Как да направите термопомпа за отопление на дома със собствени ръце: принцип на работа и схеми за сглобяване

Първите варианти на топлинните помпи можеха само частично да задоволят нуждите от топлинна енергия. Съвременните разновидности са по-ефективни и могат да се използват за отоплителни системи. Именно затова много собственици на къщи се опитват да монтират топлинна помпа сами.

Ще ви разкажем как да изберете оптималния вариант на топлинна помпа, като се вземат предвид гео-данните на парцела, на който се планира да се монтира. В статията, предложена за разглеждане, е описано подробно принципът на действие на системите за използване на “зелена енергия”, изброени са разликите. С нашите съвети вие, без съмнение, ще изберете ефективен тип.

За самостоятелни майстори предоставяме технологията за сглобяване на топлинна помпа. Предоставената за разглеждане информация се допълва от илюстративни схеми, подборки от снимки и подробен видео-инструктаж в две части.

Какво представлява топлинната помпа и как работи?

Под термина топлинна помпа се разбира набор от определено оборудване. Основната функция на това оборудване е събирането на топлинна енергия и транспортирането ѝ до потребителя. Източник на такава енергия може да бъде всяко тяло или среда, които имат температура от +1º и повече градуса.

В околната ни среда има повече от достатъчно източници на нискотемпературна топлина. Това са промишлени отпадъци от предприятия, топлинни и атомни електрически централи, канализационни води и др. За работата на топлинните помпи в сферата на отоплението на дома са необходими три самостоятелно възстановяващи се природни източника – въздух, вода, земя.

Топлинните помпи “черпят” енергия от процеси, редовно протичащи в околната среда. Течението на процесите никога не спира, поради което източниците се считат за неизчершаеми по човешки критерии.

Трите изброени потенциялни доставчици на енергия са пряко свързани с енергията на слънцето, което чрез нагряване привежда въздуха с вятъра в движение и предава топлинна енергия на земята. Именно изборът на източника е основният критерий, съгласно който се класифицират топлинните помпени системи.

Принципът на действие на топлинните помпи се базира на способността на телата или средите да предават топлинна енергия на друго тяло или среда. Получателите и доставчиците на енергия в топлинните помпени системи работят обикновено по двойки.

Така се различават следните видове топлинни помпи:

• Въздух – вода.
• Земя – вода.
• Вода – въздух.
• Вода – вода.
• Земя – въздух.
• Вода – вода.
• Въздух – въздух.

При това първата дума определя вида на средата, от която системата извлича нискотемпературна топлина. Втората указва вида на носителя, на който се предава тази топлинна енергия. Така, в термопомпите вода – вода, топлината се извлича от водна среда и като топлоносител се използва течност.

Термопомпите по конструктивен тип са парокомпресионни инсталации. Те извличат топлина от природни източници, обработват и транспортират я до потребителите (+)

Съвременните термопомпи използват три основни източника на топлинна енергия. Това са – почва, вода и въздушна среда. Най-простият от тези варианти е въздушна термопомпа. Популярността на такива системи е свързана с тяхната доста проста конструкция и лесен монтаж.

Въпреки тази популярност обаче, тези разновидности имат доста ниска производителност. Освен това КПД е нестабилен и зависим от сезонните колебания на температурния режим.

С понижаването на температурата тяхната производителност значително спада. Такива варианти на термопомпи могат да се разглеждат като допълнение към съществуващия основен източник на топлинна енергия.

Вариантите на оборудване, използващо топлината на почвата, се смятат за по-ефективни. Почвата получава и акумулира топлинна енергия не само от Слънцето, тя постоянно се подгрява за сметка на енергията на земното ядро.

Тоест почвата е своеобразен топлинен акумулатор, чиято мощност е практически неограничена. Освен това температурата на почвата, особено на известна дълбочина, е постоянна и варира в незначителни граници.

Сфера на приложение на енергията, произвеждана от термопомпи:

Постоянството на температурата на източника е важен фактор за стабилната и ефективна работа на този вид енергийно оборудване. Аналогични характеристики притежават системите, в които водната среда е основен източник на топлинна енергия. Колекторът на такива помпи се разполага или в сондаж, където попада във водоносен слой, или във водоем.

Средногодишната температура на такива източници като почва и вода варира от +7º до +12º C. Такава температура е напълно достатъчна, за да осигури ефективната работа на системата.

За най-ефективни се смятат термопомпите, които извличат топлинна енергия от източници със стабилни температурни показатели, т.е. от вода и почва.

Основни конструктивни елементи на топлинните помпи

За да може инсталацията за получаване на енергия да работи според принципите на работа на термопомпата, в нейната конструкция трябва да присъстват 4 основни агрегата, а именно:

• Компресор.
• Изпарител.
• Кондензатор.
• Дроселен клапан.

Важен елемент от конструкцията на термопомпата е компресорът. Неговата основна функция – повишаване на налягането и температурата на парите, образуващи се в резултат на кипене на хладилния агент. За климатична техника и термопомпи в частност се използват модерни спирални компресори.

Като работно тяло, осъществяващо непосредствен пренос на топлинна енергия, се използват течности с ниска температура на кипене. Като правило, се използват амоняк и фреони (+)

Такива компресори са предназначени за работа при отрицателни температури. За разлика от други разновидности, спиралните компресори произвеждат малко шум и работят както при ниски температури на кипене на газа, така и при високи температури на кондензация. Безспорно предимство са техните компактни размери и малкото им специфично тегло.

Практически цялата енергия на термопомпата се изразходва за транспортиране на топлинна енергия отвън навътре в помещението. Така за работата на системите отиват около 1 енергийна единица при производство на 4 – 6 единици (+)

Изпарителят като конструктивен елемент представлява съд, в който се извършва превръщането в пара на течния хладилен агент. Хладилният агент, циркулирайки по затворен контур, преминава през изпарителя. В него хладилният агент се нагрява и се превръща в пара. Образуващата се пара под ниско налягане се насочва към компресора.

В компресора парите на хладилния агент се подлагат на действието на налягането и тяхната температура се повишава. Компресорът изпомпва под високо налягане нагрятата пара към кондензатора.

Компресорът компресира циркулиращата по контура среда, в резултат на което се увеличават нейната температура и налягане. След това компресираната среда постъпва в топлообменника (кондензатора), където се охлажда, предавайки топлина на вода или на въздух.

Следващият конструктивен елемент на системата – кондензаторът. Неговата функция се свежда до отдаване на топлинна енергия на вътрешния контур на отоплителната система.

Серийните образци, изработвани от промишлени предприятия, се оборудват с пластинчати топлообменници. Основният материал за такива кондензатори е легирана стомана или мед.

За самостоятелно изработване на топлообменника ще подойде медна тръба с диаметър половин инч. Дебелината на стените на тръбите, използвани за изработване на топлообменника, трябва да бъде не по-малко от 1 мм.

Терморегулиращият, или иначе дроселен, клапан се инсталира в началото на тази част от хидравличния контур, където циркулиращата среда с високо налягане се преобразува в среда с ниско налягане. По-точно, дроселът заедно с компресора делят контура на термопомпата на две части: една с високи параметри на налягане, другата – с ниски.

При преминаване през разширителния дроселен вентил, циркулиращата по затворен контур течност частично се изпарява, вследствие на което налягането заедно с температурата падат. След това тя постъпва в топлообменника, който е свързан с околната среда. Там улавя енергията на средата и я пренася обратно в системата.

С помощта на дроселния клапан се регулира потокът на хладилния агент към изпарителя. При избора на клапан трябва да се вземат предвид параметрите на системата. Клапанът трябва да отговаря на тези параметри.

При преминаване през терморегулиращия клапан течният топлоносител частично се изпарява, а температурата на потока се понижава (+)

Избор на тип топлинна помпа

Основният показател на тази отоплителна система е мощността. От мощността на първо място ще зависят и финансовите разходи за закупуване на оборудването и изборът на един или друг източник на нискотемпературна топлина. Колкото по-висока е мощността на термопомпената система, толкова по-голяма е цената на компонентите.

На първо място се има предвид мощността на компресора, дълбочината на сондажите за геотермални сонди, или площта за разполагане на хоризонтален колектор. Правилните термодинамични изчисления са своеобразна гаранция, че системата ще работи ефективно.

При наличие на воден обект в близост до личния ви парцел, най-рентабилният и производителен избор ще бъде термопомпа вода-вода

Като начало трябва да се проучи парцелът, който се планира за монтаж на помпата. Идеалното условие ще бъде наличието на воден обект на този парцел. Използването на вариант от типа вода-вода значително ще намали обема на земните работи.

Използването на земната топлина от друга страна предполага голямо количество работи, свързани с изкопаване на почвата. Системите, които използват водна среда като нископотенциална топлина, се считат за най-ефективни.

Устройството на термопомпа, която извлича топлинна енергия от почвата, предполага извършване на значително количество земни работи. Колекторът се полага под нивото на сезонно замръзване.

Използването на топлинната енергия на почвата може да стане по два начина. Първият предполага пробиване на сондажи с диаметър 100-168 мм. Дълбочината на такива сондажи, в зависимост от параметрите на системата, може да достигне 100 м и повече.

В тези сондажи се поставят специални сонди. При втория начин се използва колектор от тръби. Такъв колектор се разполага под земята в хоризонтална равнина. За този вариант е необходима доста голяма площ.

За полагане на колектора за идеални се считат парцели с влажна почва. Естествено, пробиването на сондажи ще струва повече, отколкото хоризонталното разположение на колектора. Но не на всеки парцел има свободни площи. За един kW мощност на термопомпа са необходими от 30 до 50 m² площ.

Изграждането за добив на топлинна енергия с един дълбок сондаж може да се окаже малко по-евтино от изкопаването на котлован. Но съществен плюс е значителното спестяване на място, което е важно за собствениците на малки парцели

В случай че на парцела има високо разположен хоризонт на подземни води, топлообменниците могат да се поставят в два сондажа, разположени на разстояние около 15 м един от друг.

Добивът на топлинна енергия в такива системи става чрез изпомпване на подземна вода по затворен контур, чиито части са разположени в сондажите. Такава система се нуждае от инсталиране на филтър и периодично почистване на топлообменника.

Най-простата и най-евтина схема на термопомпа се основава на извличане на топлинна енергия от въздуха. Някога тя стана основа за устройството на хладилници, а по-късно според нейните принципи бяха разработени климатици.

Най-простата термопомпена система получава енергия от въздушната маса. През лятото тя участва в отоплението, а през зимата в климатизацията. Минусът на системата е, че при самостоятелно изпълнение агрегатът е с недостатъчна мощност

Ефективността на различните типове от това оборудване не е еднаква. Най-ниски показатели имат помпите, които използват въздушната среда. Освен това тези показатели пряко зависят от метеорологичните условия.

Грунтовите разновидности на термопомпите имат стабилни показатели. Коефициентът на ефективност на тези системи варира в границите 2,8 – 3,3. Най-висока ефективност имат системите вода-вода. Това е свързано, на първо място, със стабилността на температурата на източника.

Трябва да се отбележи, че колкото по-дълбоко е разположен колекторът на помпата във водоема, толкова по-стабилна ще бъде температурата. За получаване на мощност на системата от 10 kW са необходими около 300 метра тръбопровод.

Основният параметър, характеризиращ ефективността на работа на термопомпата, се счита нейният коефициент на преобразуване. Колкото по-висок е коефициентът на преобразуване, толкова по-ефективна се счита термопомпата.

Коефициентът на преобразуване на термопомпата се изразява чрез отношението на показателите на топлинния поток и електрическата мощност, изразходвана за работата на компресора

Сглобяване на топлинна помпа със собствени сили

Познавайки схемата на действие и устройството на термопомпата, е напълно възможно да се сглоби и монтира самостоятелно система за алтернативно отопление. Преди започване на работата е необходимо да се изчислят всички основни параметри на бъдещата система. За изчисляване на параметрите на бъдещата помпа може да се използва софтуер, предназначен за оптимизиране на охладителни системи.

Най-простият вариант за изграждане е системата въздух-вода. Тя не изисква сложни работи по устройството на външния контур, който е присъщ на водните и земните разновидности на термопомпите. За монтажа ще са необходими само два канала, от единия от които ще се подава въздух, а от втория ще се отвежда отработената маса.

Най-лесно е да си направите термопомпа със забор на топлина от въздушната маса. Монтираният на открито вентилатор нагнетява въздух към изпарителя.

Освен вентилатора е необходимо да се снабдите с компресор с необходимата мощност. За такъв агрегат напълно ще подхожда компресор, с който са оборудвани обикновените сплит-системи. Не е задължително да купувате нов агрегат.

Може да го свалите от старо оборудване или да използвате компоненти от стар хладилник. Препоръчително е да се прилага спиралният вариант. Тези варианти на компресори, освен че притежават достатъчна ефективност, създават високо налягане, което осигурява повишаване на температурата.

За устройството на кондензатора ще са необходими съд и медна тръба. От тръбата се прави серпентина. За нейното изработване се използва всяко цилиндрично тяло с необходимия диаметър. Навивайки върху него медна тръба, може лесно и бързо да се изработи този елемент от конструкцията.

Готовата серпентина се монтира в предварително разрязан наполовина съд. За изработването на съда е по-добре да се използват материали, устойчиви на корозионни процеси. След поставянето на серпентината в него, половинките на резервоара се заваряват.

Площта на серпентината се изчислява по следната формула:

МТ/0,8 РТ,

където:

• МТ – мощност на топлинната енергия, която системата доставя.
• 0,8 – коефициент на топлопроводност при взаимодействието на водата с материала на серпентината.
• РТ – разлика в температурите на водата на входа и на изхода.

При избора на медна тръба за самостоятелно изработване на серпентина, трябва да се обърне внимание на дебелината на стените. Тя трябва да бъде не по-малко от 1 мм. В противен случай при навиването тръбата ще се деформира. Тръбата, по която се осъществява входът на хладилния агент, се разполага в горната част на съда.

Топлообменникът от медна тръба се изработва чрез навиване на медна тръба около предмет с цилиндрична форма. Колкото по-голяма е площта на повърхността на серпентината, толкова по-висока е производителността на помпата.

Изпарителят на термопомпата може да се изпълни в два варианта – под формата на съд с намираща се в него серпентина и под формата на тръба в тръба. Тъй като температурата на течността в изпарителя е ниска, съдът може да се изработи от пластмасова бъчва. В този съд се поставя контур, който се изработва от медна тръба.

За разлика от кондензатора, спиралата на серпентината на изпарителя трябва да съответства на диаметъра и височината на избрания резервоар. Вторият вариант на изпарителя: тръба в тръба. В този вариант тръбата с хладагент се поставя в пластмасова тръба с по-голям диаметър, по която циркулира вода.

Дължината на такава тръба зависи от планираната мощност на помпата. Тя може да бъде от 25 до 40 метра. Такава тръба се навива в спирала.

Терморегулиращият клапан принадлежи към спирателно-регулиращата тръбопроводна арматура. Като спирателен елемент в ТРВ се използва игла. Положението на спирателния елемент на клапана се обуславя от температурата в изпарителя.

Този важен елемент на системата има доста сложна конструкция. В състава ѝ влизат:

• Термоелемент.
• Диафрагма.
• Капилярна тръба.
• Термобалон.

Тези елементи могат да станат негодни при висока температура. Затова по време на запояване на системата клапанът трябва да се изолира с помощта на азбестова тъкан. Регулиращият клапан трябва да съответства на производителността на изпарителя.

След извършване на работите по изработване на основните конструкционни части настъпва отговорният момент на сглобяване на цялата конструкция в един блок. Най-отговорният етап е процесът на зареждане на хладагент или топлоносител в системата.

Самостоятелното извършване на подобна операция едва ли е по силите на обикновения човек. Тук ще трябва да се обърнете към професионалисти, които се занимават с ремонт и обслужване на климатично оборудване.

Работниците в тази сфера, като правило, разполагат с необходимото оборудване. Освен зареждането на хладагент те могат да тестват работата на системата. Самостоятелното зареждане на хладагент може да доведе не само до повреда на конструкцията, но и до тежки наранявания. Освен това за пускане на системата също е необходимо специално оборудване.

При пускане на системата възниква пиково пусково натоварване, което като правило е около 40 А. Затова пускането на системата без пусково реле е невъзможно. След първото пускане е необходима регулировка на клапана и налягането на хладагента.

Към избора на хладагент трябва да се подходи с цялата сериозност. Всъщност именно това вещество по същество се счита за основния “преносач” на полезна топлинна енергия. От съществуващите съвременни хладагенти най-голяма популярност имат фреоните. Това са производни на въглеводородни съединения, в които част от атомите на въглерода се заменят с други елементи.

В резултат на сглобяването на отделните елементи на топлинния насос трябва да се получи затворен контур, по който циркулира работна среда

В резултат на извършване на тези работи се получи система със затворен контур. В него ще циркулира хладагент, осигурявайки отбор и пренос на топлинна енергия от изпарителя към кондензатора. При свързване на топлинни помпи към системата за топлоснабдяване на къщата трябва да се има предвид, че температурата на водата на изхода от кондензатора не надвишава 50 – 60 градуса.

Поради ниската температура на топлинната енергия, произвеждана от термопомпата, като потребител на топлина трябва да се избират специализирани отоплителни уреди. Това може да бъде топъл под или обемни нискоинерционни радиатори от алуминий или стомана с голяма излъчваща повърхност.

Най-уместно е самоделните варианти на термопомпи да се разглеждат като спомагателно оборудване, което поддържа и допълва работата на основния източник.

Всяка година конструкциите на термопомпите се усъвършенстват. В промишлените модели, предназначени за битова употреба, се използват по-ефективни топлопредаващи повърхности. В резултат на това производителността на системите непрекъснато расте.

Екологичният аспект е немаловажен фактор, който стимулира развитието на подобна технология за производство на топлинна енергия. Подобни системи, освен че са доста ефективни, не замърсяват околната среда. Липсата на открит пламък прави работата им напълно безопасна.

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Как да направите най-простата самоделна термопомпа с топлообменник от РЕХ тръба:

Видео #2. Продължение на инструктажа:

Термопомпите от доста отдавна се използват като алтернативни отоплителни системи. Тези системи са надеждни, с дълъг срок на експлоатация и, което е немаловажно, безвредни за околната среда. Те започват сериозно да се разглеждат като поредна стъпка по пътя на развитието на ефективни и безопасни отоплителни системи.

Искате ли да зададете въпрос или да разкажете за интересен начин за изграждане на термопомпа, който не е споменат в статията? Моля, пишете коментарите си в разположения по-долу блок.