Тепловой насос вода воздух как кондиционер

Обновлено: 08.05.2024

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

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.

Важно. 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.

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

Сайт RMNT продолжает тему альтернативных систем отопления частных домов. В этой статье поговорим об особенностях и принципах работы тепловых насосов воздух-вода. Выясним, какими преимуществами и недостатками обладают такие системы отопления.

Принцип работы такого теплового насоса похож на систему воздух-воздух. Снаружи это тоже блок, который похож на кондиционер, но обычно больше по размеру, мощнее. Но внутри дома нагревает он не воздух в помещении, а теплоноситель, то есть воду. В данном случае внутри дома нельзя просто повесить блок-конденсатор. Необходимо подключать тепловой насос к системе труб и радиаторов, в которых находится тепловой носитель.

Действует тепловой насос воздух-вода так:

Вентилятор забирает уличный воздух в систему.
Воздух контактирует с испарителем, теплообменником, хладагент нагревается и превращается в газ.
Нагревшийся хладагент идёт в компрессор, где сжимается с одновременным повышением температуры.
После нагретое вещество под давлением поступает во внутренний конденсатор, там отдаёт тепло воде, охлаждается и снова становится жидким.
Благодаря расширительному вентилю давление снижается, хладагент вновь поступает в испаритель-теплообменник. Цикл повторяется.

Схема работы теплового насоса воздух-вода

Особенности работы тепловых насосов воздух-вода дают им следующие преимущества:

Но без недостатков тепловой насос воздух-вода тоже не обошёлся:

Нестабильный СОР, то есть коэффициент энергоэффективности. Если температура на улице падает, снижается и эффективность теплового насоса. Как и в случае с системой воздух-воздух.
Наружный блок требует установки в месте, защищённом от сильного ветра. Кроме того, при разморозке теплообменника с него будет стекать влага, которая может повредить отмостку вокруг дома. Лучше сделать утеплённый дренаж.
Разморозка теплообменника происходит по мере необходимости, непрогнозированно для владельцев. И в это время тепловой насос на отопление не работает.
Чаще всего первым из строя выходит компрессор, на которые приходятся самые сильные нагрузки. Да, его можно заменить, но это дополнительные расходы. В целом, система воздух-вода работает на 20% меньше, чем геотермальный тепловой насос.
На кондиционирование воздуха будет уходить много электричества.

И, самое важное, в условиях центральных, а тем более северных регионов России, тепловой насос воздух-вода не сможет служить единственным источником тепла.

Стоимость тепловых насосов воздух-вода очень разная, в зависимости от мощности, других характеристик, производителя. Варьируется цена от 120 до 550 тысяч рублей. Когда такие затраты окупятся, учитывая постоянные расходы на электроэнергию — подсчитать сложно. Несмотря на неоспоримые преимущества, тепловые насосы такого типа пока не могут считаться полноценной и единственной системой отопления дома в достаточно суровом климате.

Как работает данная система?

Окружающий нас мир полон энергии, нужно только собрать ее и правильно использовать. Для этого и предназначены тепловые насосы воздух вода. С их помощью можно собрать низкопотенциальную энергию из окружающей среды и преобразовать ее в высокопотенциальное тепло, способное обогреть жилище весьма эффективно. Специалисты называют этот процесс обратным принципом Карно, на основе которого работают холодильные установки.

Внешний блок теплового насоса воздух-вода размещают на участке, выбирая для этого недалеко от дома место с хорошей циркуляцией воздуха

Преимущества и недостатки такого отопления

Современный тепловой насос типа воздух вода эффективен и позволяет заметно сэкономить на отоплении, поскольку:

воздух можно назвать самым доступным и дешевым возобновляемым ресурсом;
стоимость монтажа такого агрегата обойдется дешевле, чем установка других видов теплового насоса (грунт-вода, вода-вода и т. п.), а весь процесс осуществляется проще и быстрее ;
обогрев можно осуществлять даже при отрицательной температуре наружного воздуха;
устройство работает почти бесшумно;
обеспечивается эффективный воздухообмен внутри помещения;
управление установкой можно осуществлять в автоматическом режиме.

Действительно, при сооружении воздушного теплового насоса не нужно бурить скважины или проводить масштабную выемку грунта, не нужно сооружать теплообменник для наружного контура и т. д. Понадобятся два небольших канала, по которым воздух будет забираться, а затем возвращаться наружу. Для этого в земле укладывают два небольших утепленных трубопровода. Существуют и модели, не нуждающиеся в таких трубопроводах.

Недостатков у этой конструкции немного, однако их следует учитывать. Хотя и считается, что воздушный теплонасос может эффективно работать круглый год, все же лучше использовать его в местности с мягкой и теплой зимой. Не рекомендуется включать такой тепловой насос при температуре ниже -7 градусов. При этом КПД системы в зимнее время будет ниже, чем весной или осенью. Хотя производители утверждают, что промышленные модели тепловых насосов этого типа могут вполне успешно работать и при -25 по Цельсию. В местности с суровым климатом самым выгодным вариантом может оказаться сочетание теплового насоса и традиционного отопительного котла, который включается только при наступлении сильных холодов.

Разумеется, для работы любого теплового насоса необходима электроэнергия. На каждый затраченный киловатт электроэнергии устройство позволяет получить 3-4 кВт природной энергии. Поэтому в конечном счете использование теплового насоса для отопления экономически выгодно по сравнению с затратами на обогрев газом, дизельным, твердым топливом или на отопление с помощью электрического котла. Однако забывать о зависимости системы от наличия электроэнергии не стоит.

Алгоритм сборки самодельного агрегата

Почти все элементы воздушного теплового насоса можно изготовить самостоятельно. Компрессор рекомендуется снять с обычной сплит-системы. Как правило, такой прибор имеет подходящие характеристики и работает достаточно бесшумно. Помимо компрессора понадобится ряд материалов:

металлический бак из нержавейки, объемом 100 л или более;
пластиковая бочка с широкой горловиной;
трубы из меди различного диаметра (толщина стенок трубы — не менее 1 мм);
набор муфт и переходников;
электроды;
сливной кран;
отвоздушиватель ДУ-15;
предохранительный клапан;
манометры;
устройства для автоматического управления;
кронштейны для крепления элементов системы;
фреон и др.

Обратите внимание! При включении компрессора потребуется достаточно большой ток, поэтому рекомендованная расчетная нагрузка электросчетчика в доме должна быть не менее 40А.

Чтобы сделать воздушный тепловой насос, необходимо:

Запастись подходящим компрессором и кронштейнами для его монтажа на стену. Чтобы сделать тепловой насос мощностью 9кВт, понадобится компрессор на 7,2 кВт.
Изготовить из медной трубки змеевик, равномерно намотав трубу вокруг баллона нужного диаметра.
Для изготовления конденсатора разрезать пополам стальной бак на 100 литров, вставить внутрь медный змеевик.
Заварить бак и установить резьбовые соединения. Для установки готового конденсатора также понадобятся кронштейны.
Разрезать пластиковую бочку, чтобы сделать испаритель.
Вставить в испаритель медный змеевик из трубы на ¾ дюйма.
Для монтажа испарителя на стену нужен еще один набор L-образных кронштейнов.
Соединить элементы в общую систему.
Пригласить мастера по холодильному оборудованию, который проверит качество сборки и закачает в систему хладагент.

После этого необходимо обеспечить забор наружного воздуха и его сброс для контакта с испарителем, а также подключить устройство к системе отопления дома.

Основные принципы работы воздушного теплового насоса представлены в видеоматериале на примере промышленной модели:

Обратите внимание, что если принято решение использовать тепловой насос параллельно с отопительным котлом, рекомендуется при подключении использовать байпас.

Несколько слов о расчетах мощности

Специалисты для подробных расчетов мощности теплового насоса используют специальные программы, которые позволяют определить и другие параметры, например, площадь медного змеевика и т. п. Народные умельцы поступают проще — используют он-лайн калькуляторы, которые установлены на некоторых профильных сайтах. В специальные поля следует ввести данные о:

регионе, в котором находится помещение;
общей площади частного дома;
высоте потолков в комнатах;
степени утепления здания.

На основании этих данных программа выдаст расчетную мощность теплового насоса. Разумеется, чем лучше утеплено здание, тем меньше тепла понадобится для его обогрева, поэтому решить проблему теплоизоляции рекомендуется еще до начала монтажа. Для вас же мы приводим ориентировочные данные для общего ознакомления.

Ориентировочная зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома с хорошими теплоизоляционными свойствами

Площадь, м. кв.	100	150	200	250	300	350
Мощность ТН кВт.	5,0	8,0	12,0	16,0	21,0	28,0

Технология правильного обслуживания

Работа тепловых насосов регулируется автоматически, поэтому никакого особого ежедневного ухода эта система не требует. Все же рекомендуется периодически, хотя бы раз в год, осматривать все элементы системы, чтобы выявить возможные неполадки и предотвратить их. Владельцу теплового насоса следует:

Проверять состояние всех имеющихся фильтров и прочищать их.
Контролировать температуру масла в компрессоре (оно должно быть теплым).
Удалять мусор, попавший в наружный теплообменник.
Удалять пыль и грязь с температурных датчиков.
Проверять состояние проводки и линии подключения.
Осматривать шланги, трубы и места их соединений, выявляя протечки.
При необходимости смазывать соответствующие точки двигателя и вентилятора.

Обычно компрессор снабжен системой подогрева масла. Перед запуском насоса следует на несколько часов оставить его включенным, чтобы масло успело прогреться. Без этой предосторожности оборудование может очень быстро выйти из строя.

Воздушные тепловые насосы дешевле геотермальных и водяных как в плане оборудования, так и монтажа. В основном их используют для горячего водоснабжения, но насколько целесообразно использовать его для обогрева дома?

Принцип работы

Внутреннее устройство теплового насоса воздух-вода схематически

В тепловом насосе используется замкнутый цикл, он потребляет только электроэнергию. Его КПД измеряется как отношение затраченной электрической энергии к полученной тепловой. Эффективность тепловых насосов также измеряется в COP (Coefficient of performance). COP 2 соответствует КПД 200% и значит, что на 1 кВт электричества он даст 2 кВт тепла.

Цикл работы теплового насоса

Переносчик тепла в тепловом насосе – фреон. Полный цикл работы выглядит следующим образом (для примера приведем гипотетические значения):

Мощность и эффективность

Если у геотермальных и водяных тепловых насосов КПД практически не зависит от времени года, то с воздушными дело обстоит иначе. Производительность напрямую зависит от температуры воздуха на улице, чем он холоднее, тем ниже COP (КПД).

Многие считают, что от мощности теплового насоса зависит, сколько тепла он сможет произвести, но это не так. Она характеризует потребление энергии, а количество полученного тепла зависит от КПД. Соответственно – от температуры воздуха снаружи дома.

Плюсы и минусы

Хорошо:

Тепловой насос воздух-вода дешевле, чем грунт-вода и вода-вода;
Для установки не нужно прокладывать трубы с хладагентом;
Простота установки.

Плохо:

Низкая производительность при низких температурах;
Модели, работающие при очень низких температурах – довольно дорогие.

Особенности использования теплового насоса воздух-вода для отопления дома

Ни один продавец не скажет вам о зависимости износа оборудования от КПД. А она есть! Покажем наглядно:

Например, при 0 градусов КПД воздушного теплового насоса составляет 300%, а при -5 – 200%. То есть, чтобы получить 10 кВт тепла, в первом случае он потребит 3,33 кВт электроэнергии, а во втором – 5 кВт. Сам тепловой насос совершит в полтора раза больше работы при температуре -5, чем при 0 градусов.

Совершаемая работа – это износ всех агрегатов теплового насоса, в особенности компрессора. Как видим, от температуры воздуха зависит не только потребление, но и срок службы теплового насоса.

Целесообразность

Чтобы эффективно использовать тепловой насос воздух-вода, нужно правильно подобрать мощность. Мы не рекомендуем использовать его при температуре, когда КПД ниже 150%, чтобы не перегружать оборудование.

Подсчитайте срок окупаемости теплового насоса, и стоимость капитального ремонта – они должны быть выше, чем цена тепла, которое можно получить из других источников. В противном случае ставить тепловой насос воздух-вода для отопления дома не имеет смысла.

Альтернативный вариант

Можно использовать тепловой насос как источник тепла в осенне-весенний период, а зимой – включать отопление от электричества, газового или твердотопливного котла. Так можно существенно снизить расходы на обогрев здания.

Газовый котел, спаренный с тепловым насосом

Единственный минус – придется потратиться на покупку дополнительных обогревательных приборов. Но если считать все в долгосрочной перспективе, такой вариант более выгодный.

Не забывайте – в комментариях вы можете оставить свое мнение, задать вопрос или дать совет. Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Читайте также: