Как изготовить тепловой насос для отопления дома своими руками

Как обеспечить отопление частного дома с минимальными затратами в отсутствие магистрального газа? Одним из наиболее эффективных решений является тепловой насос.

Что такое геотермальный насос

Принцип работы теплового насоса

Для начала нужно понять, что такое геотермальный насос, и по какому принципу работает, ведь именно он является сердцем всего описываемого нами устройства.

Ни для кого не секрет, что в толще земли всегда поддерживается плюсовая температура. В таком же состоянии находится и вода подо льдом. В этой, относительно теплой среде, размещается замкнутый трубопровод с жидкостью.

Схема работы у тепловых насосов достаточно проста и основана на обратном принципе Карно:

  1. Теплоноситель, продвигаясь по внешнему контуру, нагревается от выбранного источника и попадает в испаритель.
  2. Там он обменивается энергией с хладагентом (обычно это фреон).
  3. Фреон закипает, переходит в газообразное состояние и сжимается компрессором.
  4. Горячий газ (он нагревается в пределах 35–65oC) поступает в другой теплообменник, в котором отдает свое тепло системе отопления или горячего водоснабжения дома.
  5. Остывший хладагент снова становится жидким и возвращается на новый круг.

Типы тепловых насосов

В зависимости от источников тепла, которые используются во внешнем контуре, различают три основных типа тепловых насосов, которые можно использовать в системе отопления жилого частного дома или коттеджа:

  • тепловой насос грунт-вода (внешний контур использует разницу температур на поверхности и в глубине грунта);
  • тепловой насос вода-вода (внешний контур использует тепло грунтовых вод или на дне водоема);
  • тепловой насос воздух-вода (внешний контур использует тепло воздуха).

Чаще всего используются тепловые насосы типа вода-вода, которые берут тепло у грунтовых вод. Такие устройства обходятся дешевле, если имеется доступ к открытому водоему, чтобы расположить внешний контур насоса в нем. При этом обязательно предварительно нужно уточнить глубину промерзания такого водоема, чтобы внешний контур не оказался вмороженным в лед – в этом случае тепловой насос работать не будет.

Также нередко используется вариант грунт-вода. Их основной недостаток: большая площадь, которую приходится отводить на участке под внешний контур. При вертикальном расположении контура эта площадь значительно сокращается, но существенно удорожаются земляные работы. Так же, как и в случае насосов вода-вода, следует уточнять глубину промерзания – контур должен располагаться ниже, чтобы работа установки была эффективной в любое время года.

Для обеспечения полноценного отопления дома в любое время, в том числе в холодный период, наименее пригодны тепловые насосы типа воздух-вода – в большинстве регионов России они не в состоянии обеспечить зимой достаточное поступление тепловой энергии. Насосы подобного типа могут быть использованы круглый год лишь в тех регионах, где в холодное время года температура не падает ниже нуля.

Следует заметить, что устройства типа воздух-вода сохраняют работоспособность до -25ºС, и при наличии дополнительных отопительных систем (к примеру, твердотопливного котла), могут быть использованы и в холодных районах России. При этом их установка и монтаж обходятся дешевле всего, так как не требуют земляных работ.

Автономность отопительной системы

  1. Лидирует электрическое отопление. И современные электрокотлы, и системы распределенного обогрева (электрические теплые полы, конвекторы, электрорадиаторы и т.д.) способны работать без обслуживания неограниченно долго. Их текущая мощность может гибко подстраиваться под текущую потребность в тепле благодаря работе термостатов;

Электрическое отопление: настроил и забыл

Автономность отопительной системы
  1. Газовые котлы и конвекторы проигрывают электрическому оборудованию по удобству использования весьма незначительно: они требуют отвода продуктов сгорания, что предполагает монтаж вблизи дымохода или внешней стены дома. Кроме того, газовое оборудование с питанием от газгольдера или баллонов нуждается в периодическом пополнении запаса топлива;
  2. Дизельный котел работает автономно вплоть до исчерпания запаса солярки. В его недостатки стоит записать громкий шум горелки, необходимость хранения большого объема дизтоплива и его специфический запах;

Топливные баки в дизельной котельной

  1. Автоматические угольные и пеллетные котлы благодаря подаче сыпучего топлива из бункера обладают автономностью до 7-10 дней;
  2. Твердотопливные котлы верхнего горения снижают планку до 24-36 часов;
  3. Пиролизные котлы с традиционной загрузкой топлива работают на одной его закладке до 12 часов;
  4. Наконец, традиционные твердотопливники нужно растапливать раз в 4-6 часов.
Автономность отопительной системы

Впрочем: периодичность растопок можно заметно увеличить, включив в схему отопления теплоаккумулятор — теплоизолированный водяной бак значительного объема.

Запасенное гидроаккумулятором тепло позволит многократно увеличить периодичность растопок

Итак, электричество с точки зрения удобства использования отопительной системы было бы идеальным, если бы не высокая стоимость киловатт-часа тепла. Можно ли ее снизить?

Автономность отопительной системы

Коэффициент эффективности тепловых насосов

Чуть выше мы использовали новый термин – «коэффициент эффективности». Было бы неправильно не пояснить, что это такое, тем более что это важная характеристика тепловых насосов, позволяющая сравнивать насосы разных типов между собой.

Читайте также:  Гостиная на веранде — закрытой и открытой (30 фото)

Коэффициент эффективности (называемый также коэффициентом трансформации) – это отношение выработанной насосом тепловой энергии к потребленной им электрической. По сути это КПД теплового насоса. В случае водяных теплонасосов этот коэффициент равен 5 вне зависимости от времени года. Это означает, что при потреблении 1 кВт*ч электроэнергии установка вырабатывает 5 кВт*ч тепловой энергии.

У грунтовых насосов величина коэффициента эффективности чуть ниже – от 4 до 4.5. И, наконец, самым маленьким коэффициентом характеризуются воздушные тепловые насосы, при этом их эффективность сильно зависит от температуры окружающего воздуха: при 0°C величина коэффициента равна ~3.5, а при –20°C он уже не превышает 1.5 (при такой низкой эффективности насос попросту не окупится, и имеет смысл подумать о приобретении более дешевого климатического оборудования, например электрического котла).

Некоторые менеджеры, рекламируя реализуемые ими тепловые насосы, уверяют потенциальных клиентов в том, что данное оборудование имеет КПД 400-500%. Разумеется, ни о каком нарушении законов термодинамики речи не идет. Просто в данном случае расчеты намеренно делаются неправильно: не учитываются источники энергии, отличные от потребляемого электричества, – воздух, вода или грунт, нагретые Солнцем и геотермальными процессами. Когда при расчете КПД учитывают только электроэнергию и забывают про источник низкопотенциального тепла, как раз и получается величина больше 100%.

Разновидности приборов

Принцип работы устройства не зависит от того, какой источник энергии и теплоноситель используется. Как заводские, так и самодельные конструкции в качестве источников используют:

  • воздушную среду;
  • землю;
  • воду.

Грунтовые — наиболее сложные в изготовлении, а теплонасосы для жилого дома своими руками воздушного типа собрать проще всего, поскольку они имеют простую конструкцию и легко устанавливаются.

Некоторые насосы используют воду в качестве источника топлива

Сами устройства подразделяются на три категории: вода-вода, воздух-вода и земля-вода. Первое слово обозначает среду, в которой и берется тепло, а второе — тип носителя, которому она передается. Например, если речь идет о носителе вода-вода, то тепло берется в водоеме, а теплоносителем выступает жидкость.

Геотермальная конструкция

Разновидности приборов

Грунтовой термальный насос считается наиболее эффективным и является самым распространенным. Почва на глубине в несколько метров почти не подвергается погодным изменениям и имеет постоянную температуру. На внешнем контуре устройства используется безопасная и экологичная жидкость.

Наружный контур прибора изготавливается на основе пластиковых труб, которые вкапывают в землю по вертикали или горизонтали. При вертикальном способе на один киловатт энергии потребуется обработать площадь не менее 25 квадратных метров. Ее нельзя будет при этом использовать для посадки огородных культур, только для однолетних цветущих растений.

Потребуется пробурить скважину на глубину от 50 до 150 м, в которую будут установлены геотермальные зонды для последующего подключения к насосу. Они будут брать грунтовое тепло, затем оно с водой перенесется в насос, а из него — в отопительную систему.

Если участок большой, то нужно вместо зонда обустроить большой горизонтальный коллектор. Он изготавливается на основе системы труб и размещается на глубине ниже уровня промерзания (от 100 м) и напоминает подземный змеевик. Сначала требуется снять слой земли, уложить туда трубы, потом засыпать назад. Для укладки можно использовать отдельные траншеи.

Система «Вода-вода»

Особенность воды, используемой в качестве источника энергии, в том, что на большой глубине она сохраняет постоянную температуру. В качестве энергоресурса могут использоваться:

  • открытые водоемы (реки, озера, заливы);
  • грунтовые воды (вода из колодца или скважины);
  • сточные воды.

Обустроить насос такого типа выйдет намного проще по сравнению с грунтовым. Трубы для носителя оснащаются грузом и помещаются в воду (если речь идет о водоеме). В случае если она берется из грунта, конструкция потребуется куда сложнее, иногда требуется даже постройка специального колодца для сброса воды, которая будет проходить сквозь тепловой обменник. Сами трубы напоминают крупный змеевик на дне водоема, но лучше размещать их по центру.

Вода на большой глубине сохраняет свою температуру, поэтому её практично использовать в качестве источника

Аппараты воздушного типа и их сборка

Агрегат типа «Воздух-вода» во всех отношениях уступает двух другим, но его собирать проще. При этом он имеет большую универсальность, не нужно ни бурить скважины, ни выкапывать землю. Однако будет нужно поставить специальное оборудование, но специальных навыков это не требует.

Разновидности приборов

Прибор имеет широкую распространенность, но есть и свои минусы. Так, по сравнению с двумя другими, он имеет низкую производительность, а мощность зависит от сезонных условий, она падает в холодное время года.

Читайте также:  Набор для камина (66 фото): набор инструментов Рыцарь для ухода за камином из ковки

По этой причине воздушный насос можно рассматривать преимущественно как вспомогательный, а не основной источник тепловой энергии. Но тепло, покидающее помещение, в нем может быть использована повторно.

Чтобы собрать тепловой насос «Воздух-вода» своими руками, нужно выбрать место на крыше или рядом с домом, там его соединить с отоплением внутри дома. Тепло будет извлекаться с помощью испарителей и вентиляторов.

Алгоритм сборки аппарата такого типа следующий:

К деталям предъявлены и свои требования. Например, компрессор и испаритель должны иметь запас мощности не менее, чем на 20%, поскольку насос может не справляться со своей задачей. Важно правильно выбирать и фреон. Рекомендуемые марки — R-22 и R-422. Соединения должны быть герметичными, а магистрали, по которым он будет проходить, частыми. При заправке изнутри потребуется создание вакуума, а для этого тоже будет нужно специальное оборудование.

Преимущества тепловых насосов

  1. Минимальное загрязнение атмосферы. Также как и солнечные коллектора, тепловые насосы используют возобновляемую природную энергию и тем самым не загрязняют атмосферу вредными выбросами.
  2. Альтернатива газу. Отопление дома тепловым насосом возможно в тех местах, где отсутствует газ. Или стоимость подключения очень высокая. Кроме того, для установки теплового насоса не требуется разрешение (кроме разрешения на бурение скважины).
  3. Дополнительный источник тепла. Применяя тепловой насос для отопления дома в паре с другим (основным) источником тепла, вы снижаете свою зависимость от газа и получаете дополнительный источник тепла для длительных и сильных холодов.
  4. Экономия газа. При правильном расчете, эксплуатации и управлении энергопотреблением здания, тепловой насос обеспечит экономию газа. А если у вас подключен двухтарифный счетчик, то вы сможете уменьшить затраты на отопление тепловым насосом еще на 30-50%.

Разновидности тепловых насосов и систем

Грунтовые тепловые насосы

Количества тепловой энергии, получаемой от грунта, достаточно для разогрева хладогента до уровня, где тот меняет агрегатное состояние, превращаясь в пар. Удобно то, что на глубине уже в несколько метров сезонные температурные колебания не наблюдаются. Это позволяет пользоваться прибором круглый год, и в доме всегда будет горячая вода.

Есть два способ размещения трубопровода в грунте:

  1. Горизонтальный коллектор – это система горизонтально лежащего контура.
  2. Геотермальный зонд – приемники расположены вертикально и связаны между собой.

Геотермальные насосы с горизонтальным коллектором предполагают заглубление на полтора-два метра. Главное пройти отметку уровня промерзания грунта. Для каждого региона она своя. В среднем это 1,2 метра. Если требуется отопить здание, площадью до 100 кв. м., придется выкопать котлован или вырыть сеть траншей, площадью в 2-3 сотки. Это не обязательно делать под самим сооружением. Главное не садить на задействованном участке растения, имеющие корни, уходящие глубоко в землю.

Водяные тепловые насосы

Для использования такого теплового насоса принцип действия взят тот же. Но отличается тип источника.

В данном случае это грунтовые воды. Естественно, глубина их залегания должна быть доступна в регионе. Но если такая возможность есть, система отличается тепловой стабильностью, так как подземные воды имеют постоянную температуру круглый год. Это делает устройство пригодным для применения в течение всех четырех сезонов. Перед монтажом проводят геологическую разведку, чтобы убедиться, что вода течет на глубине 30-40 метров.

Однако требуется и химический анализ. Если в составе мало солей железа и ряда других примесей, можно ставить геотермальный зонд.

В противном случае это нецелесообразно ввиду наличия риска преждевременного выхода из строя и низкой производительности.

В данном случае применяют грунтовый тепловой насос или воздушный. Именно это требование является причиной того, что среди всей массы рабочих ныне установок тепловые насосы водяного типа используются реже – порядка 5% случаев.

Воздушные тепловые насосы

Главное преимущество этого способа организации отопления и подачи горячей воды – отсутствие необходимости вести полномасштабное строительство.

Не нужно бурить скважины для геотермальных зондов. Нет необходимости рыть траншеи, как в случае с грунтовым тепловым насосом. Все узлы размещаются на поверхности. В итоге сметная стоимость значительно ниже. Времени на установку и обустройство затрачивается меньше. Но при всем кажущемся комфорте это устройство далеко не идеально.

Работа будет эффективной при температуре воздуха не ниже — 15°С.

Схематично теплонасос можно представить в виде системы, которая имеет три контура:

  • В первом контуре расположен тепловой носитель, который переносит энергию от источника низкопотенциального тепла.
  • В следующем циркулирует хладагент. Он может испаряться, забирая тепловую энергию из первого контура, или заново конденсироваться, передавая тепло третьему контуру.
  • В последнем контуре циркулирует теплоприемник (обычно вода), который переносит тепло по батареям для отапливания дома.

КПТ и КПД что это значит

Коэффициент преобразования теплоты (КПТ) — важнейший технический параметр любого теплового насоса.

Он указывает на соотношение одного потреблённого компрессором ватта электрической энергии к количеству выработанного тепла. При соотношении один к одному использование оборудования становится нецелесообразным.

Читайте также:  Как хранить дрова красиво и правильно в поленнице?

Значение КПТ колеблется от 2,5 до 7 единиц для разных систем. А уровень снабжения теплом равен 35-60 градусам по Цельсию. При этом экономия более дорогих энергетических ресурсов достигает 75%.

То есть, при значении КПТ 2,5 единицы — на 1 Ватт потребленной электрической энергии вы получите 2,5 Ватта тепловой энергии. При значении КПТ 7 единиц — из 1 Ватта электроэнергии получите 7 Ватт тепла.

КПТ и КПД что это значит

расчёт кпд использует условные значения, так как достаточно сложно определить расход энергии с низким потенциалом, поступающей от альтернативного источника тепла.

Например, если учесть, что потребитель получил 6 киловатт тепловой энергии в час, для определения КПД необходимо потреблённое электричество сложить с энергетическим потенциалом источника (допустим, к 1 кВт прибавить 5 кВт). Затем 6 кВт разделить на полученную сумму — это и будет искомый условный КПД.

Статьи на эту же тематику, которые будут вам интересны:

Статья: Использование солнечной энергии – революция в энергетике! Статья: Самый эффективный тип котлов — пиролизный котел длительного горения Статья:

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Прежде чем приступить к изготовлению теплового насоса, необходимо выбрать источник тепла и решить вопрос со схемой работы установки. Кроме компрессора понадобится и другое оборудование, а также инструменты.

Выполнение схем и чертежей. Чтобы установить тепловой насос, необходимо сделать скважину, потому что источник энергии должен находиться под землей. Глубина скважины должна быть такой, чтобы температура земли составляла не менее 5 градусов. Для этой цели также подойдут любые водоёмы.

Конструкции тепловых насосов похожи, поэтому вне зависимости от того, каким будет источник тепла, можно использовать практически любую схему, найденную в сети. Когда схема будет выбрана, необходимо выполнить чертежи и указать в них размеры и места соединения узлов.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Так как рассчитать мощность установки достаточно трудно, можно воспользоваться средними значениями. Например, для жилого помещения, имеющего низкие теплопотери, потребуется отопительная система с мощностью 25 Вт на кв. метр. Для здания, которое хорошо утеплено, это значение составит 45 Вт на кв. метр. Если у дома, достаточно высокие теплопотери, мощность установки должна быть не менее 70 Вт на кв. метр.

Выбор нужных деталей. Если компрессор, снятый с холодильника, поломан, то предпочтительнее приобрести новый. Не рекомендуется производить ремонт старого компрессора, ведь в будущем это может негативно повлиять на работу теплового насоса.

Для изготовления прибора также будут необходимы терморегулирующий клапан и 30-сантиметровые L-образные кронштейны.

Дополнительно потребуется приобрести следующие детали:

  • герметичная тара из нержавейки объёмом 120 литров;
  • емкость из пластика объёмом 90 литров;
  • три трубы из меди разного диаметра;
  • трубы из металлопластика.
Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Для работы с металлическими деталями понадобятся сварочный аппарат и болгарка.

Сборка узлов и установка теплового насоса

В первую очередь следует установить на стену компрессор, используя кронштейны. Следующий шаг – работа с конденсатором. Бак из нержавейки нужно разделить на две части при помощи болгарки. В одну из половин монтируется медный змеевик, затем емкость необходимо заварить и сделать в ней резьбовые отверстия.

Чтобы изготовить теплообменник, нужно намотать на емкость из нержавейки медную трубу и закрепить концы витков рейками. Присоединить к выводам сантехнические переходы.

К баку из пластика также необходимо прикрепить змеевик – он будет выполнять роль испарителя. Затем закрепить его на участке стены при помощи кронштейнов.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Как только работа с узлами будет окончена, нужно подобрать терморегулирующий клапан. Конструкцию следует собрать и заправить систему фреоном (для этой цели подойдет марка R-22 или R-422).

Подсоединение к заборному устройству. Вид устройства и нюансы подсоединения к нему будут зависеть от схемы:

  • «Вода-земля». Следует установить коллектор ниже линии промерзания земли. Необходимо, чтобы трубы находились на таком же уровне.
  • «Вода-воздух». Такую систему устанавливать легче, так как нет необходимости в бурении скважин. Коллектор монтируется в любом месте около дома.
  • «Вода-вода». Коллектор изготавливается из металлопластиковых труб, а после помещается в водоём.

Также можно установить для обогрева дома комбинированную отопительную систему. В такой системе тепловой насос работает одновременно с электрическим котлом и используется как дополнительный источник отопления.

Как сделать тепловой насос своими руками из старого холодильника

Тепловой насос для обогрева дома вполне можно собрать самостоятельно. В отличие от покупки готовой установки, это не потребует больших финансовых затрат, а результат обязательно порадует.

Делаем геотермальную установку

Если предыдущий вариант позволит добиться примерно двойной экономии, то даже самодельный земляной контур даст COP в районе 3 (три киловатта тепла на 1 кВт израсходованного электричества). Правда, финансовые и трудовые затраты тоже существенно увеличатся.

Хотя в интернете опубликована масса примеров сборки подобных аппаратов, универсальной инструкции с чертежами не существует. Мы предложим рабочий вариант, собранный и проверенный реальным домашним мастером, хотя многие вещи придется додумывать и доделывать самостоятельно – всю информацию о тепловых насосах сложно поместить в одной публикации.