно высокую стоимость (даже при собственноручном изготовлении), оборудование окупит себя максимум за два года.

Видео – Изготовление теплового насоса

Человечество с древнейших времен «привыкло» использовать доступные природные энергоносители, которые попросту сжигаются для получения тепла или для преобразования в иные виды энергии. Научились люди применять и скрытый потенциал водных потоков – начали от водяных мельниц и дошли до мощных гидроэлектростанций. Однако то, что казалось вполне достаточным еще сотню лет назад, сегодня уже никак не может удовлетворить потребности растущего населения Земли.

Во-первых, природные «кладовые » все же не бездонны, и добыча энергоносителей с каждым годом становится все сложнее, перебираясь в труднодоступные регионы или даже на морские шельфы. Во-вторых, сжигание природного сырья всегда сопряжено с выбросами продуктов сгорания в атмосферу, что при нынешних громадных объемах таких выбросов уже поставило планету на грань экологического бедствия. Энергии гидроэлектростанций недостаточно, да и нарушение гидрологического баланса рек также влечет массу негативных последствий. Ядерная энергетика, на которую некогда смотрели, как на «панацею», после целого ряда резонансных техногенных катастроф вызывает массу вопросов, а во многих регионах планеты строительство АЭС просто запрещено законодательно.

Однако, есть и другие, практически неиссякаемые источники энергии, которые стали широко использоваться сравнительно недавно. Современные технологии позволили весьма эффективно применять для получения электричества или тепла энергию ветра, солнечного света, океанских приливов и т.п . Одним из альтернативных источников является и тепловая энергия земных недр, водоемов , атмосферы. Именно на использовании таких источников основана работа тепловых насосов. Подобное оборудования для нас пока еще входит в разряд «экзотических новинок», а в то же время именно таким способом отапливают свое жилье очень многие жители Европы – например, в Швейцарии или странах Скандинавии количество домов с подобными системами перевалило за 50%. Постепенно начинает такой вид получения тепла практиковаться и на российских просторах, хотя цены на приобретения высокотехнологичного комплекта оборудования пока выглядят очень пугающими. Но, как всегда, находятся мастера-энтузиасты, которые проявляют свои творческие способности и собирают тепловые насосы своими руками.

Публикация нацелена на то, чтобы читатель смог поближе рассмотреть принцип действия и базовое устройство тепловых насосов, узнать о тих преимуществах и недостатках. Кроме того, будет рассказано об успешных опытах создания действующих установок своими силами.

Не все об этом задумывались, но вокруг нас – немало источников тепла, которые «работают» круглогодично и круглосуточно. Для примера – даже в самые сильные холода температура подо льдом замерзшего водоема все равно остается положительной. Та же картина и при углублении в толщу грунта – ниже границы его промерзания температура практически всегда стабильна и примерно равна среднегодовой, характерной для данного региона. Немалый тепловой потенциал несет в себе и воздух.

Возможно, кого-то смутят совсем, казалось бы, невысокие температуры воды, грунта или воздуха. Да, они относятся к низкопотенциальным источникам энергии, но их главный «козырь» — стабильность, а современные технологии, основанные на законах теплофизики, позволяют даже незначительную разницу преобразовывать в необходимый нагрев. Да и, согласитесь, когда на улице зимой стоит мороз в 20 градусов, а ниже уровня промерзания грунт имеет 5 ÷ 7 градусов, то такой амплитудный перепад — уже весьма приличен.

Именно это свойство непрерывности поступления низкопотенциальной энергии заложено в схему теплового насоса. По сути, этот агрегат является устройством, который «перекачивает» и «концертирует» тепло, забираемое из неиссякаемого источника.

Можно провести некую аналогию со всем знакомым холодильником. Продукты, которые в него укладываются для охлаждения и хранения и попадающий в камеру при открытии дверцы воздух – тоже имеют не слишком высокую температуру. Но если прикоснуться к теплообменной решетке конденсатора на задней стенке холодильника, то она или очень теплая , или даже горячая.

Прообраз теплового насоса — знакомый всем холодильник, решетка конденсатора которого при работе нагревается.

Так почему бы не использовать этот принцип для нагрева теплоносителя?Конечно с холодильником аналогия не прямая – там нет стабильного внешнего источника тепла, и по большей мере тратится электроэнергия. Но в случае с тепловым насосом такой источник можно найти (организовать), и тогда это получится «холодильник наоборот » — основная направленность агрегата будет именно на получение тепла.

По какому принципу работает ?

Он представляет собой систему из трех контуров с циркулирующими по ним теплоносителями.

• В самом корпусе теплового насоса (поз . 1) размещены два теплообменника (поз . 4 и 8), компрессор (поз . 7), контур циркуляции хладагента (поз . 5), приборы регулировки и управления.
• Первый контур (поз. 1) с собственным циркуляционным насосом (поз. 2) размещен (погружен ) в источнике низкопотенциального тепла (об их устройстве будет сказано ниже). Получая тепловую энергию от внешнего бесперебойного источника (показано широкой розовой стрелкой), подогреваясь всего на несколько градусов (обычно, при использовании зондов или коллекторов в грунте или в воде – до 4 ÷ 6 ° С ), циркулирующий теплоноситель попадает в теплообменник-испаритель (поз. 4). Здесь происходит первичная передача тепла, полученного извне.
• Хладагент, используемый во внутреннем контуре насоса (поз. 5), имеет крайне низкую температуру кипения. Обычно здесь применяется один из современных, безопасных для окружающей среды фреонов, либо двуокись углерода (по сути – сжиженный углекислый газ). На вход в испаритель (поз. 6) он подходит в жидком состоянии, при пониженном давлении — это обеспечивает регулируемый дроссель (поз. 10). Особая форма входного отверстия капиллярного типа и форма испарителя способствуют практически мгновенному переходу хладагента в газообразное состояние. По законам физики, испарение всегда сопровождается резким охлаждением и поглощением окружающего тепла. Так как этот участок внутреннего контура расположен в одном теплообменнике с первым контуром, то фреон отбирает тепловую энергию от теплоносителя, одновременно охлаждая его (широкая оранжевая стрелка). Охлажденные теплоноситель продолжает циркуляцию, и вновь набирает тепловую энергию из внешнего источника.
• Хладагент уже в газообразном состоянии, перенося переданное ему тепло, попадает в компрессор (поз. 7), где под воздействием сжатия его температура резко поднимается. Далее, он попадает в следующий теплообменник (поз. 8), в котором расположен конденсатор и трубы третьего контура теплового насоса. (поз. 11).
• Здесь происходит полностью противоположный процесс – хладагент конденсируется, переходя в жидкое состояние, при этом отдавая свой нагрев теплоносителю третьего контура. Далее, в жидком состоянии при высоком давлении он проходит через дроссель, где давление снижается, и цикл физических превращений агрегатного состояния хладагента повторяется вновь и вновь.
• Теперь переходит к третьему контуру (поз. 11) теплового насоса. Ему через теплообменник (поз. 8) предается тепловая энергия от разогретого компрессией хладагента (широкая красная стрелка). Этот контур имеет собственные циркуляционный насос (поз. 12), которые обеспечивает движение теплоносителя по трубам отопления. Однако намного разумнее использовать еще и аккумулирующую, тщательно изолированную буферную емкость (поз. 13), в которой будет накапливаться переданное тепло. Накопленный запас тепловой энергии расходуется уже для нужд отопления и горячего водоснабжения, расходуясь постепенно, по мере надобности. Подобная мера позволяет подстраховаться на случай перебоев в электропитании или использовать более дешевый ночной тариф на электроэнергию, необходимую для работы теплового насоса.

Если устанавливается буферный аккумулирующий бак, то к нему уже подводится контур отопления (поз . 14) с собственным циркуляционным насосом (поз . 15), обеспечивающим перемещение теплоносителя по трубам системы (поз . 16). Как уже говорилось, может быть и второй контур, который обеспечивает подачу горячей воды для бытовых нужд.

Тепловой насос не может работать без электропитания – оно требуется для функционирования компрессора (широкая зеленая стрелка), да и циркуляционные насосы во внешних контурах также потребляют электроэнергию. Однако, как уверяют разработчики и производители тепловых насосов, потребление электричества несопоставимо с получаемым «объемом » тепловой энергии. Так, при правильной сборке и оптимальных условиях эксплуатации, часто ведется разговор о 300 и более процентах КПД, то есть при одно затраченном киловатте электричества тепловой насос может дать «на-гора» 4 киловатта тепловой энергии.

На самом деле подобное утверждение о КПД несколько некорректно. Законы физики никто не отменял, и КПД выше 100% — такая же утопия, как и « perpetummobile » — вечный двигатель. Речь в данном случае идет о рациональном использовании электричества в целях «перекачки» и преобразования энергии, поступающей из неиссякаемого внешнего источника. Здесь уместнее использовать понятие СОР (от английского «coefficient of performance» ) что в русском языке чаще называется «коэффициентом преобразования теплоты». В этом случае, действительно, могут получиться значения, превышающие единицу:

CO Р = Q п / А , где:

CO Р – коэффициент пр еобразования теплоты;

Q п – количество тепловой энергии, полученное потребителем;

А – работа, выполненная компрессорной установкой.

Существует еще один нюанс, про который часто просто забывают – определенного расхода энергии для нормального функционирования насоса требует не только компрессор, но и циркуляционные насосы во внешних контурах. Потребляемая мощность у них, конечно, значительно меньше, но, тем не менее , ее тоже можно учесть, а этого часто в маркетинговых целях просто не делается.

Полученное суммарно количество тепловой энергии может расходоваться:

1 – оптимальное решение – это система теплых водяных полов. Как правило, тепловые насосы дают «подъем » температуры до уровня примерно в 50 ÷ 60 ° С – это достаточно для подогрева пола.

2 – горячее водоснабжение дома. Обычно в системах ГВС температура на таком уровне и поддерживается – около 45 ÷ 55 °С .

3 – а вот для обычных радиаторов такого нагрева будет явно недостаточно. Выход – увеличивать количество секций или же использовать специальные низкотемпературные радиаторы. Помогут решить вопрос и отопительные приборы конвекционного типа.

4 – одно из важнейших достоинств тепловых насосов – возможность их переключения на «противоположный» режим работы. В летнее время такой агрегат может выполнять функцию кондиционирования воздуха – отбирая тепло из помещений и перенося его в грунт или водоем .

Источники низкопотенциальной энергии

Какие же источники низкопотенциальной энергии способны использовать тепловые насосы? В этой роли могут выступать горные породы, грунт на различной глубине, вода из естественных водоемов , или подземных водоносных горизонтов, атмосферный воздух или теплые воздушные потоки, отводимые из зданий или от промышленных технологических комплексов.

А. Использование тепловой энергии грунтов

Как уже говорилась, ниже уровня промерзания почвы, характерного для данного региона, температура грунта отличается стабильностью в течение всего года. Это и используется для работы тепловых насосов по схеме «грунт – вода ».

Принципиальная схема отбора энергии «грунт — вода»

Для создания такой системы готовятся специальные поверхностные тепловые поля, на которых снимаются верхние слои грунта на глубину порядка 1,2 ÷ 1, 5 метров . В них укладывают контуры, выполненные из пластиковых или металлопластиковых труб диаметром, как правило, 40 мм. Эффективность съема тепловой энергии зависит от местных климатических условий и от общей протяженности создаваемого контура.

Ориентировочно, для средней полосы России, можно оперировать следующими соотношениями:

• Сухие песчаные грунты – 10 Вт энергии с одного погонного метра трубы.
• Сухие глинистые грунты – 20 Вт/м.
• Влажные глинистые грунты – 25 Вт/м.
• Глинистая порода с высоким расположением грунтовых вод – 35 Вт/м.

При всей кажущейся простоте такого теплообмена, способ отнюдь не всегда является оптимальным решением. Дело в том, что он предполагает очень значительные объемы земляных работ. То, что выглядит простым на схеме – значительно сложнее в практическом исполнении. Посудите сами – для того, чтобы «снять» с подземного контура даже всего 10 кВт т епловой энергии на глинистом грунте потребуется порядка 400 метров трубы. Если еще учитывать обязательное правило, что между витками контура должен быть интервал никак не меньше 1, 2 метров , то для укладки будет необходим участок площадью 4 сотки (20 × 20 метров).

Закладка поля для отбора тепла из грунта — чрезвычайно масштабная и трудоемкая задача

Во-первых, далеко не у всех есть возможность выделить такую территорию. Во-вторых, на этом участке полностью исключаются какие-либо постройки, так как велика вероятность повреждения контура. И в-третьих – отбор тепла из грунта, особенно при некачественно проведенных расчетах , может не пройти бесследно. Не исключен эффект переохлаждения участка, когда летнее тепло не сможет полностью восстановить температурный баланс на глубине залегания контура. Это может негативно сказаться на биологическом балансе в поверхностных слоях почвы, и в итоге некоторые растения просто не будут расти на переохлаждённом участке – такой своеобразный локальный эффект «ледникового периода».

Б. Тепловая энергия из скважин

Даже небольшой размер участка не будет препятствием для организации забота тепловой энергии из пробуренной скважины.

В качестве источника низкопотенциального тепла — глубокая скважина

Температура грунта с увеличение глубины становится только стабильнее, а на глубинах свыше 15 — 20 метров прочно стоит на 10-градусной отметке, увеличиваясь на два ÷ три градуса на каждые 100 м погружения. Причём , эта величина – абсолютно не зависит от времени года или капризов погоды, что делает именно скважину самым стабильным и предсказуемым источником тепла.

В скважины опускается зонд, представляющий собой U-образную петлю из пластиковых (металлопластиковых) труб с циркулирующим по ним теплоносителем. Чаще всего делается несколько скважин глубиной от 40 ÷ 50 и до 150 метров, не ближе 6 м одна от другой, которые связываются или последовательно, или с подключением к общему коллектору. Теплоотдача грунта при таком расположении труб – значительно выше:

• При сухих осадочных породах – 20 Вт/м.
• Каменистые грунтовые слои или насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м.
• Твердые горные породы, обладающие высокой теплопроводностью – 70 Вт/м.
• Если повезло, и попался подземный водоносный горизонт – порядка 80 Вт/м.

При недостаточности места или при сложностях в глубоком бурении из-за особенностей грунта может выполняться несколько наклонных скважин лучами из одной точки.

Кстати, в том случае, если скважина приходится на водоносный горизонт со стабильным дебетом, то иногда применяют открытый контур первичного теплообмена. При этом вода закачивается насосом с глубины, участвует в теплообмене, а затем, охлажденная , сбрасывается во вторую скважину того же горизонта, на расположенную на определенном расстоянии от первой (это вычисляется при проектировании системы). Одновременно может быть организован и водозабор для бытовых нужд.

Основной недостаток скважинного способа отбора тепла – высокая стоимость бурильных работ, которые провести собственными силами, не располагая соответствующим оборудованием, очень сложно или попросту невозможно. Кроме того, бурение скважин часто требует разрешительных документов от органов природонадзора . Кстати, и использование прямого теплообмена с обратным сбросом воды в скважину тоже может оказаться запрещенным .

Можно ли самостоятельно пробурить скважину?

Безусловно, это чрезвычайно сложная задача, однако есть технологии, позволяющие при определённых условиях выполнить ее самостоятельно.

О том, как можно – в специальной публикации нашего портала.

В. Использование водоемов в качестве источников тепла

Расположенный поблизости от дома водоем достаточной глубины вполне может стать неплохим источником тепловой энергии. Вода даже зимнее время под верхней коркой льда остается в жидком состоянии, и ее температура выше нуля – это и нужно тепловому насосу.

Ориентировочная теплоотдача с контура, погруженного в воду – 30 кВт/м. Значит, чтобы получить отдачу в 10 кВт, потребуется контур порядка 350 м .

Такие контуры-коллекторы монтируются на суше из пластиковых труб. Затем они перемещаются в водоем и погружаются на дно, на глубину не менее 2 метров, для чего привязываются грузы из расчета 5 кг на 1 погонный метр тр убы.

Затем выполняется термоизолированная прокладка труб к дому и подключение их к теплообменнику теплового насоса.

Однако, не следует думать, что любой водоем в полной мере подойдет для подобных целей – опять же, понадобятся весьма сложные теплотехнические расчеты . Например, небольшой и недостаточно глубокий пруд или мелкая тихая речушка мало того, что могут не справиться с задачей бесперебойной подачи низкопотенциальной энергии – их можно попросту переморозить вообще до дна, убив тем самым всех обитателей водоема .

Достоинства водяных источников тепла – нет необходимости в буровых работах, до минимума сводятся и земляные – только выкапывание траншей к дому для укладки труб. А как недостаток можно отметить малую доступность для большинства домовладельцев просто из-за отсутствия водоемов в разумной близости от жилья.

Кстати, в целях теплообмена нередко используют стоки – у них даже в холода достаточно стабилизированная положительная температура.

Г. Забор тепла из воздуха

Тепло для обогрева жилья или для горячего водоснабжения можно брать буквально из воздуха. На таком принципе работают тепловые насосы «воздух – вода» или «воздух – воздух ».

По большому счету – это тот же кондиционер, только переключенный на режим «зима». Эффективность такой системы обогрева очень сильно зависит и от климатических условий региона, и от капризов погоды. Современные установки хотя и рассчитаны для работы даже при очень низких температурах (до – 25, а некоторые – даже до – 40 ° С ), но коэффициент пр еобразования энергии при этом резко падает, рентабельность и целесообразность подобного подхода сразу начинают вызывать кучу вопросов.

Но зато такой тепловой насос вообще не требует никаких трудоемких операций – чаще всего его первичный теплообменный блок устанавливается или на стене (крыше) здания, либо в непосредственной близости от него. Его, кстати, практически нельзя отличить от внешнего блока сплит-системы кондиционирования.

Такие тепловые насосы часто используют в качестве дополнительных источников тепловой энергии для отопления, а в летнее время – в роли теплогенератора для горячего водоснабжения.

Применение подобных тепловых насосов в полне оправдано для рекуперации – использования вторичного тепла, например, на выходах вентиляционных шахт (каналов). Так установка получает достаточно стабильный и высокотемпературный источник энергии – это широко применяется на промышленных предприятиях, где постоянно имеются источники вторичного тепла для его утилизации.

В системах «воздух-воздух» и «воздух – вода» первичного контура теплообмена вообще нет. Вентиляторы создают воздушный поток, который обдувает непосредственно трубки испарителя с циркулирующим по ним хладагентом.

Кстати, существует целая линейка тепловых насосов DХ – типа (от английского «direct exchange» , что означает «прямой обмен»). В них тоже , по сути, отсутствует первичный контур. Теплообмен с источником низкопотенциального тепла (в скважинах или в слое грунта) проходит сразу в медных трубах, заполненных х ладагентом. Это, с одной стороны , дороже и сложнее в исполнении, но зато позволяет существенно уменьшить и глубину скважин (достаточно одной 30-метровой вертикальной или нескольких наклонных до 15 м ), и общую площадь теплообменного горизонтального поля, если оно расположено под верхним слоем грунта. Соответственно, можно говорить и о большем коэффициенте преобразования, и в целом – эффективности теплового насоса. Но вот только и медные теплообменные трубы намного дороже пластиковых и сложнее в монтаже, и стоимость хладагента значительно выше, чем обычного теплоносителя-антифриза.

А как устроен кондиционер, и можно ли его смонтировать самостоятельно?

Уже говорилось, что по базовому принципу действия кондиционер и тепловой насос – практически «близнецы», но в «зеркальном отображении».

Подробнее об устройстве и основных правилах – в специальной публикации портала.

Видео: полезная информация по теории и практике использования тепловых насосов

Общие достоинства и недостатки тепловых насосов

Итак, можно подвести определенную черту в рассмотрении тепловых насосов, акцентировав в нимание на их основных, мнимых и действительных, достоинствах и недостатках.

А. Высокая экономичность и общая рентабельность такого типа отопления.

Об этом уже упоминалось выше – в продуманной и правильно смонтированной системе, при оптимальных условиях эксплуатации, можно рассчитывать на получение 4 кВт т епловой энергии взамен потраченного 1 кВт – электрической.

Все это будет справедливым лишь в том случае, если жилье получило самое высококачественное утепление. Это, безусловно, касается любых систем отопления, просто эти «магические цифры» в 300% в большей мере показывают важность надежной термоизоляции.

По регулярным расходам на потребляемые энергоресурсы тепловые насосы стоят на первом месте в плане экономичности, несколько опережая даже дешевый сетевой газ. При этом следует учесть и то, что отпадает необходимость подвоза и складирования топливных запасов— если речь идет о колах на твердом или жидком топливе.

Б. Тепловой насос может стать высокоэкономичным основным источником отопления и горячего водоснабжения.

Этот вопрос также уже затрагивался. Если в доме в качестве основного источника обогрева в помещениях используются , то тепловой насос соответствующей мощности такую нагрузку должен «потянуть». Для большинства же привычных радиаторов температура в 50 ÷ 55 градусов будет явно недостаточна.

Особо стоит упомянуть насосы, отбирающие тепло из воздуха. Они – крайне чувствительны к текущим погодным условиям. Хотя производители заявляют о возможности работы при — 25 и даже -40 ° С , эффективность резко снижается, и ни о каких 300% уже речи идти не может.

Разумное решение – создавать комбинированную систему отопления (бивалентную ). Пока хватает мощности ТН , он выступает основным источником тепла, при недостаточности мощности при наступлении настоящих холодов – на подмогу приходят электрический нагрев, жидко— или твердотопливный котел , солнечный коллектор и т.п . Газовое оборудование в этом случае не рассматривается – если есть возможность применять для отопления сетевой газ, то потребность в тепловом насосе выглядит весьма сомнительно, по крайней мере, при нынешнем уровне цен на энергоносители.

В. Система отопления с тепловым насосом не требует дымохода. Работает она практически бесшумно.

Действительно, сложностей с обустройством дымохода у хозяев не возникнет. Что же касается тишины работы, то как и у любой другой бытовой техники с теми или иными приводами, шумовой фон все равно присутствует — от работы компрессора, циркуляционных насосов. Другой вопрос, что в современных моделях этот уровень шумности при правильной отладке агрегата – весьма невелик и не причиняет беспокойства жильцам. Кроме того, наверное, мало кому придет в голову устанавливать подобное оборудование в жилых комнатах.

Г. Полная экологичность системы – полностью отсутствуют какие-либо выбросы в атмосферу, нет никакой угрозы жильцам дома.

Все верно , особенно в отношении моделей, в которых в качестве хладагента применяется современный, безвредный для озонового слоя фреон (например, R-410А ).

Можно также сразу отметить пожаро — и взрывобезопасность такой системы – нет легковоспламеняющихся или горючих веществ, исключается скопление их взрывоопасных концентраций.

Д. Современные тепловые насосы являются универсальными климатическими установками, способными работать и на отопление, и на кондиционирование – в летнее время.

Это очень важное преимущество, которое, действительно, дает хозяевам массу дополнительных удобств.

Е. Работа теплового насоса полностью контролируется автоматикой, и не требует вмешательства пользователя. Такая система, в отличие от других, не нуждается в регулярном обслуживании и профилактике.

С первым утверждением можно полностью согласиться, однако, не забыв упомянуть и то, что большинство современных отопительных газовых или электрических установок также полностью автоматизированы, то есть таким достоинством обладают не только тепловые насосы.

А вот по второму вопросу можно вступить в дискуссию. Наверное, ни один из промышленных или бытовых отопительных агрегатов не может обойтись без регулярных проверок и профилактических работ. Даже если справедливо предположить, что во внутренний контур с хладагентом и в автоматику самостоятельно лезть не стоит, то внешние контуры с антифризом или иным теплоносителем определенного участия все же потребуют. Здесь и регулярная чистка (особенно в воздушных системах), и контроль состава и уровня теплоносителя, и ревизия работы циркуляционных насосов, и проверка состояния труб на целостность и наличие подтеканий на фитингах, и многое другое – одним словом, то, без чего не обходится ни одна система отопления. Одним словом, утверждение о полной ненадобности обслуживания выглядит, по меньшей мере , голословно.

Ж. Быстрая окупаемость системы отопления с тепловым насосом.

Этот вопрос – настолько неоднозначный, что на нем следует остановиться особо.

Некоторые компании, занимающиеся реализацией подобного оборудования, обещают своим потенциальным клиентам очень быстрый возврат вложенных в реализацию проекта средств. Они приводят выкладки в таблицах, по которым, действительно, можно создать мнение, что тепловой насос – единственное приемлемое решение, если нет возможности протянуть к дому газовую магистраль.

Вот один из таких образцов:

Да, итоговая строка действительно впечатляет, но все ли тут обстоит «гладко»?

Первое, что бросится в глаза внимательному читателю – тариф на электроэнергию для электрического обогрева взят общий, а на тепловой насос, отчего-то, льготный ночной. Видимо, для того, чтобы итоговая разница была более наглядной.

Далее. Стоимость оборудования теплового насоса показана не совсем корректно. Если внимательнее ознакомиться с предложениями в интернете, то цены на установки мощностью около 7 ÷ 10 кВт, которые могут использоваться в целях отопления, начинаются от 300 – 350 тысяч рублей (воздушные тепловые насосы и маломощные установки, используемые лишь для горячего водоснабжения, стоят несколько поменьше ).

Казалось бы, все правильно, но «дьявол кроется в деталях» Это – только лишь стоимость самого аппаратного блока, который без периферийных устройств, контуров, зондов и т.п . – бесполезен. Цена только одного коллектора (без труб) даст еще не менее 12 ÷ 15 тысяч, скважинный зонд ст оит не меньше. А если еще прибавить стоимость труб, фитингов, запорно-арматурных элементов, достаточно большого количества теплоносителя – общая сумма вырастает стремительно.

Трубы, коллекторы, запорная арматура — тоже достаточно «весомая» статья общих расходов

Но и это – еще не все. Уже упоминалось, что система отопления на основе теплового насоса, как, наверное, ни одна другая, нуждается в сложных специализированных расчетах . При проектировании учитывается очень много факторов: общая площадь и объемы самого здания, степень его утепленности и расчет тепловых потерь, обеспеченность достаточным по мощности источником электроснабжения, наличие необходимого участка территории (близлежащего водоема ) для размещения теплообменных горизонтальных контуров или бурения скважин, тип и состояние грунтов, расположение водоносных слоев и много другое. Безусловно, и изыскательские, и проектировочные работы также потребуют и времени, и соответствующей оплаты специалистам.

Установка же оборудования «наобум», без правильного проектирования, чревата резким снижением эффективности работы системы, а порой – даже локальными «экологическими катастрофами» в виде недопустимого переохлаждения грунта, колодцев или скважин, водоемов .

Следующее – монтаж оборудования и создание теплообменных полей или скважин. Уже упоминалось о масштабах земляных работ, глубине бурения. Для заполнения скважин после установки зондов требуется специальный бетонный раствор с высокой степенью теплопроводности. Плюс к этому – коммутация контуров, прокладка магистралей к дому и т.п . – все это еще один немалый «пласт» материальных затрат. Сюда же можно отнести приобретение и монтаж аккумулирующей емкости с необходимой автоматикой управления, переделку системы отопления под теплые полы или установку специальных теплообменных приборов.

Одним словом, затраты очень внушительные, и, наверное, именно это пока держит системы отопления от тепловых насосов в разряде «экзотики», недоступной подавляющему большинству владельцев частных домов.

А как же с высочайшей их популярностью и массовостью применения в других странах? Дело в том, что там работают правительственные программы стимуляции населения к использованию альтернативных источников энергоснабжения. Потребители, которые изъявили желание перейти на подобные виды отопления, имеют право на получение государственных субсидий, во многом покрывающих первоначальные затраты на проектирование и монтаж оборудования. Да и уровень доходов у работающих граждан, если честно, там несколько повыше , нежели в наших краях.

Для европейских городов и поселков это достаточно привычная картина — теплообменник теплового насоса около дома

Резюме – к утверждениям о быстрой окупаемости подобного проекта нужно относиться с определенной долей осторожности. Прежде чем браться за столь масштабный и ответственный комплекс мероприятий, следует т щательно просчитать и взвесить всю «бухгалтерию» до мелочей, оценить степени риска, свои финансовые возможности, планируемую рентабельность и т.п . Возможно, найдутся более рациональны, приемлемые варианты – прокладка газа, установка современных , использование новых разработок в сфере электрического обогрева и т.п .

Не следует воспринимать написанное, как «негатив» в адрес тепловых насосов. Безусловно – это чрезвычайно прогрессивное направление, и у него – огромные перспективы. Речь идет лишь о том, что в подобных вопросах не следует проявлять необдуманного волюнтаризма – решения должны основываться на тщательно продуманных и всесторонне проведенных расчетах .

Можно ли собрать тепловой насос с воими руками?

Общая перспективность использования «дармовых» источников тепловой энергии, в совокупности с сохраняющейся высокой ценой на оборудование, волей-неволей приводят многих домашних умельцев к вопросам самостоятельного создания подобных отопительных установок. Есть ли возможность изготовить тепловой насос с воими силами?

Безусловно, собрать такую тепловую машину, используя некоторые готовые агрегаты и нужные материалы – вполне возможно. В интернете можно найти и видеоматериалы, и статьи с успешными примерами. Правда, точных чертежей отыскать – вряд ли удастся, все обычно ограничивается рекомендациями по возможности изготовления тех или иных деталей и узлов. Впрочем, в этом есть рациональное «зерно»: как уже говорилось, тепловой насос – настолько индивидуальная система, требующая расчетов применительно к конкретным условиям, что слепо копировать чужие наработки будет вряд ли целесообразным.

Тем не менее , тому, кто все же решится на самостоятельное изготовление, следует прислушаться к некоторым технологическим рекомендациям.

Итак, «вынесем за скобки» создание внешних контуров – отопления и первичного теплообмена. Основной задачей в таком случае становится изготовление двух теплообменников, испарителя и конденсатора, связанных контуром из медной трубки с циркулирующим по нему хладагентом. Этот контур, как видно из принципиальной схемы, подключен к компрессору.

Компрессор найти несложно — новый или от разобранной на запчасти техники

Сам компрессор раздобыть не так сложно – его можно приобрести новый – в специализированном магазине. Можно поискать на хозяйственном рынке – часто продают агрегаты от разобранных на запчасти старых холодильников или кондиционеров. Вполне возможно, что компрессор обнаружится и в собственных запасах – многие рачительные хозяева даже при покупке новой бытовой техники такие вещи не выбрасывают.

Теперь – вопрос теплообменников. Здесь есть несколько различных вариантов:

А. Если есть возможности приобрести готовые пластинчатые теплообменники , запаянные в герметичный корпус, то этим решится сразу масса проблем. Такие устройства обладают отменной эффективностью теплопередачи из одного контура в другой – недаром их используют в системах отопления при подключении автономной внутриквартирной разводки к трубам центральной сети.

Удобство еще и в том, что подобные теплообменники — компактные, имеют готовые патрубки, фитинги или резьбовые соединения для подключения к обоим контурам.

Видео: изготовление теплового насоса с использованием готовых теплообменников

Б. Вариант т еплового насоса с теплообменниками из медных трубок и закрытых емкостей .

Оба теплообменника, в принципе, схожи по устройству, но емкости для них могут использоваться разные.

Для конденсатора подойдет цилиндрический бак из нержавейки емкостью около 100 литров. В нем необходимо разместить медный змеевик, выведя его концы сверху и снизу наружу и герметично запаяв места прохода по окончании сборки. Вход должен располагаться снизу, выход, соответственно – в верхней части теплообменника.

Сам змеевик навивают из медной трубки, которую можно приобрести в магазине метражом (толщина стенок – не менее 1 мм). В качестве шаблона можно взять трубу большого диаметра. Витки змеевика следует несколько разнести между собой, прикрепив, например, к алюминиевому перфорированному профилю.

Водяной контур отопления может быть подключен посредством обыкновенных водопроводных патрубков, смонтированных (вваренных, впаянных или на резьбовом соединении с уплотнением) в противоположных краях теплообменного бака. Для циркуляции воды используется само внутренне пространство теплообменника. В итоге должна получиться примерно такая конструкция:

Для испарителя такие сложности не нужны – здесь не бывает высоких температур или избыточного давления, поэтому будет достаточно объёмной пластиковой емкости . Змеевик навивается примерно так же, концы его выводятся наружу. Для циркуляции воды из первичного контура также достаточно обычных сантехнических соединений.

Испаритель также устанавливается на кронштейны рядом с конденсатором, а около них готовится площадка для монтажа компрессора с последующим его подключением к контуру.

Рекомендаций по обвязке компрессора, установке дроссельного регулировочного клапана , по диаметру и длине капиллярной трубки, необходимости регенерационного теплообменника и т.п ., даваться не будет – это должен рассчитывать и монтировать только специалист по холодильным установкам.

Следует помнить, что здесь требуются высокие навыки герметичной пайки медных трубопроводов , умение правильно проводить закачку хладагента – фреона, проводить проверку и осуществлять пробный запуск. Кроме того, работа эта – достаточно опасная, требующая соблюдения весьма специфических правил предосторожности.

В . Тепловой насос с теплообменниками из труб

Другой вариант изготовления теплообменников. Для этого понадобятся металлопластиковые и медные трубы.

Медные трубки подбираются двух диаметров – порядка 8 мм для конденсатора, и порядка 5 ÷ 6 для испарителя. Длина их соответственно 12 и 10 метров.

Металлопластиковые трубы предназначены для циркуляции по ним воды из контуров первичного теплообмена и отопления, и в их полости будут расположены медные трубки внутреннего контура теплового насоса. Соответственно, диаметр тр уб можно взять 20 и 16 мм.

Металлопластиковые трубы растягиваются в длину, так чтобы в них можно было без особых усилий ввести медные, которые должны выступать с каждой стороны примерно на 200 мм.

На каждый из концов трубы одевается и « запаковывается тройник, так, чтобы медная трубка прошла сквозь него прямо. Пространство между ней и телом тройника надежно запечатывается термостойким герметиком. Оставшийся перпендикулярный вывод тройника будет служить для подключения теплообменника к водяному контуру.

Трубы в сборе навиваются спиралями. Обязательно следует сразу предусмотреть их термоизоляцию, одев в поролоновые утеплительные «рубашки». В итоге получаются два готовых теплообменника.

Разместить их можно один над другим в импровизированном корпусе рамного типа. На этом же каркасе предусматривается и площадка для установки компрессора. А чтобы снизить передачу вибрации от него на общую конструкцию, можно компрессор крепить, например, через автомобильные сайлент-блоки .

Чтобы провести обвязку компрессора и заправку получившегося контура фреоном, опять же потребуется пригласить специалиста-холодильщика.

Можно установить такой тепловой насос на предназначенное ему место и подсоединить фитинги тройников на теплообменниках каждый к своему контуру. Останется лишь подвести питание и запустить агрегат.

Все рассмотренные самодельные тепловые насосы – вполне работоспособные конструкции. Однако, не следует полагать, что вот так просто можно полностью решить проблему дешёвого отопления дома. Здесь речь идет , скорее, о создании действующих моделей, которые требуют дальнейшей доработки, модернизации. Даже опытные в этом деле мастера, изготовившие уже не один подобный аппарат, постоянно ищут пути к совершенствованию, создавая новые «версии».

Видео: как мастер совершенствует собственноручно созданный тепловой насос

Кроме того, был рассмотрен только сам тепловой насос, а ему для нормальной работы требуется аппаратура управления, контроля, регулировки, связанная с системой отопления дома. Здесь уже не обойтись без определенных познаний в области электротехники и электроники.

Опять же, можно вернуться к проблемам расчетов – «потянет» ли самодельный тепловой насос систему отопления, так чтобы стать реальной альтернативой другим источникам тепла? Часто в этих вопросах домашним мастерам приходится «пробираться на ощупь». Однако, если базовый принцип усвоен, и первая модель успешно заработала – это уже большая победа. Можно свой пробный образец временно приспособить к обеспечению дома горячей водой для бытовых целей, а самому приниматься за проектирование более совершенного агрегата, с учетом уже наработанного опыта и исправления допущенных ошибок.

Горячее водоснабжение – от энергии солнца!

Очень практичным решением будет использование энергии солнечных лучей для обеспечения дома горячей водой. Этот источник альтернативной энергии – намного проще и дешевле в исполнении, нежели тепловой насос. Как сделать — в специальной публикации нашего портала.

Экология познания. Усадьба: В последние десятилетия у владельцев домов появился довольно большой выбор систем отопления. Уже необязательно подключаться к централизованным сетям и использовать традиционные источники. Можно выбрать оборудование, работающее на альтернативной энергии, но его главный недостаток – дороговизна. Впрочем, если сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника, систему можно существенно удешевить.

Сегодня мало кто сомневается в том, что тепловой насос для отопления дома – самое эффективное средство из всех существующих. Оно же - самое дорогое и сложное в исполнении. По этой причине многие домашние умельцы взялись за самостоятельное решение данной проблемы.

Но ввиду ее высокой сложности достижение положительных результатов дается весьма непросто, нужно иметь энтузиазм, терпение и вдобавок хорошо изучить теорию. Наша статья для тех, кто делает первый шаг на пути внедрения у себя дома такого альтернативного источника энергии, как тепловой насос, сделанный своими руками.

Устройство и принцип работы теплового насоса

Для сборки действующей модели теплового насоса не обойтись без знания теории, а точнее, принципа действия этого устройства. Хотелось бы изначально отметить, что утверждения о КПД в 300, 500 и 1000% - это миф или просто маркетинговый ход, рассчитанный на незнание рядовым пользователем законов физики. Так вот, тепловой насос – это устройство, берущее тепловую энергию в одном месте и перемещающее ее в другое с определенным КПД, не превышающим 100%. В отличие от котельных установок, он самостоятельно тепло не производит.

Примером могут служить домашние холодильники и кондиционеры, чья конструкция основана на так называемом цикле Карно, его же использует принцип работы теплового насоса для отопления или ГВС. Суть этого цикла заключается в движении вещества (рабочего тела) по замкнутой системе и меняющего свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и наоборот. В момент перехода выделяется или поглощается огромное количество энергии.

Чтобы пояснить на более доступном языке, перечислим основные элементы, которые включает в себя устройство теплового насоса:

• компрессор;
• теплообменник, где рабочее тело переходит в газообразное состояние (испаритель);
• теплообменник, в котором рабочее тело конденсируется (конденсатор);
• расширительный (редукционный) клапан;
• средства управления и автоматики;
• магистрали из медных трубок.

В качестве рабочего тела выступает вещество, закипающее при низких температурах – фреон. Циркулируя по трубке в виде жидкости, первым делом он попадает в испаритель. После взаимодействия с теплоносителем от внешнего источника (воздух, вода, грунт) рабочее тело испаряется и продолжает свое движение в виде газа. На этом участке давление в системе - низкое. Всю цепочку цикла отражает принципиальная схема теплового насоса:

Пройдя компрессор, фреон под давлением движется ко второму теплообменнику, где ему предстоит сконденсироваться и передать полученное тепло воде, снова приняв жидкое состояние. Далее, рабочее тело попадает в расширительный клапан, давление снова падает и оно продолжает свой путь к испарению. Цикл завершен.

Заводские теплонасосы для жилого дома способны выдавать теплоноситель с температурой 55-60 ºС, этого достаточно для обогрева помещений радиаторами либо теплыми полами. При этом вся система отопления затрачивает электроэнергию на такие цели:

• питание компрессора;
• вращение роторов циркуляционных насосов наружного и внутреннего контура;
• питание средств автоматики и контроля.

Получается, что при потреблении 1 кВт электричества действие теплового насоса может переместить в дом до 5 кВт тепловой энергии извне, отсюда и небылицы о КПД 500%.

Тепловой насос воздух-воздух

Теоретически любая среда, имеющая температуру выше абсолютного нуля (минус 273 ºС), обладает запасом тепловой энергии. А значит, ее можно извлечь, уж тем более это нетрудно сделать при температуре окружающего воздуха минус 10-30 ºС.

Для этой цели служит тепловой насос воздух-воздух, отнимающий тепло у наружной окружающей среды и перемещающий его внутрь частного дома. Это самый доступный способ по цене оборудования и стоимости монтажа, он же – наименее эффективный. Чем крепче мороз на улице, тем меньше тепла удается получить. Принцип действия системы показан на рисунке:

Наружный блок воздушного теплового насоса внешне похож на такой же агрегат сплит-системы, только внутри у него нет компрессора. Остается лишь пластинчатый теплообменник и вентилятор, чьей задачей является повысить интенсивность процесса путем нагнетания через пластины большого количества воздуха.

Тепловой насос вода-вода

Более эффективным вариантом считается тепловой насос вода-вода. Он извлекает тепловую энергию из ближайшего водоема, если таковой есть на расстоянии до 100 м от дома. Другой, более распространенный способ – отбор тепла у грунтовых вод через скважину. По сути, скважин нужно 2: одна для выкачивания воды, другая – для ее сброса. Ниже представлены схемы тепловых насосов, действующих по такому принципу:

Здесь есть свои нюансы. Вода из скважины должна проходить очистку перед попаданием теплообменник, а трубы надо прокладывать ниже глубины промерзания грунта. Другое дело – контур на дне водоема, он заполняется незамерзающей жидкостью (пропиленгликолем), что служит посредником между водой и хладагентом.

Способность обеспечить частный дом тепловой энергией в этом случае зависит от производительности скважины и объема воды в пруде. Также существуют варианты погружения внешнего контура в проточную воду реки или канализационный септик.

Также существуют геотермальные тепловые насосы, чей принцип работы не отличается от предыдущих типов аппаратов, только тепло извлекается из грунта на глубине, где температура всегда одинакова – плюс 7 ºС. Для этого в землю закапывается горизонтальный контур из труб, занимающий большую площадь, либо в скважины глубиной 25 м опускаются геотермальные зонды. В обоих случаях в качестве теплоносителя используется антифриз.

Считается, что работа теплового насоса, добывающего тепло из грунта, - самая стабильная и эффективная. Но покупка и монтаж подобного оборудования очень дороги, а домашние мастера-умельцы редко прибегают к реализации этого варианта.

Как собрать тепловой насос в домашних условиях?

Поскольку термодинамический расчет теплового насоса представляет для большинства домашних мастеров - самодельщиков немалую сложность, приводить его здесь мы не будем. Наша задача – представить несколько действующих моделей, чтобы любой энтузиаст мог взять какую-нибудь из них за основу для создания собственного детища.

Необходимо отметить, что тепловой насос, придуманный и собранный своими руками, для подавляющего большинства рядовых пользователей останется недостижимой мечтой, если не приложить к его изготовлению массу усилий и времени.

Простейший тепловой насос из старого холодильника был описан в статье журнала «Инженер» за 2006 г. Он позиционируется, как нагреватель воздух – воздух для небольшого помещения или теплицы. Кстати, какой бы ни был мощный бытовой холодильник, на обогрев даже небольшого дома его не хватит, а вот на 1 комнатку – вполне. Решение реализуется 2 способами, причем внутренняя автоматика отключения демонтируется и все агрегаты соединяются напрямую для непрерывной работы. В первом случае старый холодильник находится в помещении, конструкция насоса показана на схеме:

Снаружи к нему прокладывается 2 воздуховода и врезается в переднюю дверку. Воздух по верхнему каналу попадает в морозилку, охлаждается и опускается к нижнему воздуховоду из-за увеличения плотности. Затем он покидает корпус холодильника, вытесняемый верхним потоком. Помещение прогревается от теплообменника, расположенного на задней стенке агрегата. По второму способу сделать своими руками тепловой насос так же просто, надо лишь встроить холодильник в наружную стену, как изображено на схеме:

Самодельный обогреватель из холодильника может функционировать до наружной температуры минус 5 ºС, не ниже.

Тепловой насос из кондиционера

Современные сплит-системы, особенно инверторного типа, успешно выполняют функции того же теплового насоса воздух – воздух. Их проблема в том, что эффективность работы падает вместе с наружной температурой, не спасает даже так называемый зимний комплект.

Домашние умельцы подошли к вопросу иначе: собрали самодельный тепловой насос из кондиционера, отбирающий теплоту проточной воды из скважины. По сути, от кондиционера тут используется только компрессор, иногда – внутренний блок, играющий роль фанкойла.

По большому счету, компрессор можно приобрести отдельно. К нему потребуется сделать теплообменник для нагрева воды (конденсатор). Медная трубка с толщиной стенки 1-1.2 мм длиной 35 м наматывается для придания формы змеевика на трубу диаметром 350-400 мм или баллон. После чего витки фиксируются перфорированным уголком, а затем вся конструкция помещается в стальную емкость с патрубками для воды.

Компрессор из сплит-системы присоединяется к нижнему вводу в конденсатор, а к верхнему подключается регулирующий клапан. Таким же образом изготавливается испаритель, для него сгодится обычная пластиковая бочка. Кстати, вместо самодельных емкостных теплообменников можно использовать заводские пластинчатые, но это обойдется недешево.

Сама по себе сборка насоса не слишком сложна, но здесь важно уметь правильно и качественно пропаивать соединения медных трубок. Также для заправки системы фреоном потребуются услуги мастера, не станете же вы специально покупать дополнительное оборудование. Дальше – этап наладки и пуска теплового насоса, который далеко не всегда проходит удачно. Возможно, придется немало повозиться, чтобы добиться результата.

Заключение

Конечно, отопление дома тепловым насосом – мечта многих домовладельцев. К сожалению, стоимость установок слишком высокая, а справиться с собственноручным изготовлением могут единицы. И то зачастую мощности хватает лишь на ГВС, об отоплении речь не идет. Если бы все было так просто, то у нас в каждом доме стоял самодельный тепловой насос, а пока что он остается недоступным широкому кругу пользователей.

Определенное количество тепла есть в любой среде, окружающей нас, но при условии, что ее температура будет выше нуля градусов по Цельсию. Возникает вопрос: отчего бы не применить это тепло для отопления собственного жилья? Это вполне осуществимо, но для этого нужен тепловой насос.

Типы тепловых насосов

Принцип работы насоса заключается в следующем: тепловой источник, энергопотенциал которого достаточно низок, передает свое тепло носителю с высшей температурой. Как это работает на практике, можно увидеть на рисунке. К слову, холодильные устройства работают по тому же принципу, поэтому летом тепловой насос успешно может функционировать в роли кондиционера.

Классификаций насосов может быть несколько, но правильно было бы разделить их по типу теплоносителя, в роли которого могут выступать:

• Вода;
• Грунт;
• Воздух.

Энергия, полученная с использованием такой системы, может быть использована для различных целей: обогрева помещения, кондиционирования, нагрева воды. Сочетание типов теплоносителей и выполняемых функций тоже может быть разным. Исходя из этого, насосы делятся на три группы.

1. Оборудование класса «вода-вода» . Весьма эффективный способ получения тепла, ведь при значительной глубине вода может достаточно долго оставаться в перманентном состоянии, сохраняя необходимую температуру. В данном случае источником тепловой энергии являются открытые водоемы, подземные или сточные воды, а теплоносителем выступает специальное экологическое вещество.

   Стоит отметить, что проще будет соорудить насос для использования в озерах и реках (водоемов открытого типа), в то время как для подземных потребуются дополнительные работы и затраты. Конструкция устройства будет усложненной, потребуется специальный резервуар для сосредоточения влаги из теплообменника. Для контура используются пластиковые трубы, которые можно установить как в вертикальном, так и в горизонтальном положении под землей. Вертикальный коллектор является более эффективным, поскольку для него бурятся скважины по 100-150 метров глубиной, а там температура может держаться дольше.

   

   Важно! Горизонтальные коллекторы запрещается применять в хозяйственных целях, только для посадки растений и газона. На один киловатт мощности устройства может потребоваться примерно 20-50 метров квадратных.

2. Оборудование класса «грунт-вода» являются самыми удобными, ведь уже на глубине 5 м можно наблюдать постоянную температуру почвы, а погодные изменения на нее практически не влияют. Конструкция данных насосов практически та же, что в предыдущем варианте.

   

3. класса «вода-воздух» менее эффективны потому, что зимой их мощность существенно падает. Зато при монтаже никаких трудностей нет – не потребуются ни глубокие скважины, ни земляные работы. Все, что нужно сделать – установить оборудование в подходящее место. Это может быть, к примеру, крыша дома. Преимущество такой системы в том, что использованную тепловую энергию можно применять повторно, она будет покидать здание в виде газа, дыма, воздуха или даже воды. Но полноценного обогрева дома она дать не может ввиду низкой мощности, поэтому на зимнее время нужно позаботиться об альтернативном отоплении.

   

Принцип действия – обобщенная схема

Чтобы понять принцип действия теплового насоса, ознакомимся вначале с обобщенной схемой его устройства. Благодаря этому, у нас появится возможность двигаться от простого к сложному.

Начать следует с замкнутого контура. В этом контуре движется газ, который циркулирует благодаря компрессору. Согласитесь, сейчас у данной конструкции практически нет никаких функций, однако если оборудовать ее некоторыми компонентами, то можно получить функционирующий тепловой насос.

В первую очередь, добавляем в нашу схему расширительный клапан.

Сейчас в нашем контуре имеются две области — высокого и низкого давления. Вместе с тем, мы можем наблюдать немаловажный физический эффект: сжимающийся газ нагревается, а во время снижения давления, напротив, его температура снижается.

Максимальная в данном случае температура наблюдается в точке, где газ выходит из компрессора.

Наименьшая же температура наблюдается на выходе из расширительного клапана.

Газ, у которого высокая температура, при прохождении через теплообменник будет большую часть тепла отдавать внешнему потребителю. Вместе с тем, газ, температура которого низкая, при прохождении через теплообменник, напротив, будет поглощать тепловую энергию из наружного источника.

Конструкция, которая у нас получилась, имеет все функции, которые должны присутствовать у теплового насоса. Но чтобы она была полноценной, необходимо оснастить ее источником низкотемпературного тепла, а также выполнить подключение к отопительной системе.

Самым оптимальным для нашего региона вариантом является применение геотермальных зондов, которые и будут служить источниками упомянутого выше низкотемпературного тепла.

Что же касается отопительных приборов, то в качестве таковых могут использоваться батареи, теплые полы/стены.

Расходы и необходимая мощность

Тепловой насос стоит дорого, в среднем 4000-6500 евро, в зависимости от качества изделия. Но практика показывает, что столь значительные расходы окупятся примерно за полтора — два года, а если сделать самостоятельно, как и планируется, то даже быстрее.

Возможно, Вас заинтересует информация о том, для чего нужа

Касаемо мощности устройства, то она может быть разной. Для зданий с плохой термоизоляцией мощность должна составлять примерно 75 ватт на м. кв., если же дом более современный и для изоляции использовались материалы хорошего качества, то хватит и 50 ватт. А при использовании специальных изоляционных технологий можно обойтись и 30 ваттами. Желательно, чтобы тепловой насос стал частью проекта дома еще на этапе строительства.

Делаем тепловой насос своими руками

Да, тепловые насосы действительно стоят дорого, даже если их своими руками, поэтому не каждый может позволить себе такую покупку. Но можно изготовить его своими руками, используя детали б/у или те, которые есть в хозяйстве.

Если планируется установка в старом здании, то для начала нужно проверить состояние счетчика и электропроводки. Порядок работ следующий.

Возможно, Вас заинтересует информация о том, что такое

Шаг 1 . Первое, что вам нужно сделать – купить компрессор. Более дешевый вариант – найти компрессор от старого кондиционера. Он идеально подходит для изготовления насоса. Крепить деталь к поверхности стены следует, используя крепежи-кронштейны (модель L 300).

Шаг 2 . Затем необходимо изготовить конденсатор, для чего потребуется стальная емкость V=100 л. Ее необходимо разрезать пополам, а внутрь поместить медный змеевик подходящего диаметра с толщиной стенок более одного миллиметра.

Изготовление змеевика

Шаг 3 . Когда закрепите змеевик, половинки емкости нужно сварить обратно.

Шаг 4 . Далее изготовьте испаритель. Для него понадобится еще одна емкость из пластика, литров на 70. В нее также монтируется змеевик, вот только диаметр трубы должен быть поменьше. Испаритель крепите к стене, используя все те же кронштейны типа «L» нужного размера.

Шаг 5 . Следующий этап заключается в привлечении специалиста. Дело в том, что самостоятельно сварить трубы и закачать фреон непросто, особенно при отсутствии необходимых знаний. Эксперт по ремонту холодильников отлично с этим справится.

Шаг 6. Итак, «стержень» системы уже готов, осталось подсоединить его к распределителю и заборнику тепла. И если с распределителем проблем нет, то на заборник придется потратить немало сил и времени. Конечно, лучше опять же обратиться к специалисту, но давайте попытаемся разобраться, как сделать все своими руками.

Особенности установки различны для каждого из типов тепловых агрегатов.

В этом случае растраты неизбежны, так как нужно пробурить скважину, а сделать это без бурильной установки невозможно. Глубина скважины должна составлять минимум 50 и максимум 150 метров. В готовую скважину опускаете геотермальный зонд, который впоследствии подключается к насосу.

Для горизонтальных систем потребуется коллектор, изготовленный из труб. Такой коллектор должен размещаться ниже уровня замерзания грунта, который зависит от климатических особенностей местности, но зачастую не превышает 1.5 метра.

Для установки коллектора снимите верхний слой почвы. Можно использовать для этого спецтехнику или сделать все лопатой, что значительно дешевле. После укладки труб засыпьте землю обратно.

Есть другая технология укладки труб – вырыть для каждой отдельную канаву. Таких канав должно быть несколько и все они должны размещаться ниже уровня промерзания почвы. Помещаем в них трубы, засыпаем.

Соединение коллектора производите на суше, применяя ПНД-трубы. После этого заливаете в систему теплоноситель и перемещаете к воде. Коллектор желательно погружать в центральную часть водоема или же просто на нужную глубину.

Как упоминалось выше, для такого рода насосов никакие масштабные работы не требуются, ведь тепло извлекается из воздуха. Нужно только подобрать место – крыша здания, к примеру – и установить коллектор. Далее последний подключается к отопительной системе.

На этом изготовление и монтаж теплового насоса закончен. Надеемся, что статья была действительно полезной для вас!

Видео — Самодельный тепловой насос «вода-вода»

Отопление тепловым насосом - это не только выгодно, но и практично. В условиях постоянного роста цен на энергоносители, автономные источники позволяют обеспечить дом теплом и существенно сократить затраты на электроэнергию. Кроме того, устройство без труда подключается по принципу двухконтурного котла к системе водоснабжения и обеспечивает горячей водой.

Теоретические основы

Принцип теплового насоса состоит в том, что устройство производит выкачку тепла из одного места и передачу его в другое, т.е. использует геотермальные физические законы. Если рассматривать принцип работы теплового насоса максимально просто, то он представляет собой систему труб, в которых течет незамерзающая жидкость. Она нагревается за счет внешних источников тепла, далее движется к насосу, отдает тепло системе отопления и возвращается обратно к термальному источнику.

Существуют две большие группы такого оборудования:

• промышленные тепловые насосы;
• бытовые тепловые насосы.

Работа теплового насоса промышленного типа основана на заборе тепла из земли. Для этого бурятся скважины глубиной до нескольких километров, в которые устанавливаются металлические спирали. По ним тепло передается на термальный контур, к которому подключен тепловой насос. Данный способ является наиболее эффективным, поскольку имеет высочайший уровень КПД. Тем не менее, стоимость установки оборудования достигает 10-15 тысяч долларов США. Это обстоятельство способствовало появлению бытовых насосов, менее эффективных, но и более дешевых.

Устройство бытового теплового насоса

Насос теплового действия состоит из трех основных частей:

• грунтового контура;
• контура фреона;
• отопительного контура.

Грунтовый контур - наиболее простая часть конструкции. Он представляет собой систему труб, установленных в земле или водоеме, в которых циркулирует незамерзающий рассол. Его температура составляет от -3 до -5 градусов Цельсия. Принципиальной разницы в температурном режиме нет, поскольку рассол может прогреться за счет внешних источников тепла только до нуля.

Этой температуры достаточно, чтобы закипятить фреон, который переходит в газообразное состоянии уже при температуре -2. Далее пар фреона передается в компрессор, который нагнетает давление и сжижает хладогент. В таком состоянии температура фреона возрастает до +100 градусов.

Далее кипяток передается в систему отопления, нагревает воду в радиаторах, остывает и возвращается обратно во фреоновый контур. Таким образом, расход электроэнергии происходит только на работу компрессора. Учитывая, что его мощность редко превышает 1 кВт, следует говорить о том, что тепловой насос по потреблению электричества схож с бойлером, но в отличии от него, способен не только нагреть воду, но и отопить весь дом.

Виды бытовых тепловых насосов

Принято различать три вида термального оборудования:

• с открытым циклом;
• с закрытым циклом и гидрообменником;
• с закрытым циклом и горизонтальным обменником.

Открытый цикл предполагает, что теплообменник связан с источником подземных вод. При использовании насоса, этот способ позволяет обеспечить дом не только водой, но и теплом.

В закрытом цикле с гидрообменником теплоноситель устанавливается в закрытом водоеме. Трубы с рассолом не имеют прямого контакта с водой, тепло передается через корпус. Актуален для домов с прудами или вблизи рек.

Горизонтальный теплообменник - это упрощенная версия промышленного теплового насоса. Трубы устанавливаются на глубине всего нескольких метров, но этого достаточно для качественного отопления 80-100 кв. м. Если в системе установлен циркуляционный насос, то глубину увеличивают до 250-300 м. Учитывая, что внизу температура будет около 15-18 градусов, КПД теплового насоса значительно возрастет. Но следует учитывать, что и затраты на электроэнергию также будут выше, поскольку циркуляционный насос работает исключительно от сети.

Схема теплового насоса

На сегодняшний день существует две наиболее распространенные конструкции:

• конденсаторная;
• на пластинах Пельтье.

Для начала рассмотрим принцип работы теплового насоса на основе электродинамики. Он состоит из:

• пластин с покрытиями, отличающимися разным уровнем энергии электронов;
• проводов электропитания;
• конденсатора тепла;
• источника питания переменного тока от 12 В.

Система теплового насоса работает крайне просто. Под воздействием тока одна из пластин нагревается, вторая охлаждается, когда полярность меняется, холодная и горячая сторона меняются. По обеим сторонам от пластин расположены конденсаторы, которые накапливают тепло и передают его в систему отопления.

При явных плюсах, таких как:

• бесшумность;
• простота монтажа;
• небольшие габариты.

Есть один весомый недостаток - очень маленькое КПД. Для борьбы с этой проблемой нужно увеличивать площадь пластин, а это, в свою очередь, приведет к более высоким затратам электроэнергии. Учитывая тот факт, что в нашей стране это не дешевое удовольствие, эффективнее использовать стандартный конденсаторный тепловой насос.

Тепловой насос под ключ своими руками

Для сборки теплового насоса понадобится:

• водопроводные трубы;
• металлопластиковы трубы для отопления;
• компрессор;
• емкость под расширительный бак;
• емкость под конденсатор;
• рассол;
• фреон;
• источник питания;
• бак для фреона.

На первом этапе понадобится собрать теплообменный контур:

1. Определяем термальный источник: земля или водоем.

2. Подводим трубы к термальному источнику.

3. Подключаем теплопровод к расширительному баку с фреоном.

На втором этапе собираем циркуляционную систему:

1. Подключаем бак с фреоном к компрессору, для этого газоотвод должен быть расположен в самой верхней части расширительного бака.

2. К компрессору подключаем трубу высокого давления.

3. Соединяем трубой компрессор и конденсатор, который должен быть разделен дросселем.

4. От конденсатора делаем обратный отвод к компрессору и расширительному баку.

Финальная стадия - подключение отопления:

1. К конденсатору необходимо подключить теплоноситель, как правило, это вода.

2. От бака с теплоносителем сделать разводку труб для отопления.

3. Подключить радиаторы.

Важно: рассмотрена простейшая система создания теплового насоса. Для ее нормальной работы понадобится дополнительная установка циркуляционного насоса, который обеспечит движение воды в системе.

Тепловой насос, установка которого описана выше, может быть дополнительно модернизирован насосом подкачки воды. Это актуально в том случае, если в регионе много подпочвенных вод. В таком случае, систему нужно будет переработать:

1. Закачивающая труба должна быть свернута в кольцо под баком с фреоном.

2. Во время работы насоса, по этой трубе будет подниматься вода, которая должна поступать в распределительный бак.

3. От бака имеет смысл установить тройник, отдельно на отопление, отдельно на водоснабжение дома.

Важно: подразумевается, что бак будет служить емкостью для теплоносителя, поэтому его размер должен быть пропорционален мощности насоса.

Тепловой насос: расчет эффективности

По мнению многих экспертов, эффективность тепловых насосов в 2-3 раза выше, чем у газовых котлов. Если брать стоимость энергоресурсов, то возражений никаких нет. Но проверить реальные возможности этого изобретения все же стоит.

Для расчета тепловой энергии, которая необходима на нагрев 1 куб. м воды воспользуемся стандартной формулой по физике:

• c - это удельная теплоемкость вещества;
• m - масса; рассчитывается по формуле - m=p*V, где p - плотность вещества, V - объем;
• t2 - желаемая температура;
• t1 - температура теплоносителя.

Подставим под формулу конкретные значения:

• Q=4183*1000 (1 куб. м)*(60-10);
• Q=209.15 мДж, что приблизительно равняется 58,6 кВт/ч.

Как видно из расчета, мощность теплового насоса для эффективного обогрева помещения должна быть около 60 кВт/ч, при условии, что в системе циркулирует 1 куб. м. воды.

Теперь рассчитаем реальные показатели мощности для фреона. Для того, чтобы не слишком углубляться в математику, составим простое, но наглядное уровнение:

• 209150000=2010*х*100;
• х=209150000/2010/100;
• х=1040,55.

В данном расчете х - это масса. Необходимо узнать объем:

• V=m/p;
• V=1040,55/196,2;
• V=5,3 куб. м. газа или 1,2 куб. м. жидкости.

Как видно из расчетов, для нормального обогрева помещения понадобится 5,3 куб. м. пара фреона. Величина достаточно условна, поскольку зависит от температуры, давления в системе, качества фреона и многих других показателей. Тем не менее, при данном расчете исходим из эталонных величин, без учета факторов окружающей среды. Точный показатель считается по уравнению Клапейрона-Менделеева.

Не смотря на условность расчетов, видно, что для обеспечения температуры теплоносителя в стандартные 60 градусов, понадобится фреона больше, чем воды в системе. Из этого прямо следует, что действительно эффективный тепловой насос должен иметь достаточно большие габариты, иначе будет наблюдаться нехватка тепла.

Определенным решением станет использование других хладогентов, например, на амиачной основе или их аналогов, где температура пара может быть значительно выше 100 градусов по Цельсию. Допустим, если разогреть пар до 200 градусов, соотношение изменится примерно на ¾, в пользу хладогента.

Конкретная система теплового насоса зависит от многих факторов и требует серьезных математически изысканий, так как без этого, отопление будет не эффективным. За расчетами лучше обратиться к экспертам, либо проконсультироваться со школьным учителем физики, так как большинство формул приходятся на программу 8-9 классов. Приводить в статье конкретные примеры нецелесообразно, поскольку невозможно обобщить формулы для каждого отдельно взятого случая.

Отопление дома тепловым насосом: цена

Перед тем, как приступать к поискам экспертов в области термодинамики, необходимо самостоятельно выполнить несложную процедуру - рассчитать потребляемую электроэнергию и затраты на изготовление насоса.

Учитывая рыночную стоимость строительных материалов, понадобится вложить около 600-800 долларов США. Кроме того, нужно приобрести качественный компрессор. Замена отопления в счет не берется, так как зависит от конкретных пожеланий. К примеру, один алюминиевый радиатор на 10 секций обойдется в 80-150$.

Но это единоразовые вложения. Затраты на электроэнергию высчитываются в зависимости от мощности компрессора:

• номинальную мощность умножить на время работы;
• номинальная мощность - мощность компрессора;
• время работы - период, который устройство потребляет электроэнергию.

Таким образом, компрессор с мощностью 1 кВт за 12 часов непрерывной работы накрутит 12 кВт электроэнергии.

Ели предположить, что компрессор работает практически постоянно, суточный расход будет порядка 20 кВт. За месяц получится расход в 600 кВт. Если считать по самому высокому тарифу для Москвы, получается 600*4,68=2748 руб. Для сравнения 1 куб. м газа стоит 3,87 руб. При качественно газовом отоплении 600 куб. м. хватит на 2-3 месяца.

Учитывая, что большинство компрессоров имеет мощность более 2 кВт, экономичность отопления ставится под сомнение. Решение проблемы - независимые источники электроэнергии.

Исходя из всего вышесказанного, монтаж теплового насоса остается спорным вопросом. При соблюдении определенных условий, он безусловно окупается, причем достаточно быстро. С другой стороны, качественное исполнение потребует больших финансовых затрат и установки дополнительного оборудования.