Jak zrobić pompę ciepła do ogrzewania domu własnymi rękami: zasada działania i schematy montażu

Pierwsze wersje pomp ciepła mogły jedynie częściowo zaspokajać zapotrzebowanie na energię cieplną.Nowoczesne odmiany są bardziej wydajne i można je stosować w systemach grzewczych. Dlatego wielu właścicieli domów próbuje zainstalować pompę ciepła własnymi rękami.

Powiemy Ci, jak wybrać najlepszą opcję dla pompy ciepła, biorąc pod uwagę geodane obszaru, na którym planuje się ją zainstalować. Proponowany do rozpatrzenia artykuł szczegółowo opisuje zasadę działania systemów „zielonej energii” oraz wymienia różnice. Dzięki naszym radom niewątpliwie zdecydujesz się na skuteczny typ.

Dla niezależnych rzemieślników przedstawiamy technologię montażu pompy ciepła. Informacje prezentowane do rozważenia uzupełniają diagramy wizualne, wybrane zdjęcia i szczegółowa instrukcja wideo podzielona na dwie części.

Co to jest pompa ciepła i jak działa?

Termin pompa ciepła odnosi się do zestawu określonego sprzętu. Główną funkcją tego urządzenia jest gromadzenie energii cieplnej i transportowanie jej do konsumenta. Źródłem takiej energii może być dowolne ciało lub środowisko o temperaturze +1° lub więcej stopni.

W naszym otoczeniu jest więcej niż wystarczająca ilość źródeł niskotemperaturowego ciepła. Są to odpady przemysłowe z przedsiębiorstw, elektrowni cieplnych i jądrowych, ścieki itp. Do pracy pomp ciepła w ogrzewaniu domów potrzebne są trzy samoregenerujące się źródła naturalne - powietrze, woda i ziemia.

Pompy ciepła czerpią energię z procesów regularnie zachodzących w otoczeniu.Przepływ procesów nigdy się nie kończy, gdyż według ludzkich kryteriów źródła uznawane są za niewyczerpane

Trzej wymienieni potencjalni dostawcy energii są bezpośrednio związani z energią słońca, które poprzez ogrzewanie porusza powietrze wraz z wiatrem i przekazuje energię cieplną ziemi. To właśnie wybór źródła jest głównym kryterium klasyfikacji systemów pomp ciepła.

Zasada działania pomp ciepła opiera się na zdolności ciał lub mediów do przekazywania energii cieplnej innemu ciału lub środowisku. Odbiorcy i dostawcy energii w układach pomp ciepła pracują najczęściej w parach.

Wyróżnia się następujące typy pomp ciepła:

• Powietrze to woda.
• Ziemia jest wodą.
• Woda to powietrze.
• Woda jest wodą.
• Ziemia jest powietrzem.
• Woda woda
• Powietrze jest powietrzem.

W tym przypadku pierwsze słowo określa rodzaj czynnika, z którego układ pobiera ciepło niskotemperaturowe. Drugi wskazuje rodzaj nośnika, na który przekazywana jest ta energia cieplna. Zatem w pompach ciepła woda jest wodą, ciepło jest pobierane ze środowiska wodnego, a ciecz służy jako czynnik chłodzący.

Z założenia pompy ciepła są urządzeniami sprężającymi parę. Pozyskują ciepło z naturalnych źródeł, przetwarzają je i transportują do odbiorców (+)

Nowoczesne pompy ciepła wykorzystują trzy główne źródło energii cieplnej. Są to gleba, woda i powietrze. Najprostsza z tych opcji to powietrzna pompa ciepła. Popularność takich systemów wynika z ich dość prostej konstrukcji i łatwości instalacji.

Jednak pomimo takiej popularności odmiany te mają raczej niską produktywność. Ponadto wydajność jest niestabilna i zależna od sezonowych wahań temperatury.

Wraz ze spadkiem temperatury ich wydajność znacznie spada. Takie opcje pompy ciepła można uznać za uzupełnienie istniejącego głównego źródła energii cieplnej.

Opcje wyposażenia za pomocą ciepło gruntu, są uważane za bardziej skuteczne. Gleba otrzymuje i gromadzi energię cieplną nie tylko ze Słońca, jest stale ogrzewana energią jądra ziemi.

Oznacza to, że gleba jest rodzajem akumulatora ciepła, którego moc jest praktycznie nieograniczona. Ponadto temperatura gleby, szczególnie na pewnej głębokości, jest stała i waha się w nieznacznych granicach.

Zakres zastosowania energii wytwarzanej przez pompy ciepła:

Stałość temperatury źródła jest ważnym czynnikiem zapewniającym stabilną i wydajną pracę tego typu urządzeń energetycznych. Podobną charakterystykę charakteryzują systemy, w których głównym źródłem energii cieplnej jest środowisko wodne. Kolektor takich pomp znajduje się albo w studni, gdzie trafia do warstwy wodonośnej, albo w zbiorniku.

Średnioroczna temperatura źródeł takich jak gleba i woda waha się od +7°C do +12°C. Jest to temperatura wystarczająca do zapewnienia wydajnej pracy systemu.

Najbardziej efektywne są pompy ciepła, które pozyskują energię cieplną ze źródeł o stabilnych wskaźnikach temperatury, tj. z wody i gleby

Podstawowe elementy konstrukcyjne pomp ciepła

Aby instalacja wytwarzania energii działała zgodnie z zasadą działania pompy ciepła, w jej projekcie muszą znajdować się 4 zespoły główne, są to:

• Kompresor.
• Parownik.
• Kondensator.
• Zawór przepustnicy.

Ważnym elementem konstrukcji pompy ciepła jest sprężarka. Jego główną funkcją jest zwiększanie ciśnienia i temperatury oparów powstających w wyniku wrzenia czynnika chłodniczego. Nowoczesne sprężarki spiralne są stosowane w szczególności w urządzeniach klimatyzacyjnych i pompach ciepła.

Jako ciecz roboczą bezpośrednio przekazującą energię cieplną stosuje się ciecze o niskiej temperaturze wrzenia. Z reguły stosuje się amoniak i freony (+)

Takie sprężarki są przeznaczone do pracy w temperaturach ujemnych. W przeciwieństwie do innych typów, sprężarki spiralne wytwarzają niewiele hałasu i działają zarówno przy niskich temperaturach wrzenia gazu, jak i wysokich temperaturach kondensacji. Niewątpliwą zaletą są kompaktowe wymiary i niski ciężar właściwy.

Prawie cała energia pompy ciepła jest zużywana na transport energii cieplnej z zewnątrz do wnętrza pomieszczenia. Zatem do obsługi systemów przy produkcji 4–6 jednostek potrzeba około 1 jednostki energii (+)

Parownik jako element konstrukcyjny jest zbiornikiem, w którym ciekły czynnik chłodniczy zamienia się w parę. Czynnik chłodniczy krążący w obiegu zamkniętym przechodzi przez parownik. W nim czynnik chłodniczy nagrzewa się i zamienia w parę.Powstała para pod niskim ciśnieniem kierowana jest do sprężarki.

W sprężarce pary czynnika chłodniczego są pod ciśnieniem, a ich temperatura wzrasta. Sprężarka tłoczy podgrzaną parę pod wysokim ciśnieniem w kierunku skraplacza.

Sprężarka spręża czynnik krążący w obiegu, co powoduje wzrost jego temperatury i ciśnienia. Następnie sprężone medium trafia do wymiennika ciepła (skraplacza), gdzie ulega ochłodzeniu, przekazując ciepło wodzie lub powietrzu

Kolejnym elementem konstrukcyjnym układu jest kondensator. Jego funkcja sprowadza się do uwalniania energii cieplnej do wewnętrznego obwodu systemu grzewczego.

Próbki seryjne produkowane przez przedsiębiorstwa przemysłowe są wyposażone w płytowe wymienniki ciepła. Głównym materiałem na takie kondensatory jest stal stopowa lub miedź.

Aby wykonać własny wymiennik ciepła, odpowiednia jest rura miedziana o średnicy pół cala. Grubość ścianek rur użytych do produkcji wymiennika ciepła musi wynosić co najmniej 1 mm

Zawór termostatyczny, czyli inaczej dławiący, instaluje się na początku tej części obwodu hydraulicznego, w której medium obiegowe pod wysokim ciśnieniem zamienia się w medium o niskim ciśnieniu. Dokładniej, przepustnica w połączeniu ze sprężarką dzieli obieg pompy ciepła na dwie części: jedną o parametrach wysokiego ciśnienia, drugą o parametrach niskiego ciśnienia.

Przechodząc przez przepustnicę rozprężną, ciecz krążąca w obiegu zamkniętym częściowo odparowuje, w wyniku czego spada ciśnienie i temperatura. Następnie trafia do wymiennika ciepła, który komunikuje się z otoczeniem. Tam przechwytuje energię otoczenia i przekazuje ją z powrotem do układu.

Zawór dławiący reguluje przepływ czynnika chłodniczego w kierunku parownika. Wybierając zawór, należy wziąć pod uwagę parametry systemu. Zawór musi spełniać te parametry.

Podczas przechodzenia przez zawór kontroli ogrzewania płyn chłodzący częściowo odparowuje, a temperatura na zasilaniu spada (+)

Wybór typu pompy ciepła

Głównym wskaźnikiem tego systemu grzewczego jest moc. Koszty finansowe zakupu sprzętu i wyboru jednego lub drugiego źródła niskotemperaturowego ciepła będą zależeć przede wszystkim od mocy. Im wyższa moc systemu pompy ciepła, tym wyższy koszt komponentów.

Przede wszystkim mamy na myśli moc kompresora, głębokość studni pod sondy geotermalne, czy też powierzchnię pod posadowienie kolektora poziomego. Prawidłowe obliczenia termodynamiczne są swego rodzaju gwarancją, że układ będzie działał sprawnie.

Jeśli w pobliżu Twojej posesji znajduje się staw, najbardziej opłacalnym i wydajnym wyborem będzie pompa ciepła typu woda-woda

Najpierw należy przestudiować obszar planowany do zainstalowania pompy. Idealnym warunkiem byłaby obecność zbiornika na tym obszarze. Stosowanie opcja typu woda-woda znacznie zmniejszy objętość prac wykopaliskowych.

Natomiast wykorzystanie ciepła ziemi wiąże się z dużą liczbą prac związanych z wykopaliskami. Za najbardziej wydajne uważa się systemy wykorzystujące media wodne jako ciepło niskiej jakości.

Zaprojektowanie pompy ciepła pobierającej energię cieplną z gruntu wymaga imponującej ilości prac wykopaliskowych. Kolektor jest ułożony poniżej sezonowego poziomu zamarzania

Energię cieplną gleby można wykorzystać na dwa sposoby. Pierwszy polega na wierceniu studni o średnicy 100-168 mm. Głębokość takich studni, w zależności od parametrów systemu, może sięgać 100 m lub więcej.

W studzienkach tych umieszcza się specjalne sondy. Druga metoda wykorzystuje kolektor rurowy. Kolektor taki umieszczony jest pod ziemią w płaszczyźnie poziomej. Ta opcja wymaga dość dużego obszaru.

Tereny o wilgotnej glebie uważa się za idealne do ułożenia kolektora. Naturalnie wiercenie studni będzie kosztować więcej niż poziome ustawienie zbiornika. Jednak nie w każdej witrynie jest dostępna wolna przestrzeń. Na jeden kW mocy pompy ciepła potrzeba od 30 do 50 m² powierzchni.

Konstrukcja do gromadzenia energii cieplnej z jedną głęboką studnią może okazać się nieco tańsza niż kopanie dołu. Ale znaczącym plusem jest znaczna oszczędność miejsca, co jest ważne dla właścicieli małych działek

Jeśli na terenie znajduje się wysoko położony poziom wód gruntowych, wymienniki ciepła można zainstalować w dwóch studniach oddalonych od siebie o około 15 m.

Energia cieplna jest gromadzona w takich systemach poprzez pompowanie wód gruntowych przez obieg zamknięty, którego część znajduje się w studniach. Taki system wymaga zainstalowania filtra i okresowego czyszczenia wymiennika ciepła.

Najprostszy i najtańszy schemat pompy ciepła opiera się na pozyskiwaniu energii cieplnej z powietrza. Kiedyś stał się podstawą lodówek, później według jego zasad opracowano klimatyzatory.

Najprostszy system pompy ciepła pobiera energię z masy powietrza. Latem zajmuje się ogrzewaniem, zimą klimatyzacją.Wadą systemu jest to, że jednostka samodzielna ma niewystarczającą moc

Skuteczność różnych typów tego sprzętu nie jest taka sama. Najniższą wydajność mają pompy wykorzystujące powietrze. Ponadto wskaźniki te zależą bezpośrednio od warunków pogodowych.

Naziemne typy pomp ciepła charakteryzują się stabilną wydajnością. Współczynnik efektywności tych systemów waha się w granicach 2,8 -3,3. Najskuteczniejsze są systemy woda-woda. Wynika to przede wszystkim ze stabilności temperatury źródła.

Należy zauważyć, że im głębiej kolektor pompy znajduje się w zbiorniku, tym stabilniejsza będzie temperatura. Aby uzyskać moc systemu wynoszącą 10 kW, potrzeba około 300 metrów rurociągu.

Głównym parametrem charakteryzującym efektywność pompy ciepła jest jej współczynnik konwersji. Im wyższy współczynnik konwersji, tym bardziej wydajna jest pompa ciepła.

Współczynnik konwersji pompy ciepła wyraża się poprzez stosunek przepływu ciepła i mocy elektrycznej wydatkowanej na pracę sprężarki

Samodzielny montaż pompy ciepła

Znając schemat działania i budowę pompy ciepła, zmontuj ją i zainstaluj samodzielnie alternatywny system ogrzewania całkiem możliwe. Przed rozpoczęciem pracy należy obliczyć wszystkie główne parametry przyszłego systemu. Aby obliczyć parametry przyszłej pompy, możesz skorzystać z oprogramowania zaprojektowanego do optymalizacji systemów chłodzenia.

Najłatwiejszą opcją do zbudowania jest układ powietrzno-wodny. Nie wymaga skomplikowanych prac nad konstrukcją obwodu zewnętrznego, co jest nieodłącznym elementem pomp ciepła wodnych i naziemnych. Do instalacji potrzebne będą tylko dwa kanały, z których jeden będzie dostarczał powietrze, a drugi odprowadzał masę odpadową.

Najłatwiej jest zbudować własnymi rękami pompę ciepła, która pobiera ciepło z masy powietrza. Wentylator zewnętrzny wdmuchuje powietrze do parownika

Oprócz wentylatora musisz zdobyć sprężarkę o wymaganej mocy. W przypadku takiej jednostki sprężarka wyposażona w konwencjonalną systemy podzielone. Kupno nowego urządzenia nie jest konieczne.

Można go usunąć ze starego sprzętu lub wykorzystać stare elementy lodówki. Wskazane jest stosowanie odmiany spiralnej. Te opcje sprężarek, oprócz tego, że są dość wydajne, wytwarzają wysokie ciśnienia, które powodują wyższe temperatury.

Aby zainstalować kondensator, będziesz potrzebować pojemnika i miedzianej rurki. Cewka jest wykonana z rury. Do jego produkcji stosuje się dowolny cylindryczny korpus o wymaganej średnicy. Owijając wokół niego miedzianą rurkę, można łatwo i szybko wyprodukować ten element konstrukcyjny.

Gotową cewkę montuje się w pojemniku uprzednio przeciętym na pół. Do produkcji pojemników lepiej jest używać materiałów odpornych na procesy korozyjne. Po umieszczeniu w nim cewki, połówki zbiornika zostają zespawane.

Powierzchnię cewki oblicza się za pomocą następującego wzoru:

MT/0,8RT,

Gdzie:

• MT - moc energii cieplnej wytwarzanej przez system.
• 0,8 — współczynnik przewodności cieplnej podczas interakcji wody z materiałem cewki.
• CZ — różnica temperatur wody na wlocie i wylocie.

Wybierając rurę miedzianą do samodzielnego wykonania cewki, należy zwrócić uwagę na grubość ścianki. Musi wynosić co najmniej 1 mm. W przeciwnym razie rura ulegnie deformacji podczas nawijania. Rura, przez którą wpływa czynnik chłodniczy, znajduje się w górnej części pojemnika.

Wymiennik ciepła z rurką miedzianą wytwarza się poprzez nawinięcie rurki miedzianej na przedmiot o cylindrycznym kształcie. Im większa powierzchnia cewki, tym wyższa wydajność pompy

Parownik pompy ciepła może być wykonany w dwóch wersjach - w postaci zbiornika z umieszczoną w nim wężownicą oraz w postaci rury w rurze. Ponieważ temperatura cieczy w parowniku jest niska, pojemnik może być wykonany z plastikowej beczki. W tym pojemniku umieszczony jest obwód wykonany z rury miedzianej.

W przeciwieństwie do skraplacza, wężownica parownika musi odpowiadać średnicy i wysokości wybranego pojemnika. Druga opcja parownika: rura w rurze. W tym wykonaniu rurka z czynnikiem chłodniczym jest umieszczona w plastikowej rurze o większej średnicy, przez którą krąży woda.

Długość takiej rury uzależniona jest od planowanej mocy pompy. Może wynosić od 25 do 40 metrów. Taka rura jest zwinięta w spiralę.

Zawór termostatyczny odnosi się do armatury odcinającej i sterującej rurociągów. Igła służy jako element zamykający w zaworze rozprężnym. Położenie elementu odcinającego zawór zależy od temperatury panującej w parowniku.

Ten ważny element systemu ma dość złożoną konstrukcję. Obejmuje:

• Termoelement.
• Membrana.
• Rurka kapilarna.
• Balon termiczny.

Elementy te mogą stać się bezużyteczne w wysokich temperaturach.Dlatego podczas lutowania instalacji zawór należy zaizolować tkaniną azbestową. Zawór regulacyjny musi być dostosowany do wydajności parownika.

Po przeprowadzeniu prac związanych z produkcją głównych części konstrukcyjnych decydujący moment następuje podczas montażu całej konstrukcji w jeden blok. Najbardziej krytycznym etapem jest proces wtrysku czynnika chłodniczego lub płynu chłodzącego do układu.

Jest mało prawdopodobne, aby zwykła osoba była w stanie samodzielnie przeprowadzić taką operację. Tutaj będziesz musiał zwrócić się do profesjonalistów, którzy naprawiają i konserwują sprzęt klimatyzacyjny.

Pracownicy w tej dziedzinie zazwyczaj posiadają niezbędny sprzęt. Oprócz napełniania czynnikiem chłodniczym mogą przetestować działanie układu. Samodzielne wstrzyknięcie czynnika chłodniczego może prowadzić nie tylko do uszkodzenia konstrukcji, ale także do poważnych obrażeń. Ponadto do uruchomienia systemu wymagany jest specjalny sprzęt.

Kiedy system się uruchamia, pojawia się szczytowe obciążenie rozruchowe, zwykle około 40 A. Dlatego uruchomienie systemu bez przekaźnika rozruchowego jest niemożliwe. Po pierwszym uruchomieniu konieczna jest regulacja zaworu i ciśnienia czynnika chłodniczego.

Wybór czynnika chłodniczego należy traktować bardzo poważnie. Przecież to właśnie ta substancja jest zasadniczo uważana za główny „nośnik” użytecznej energii cieplnej. Spośród istniejących nowoczesnych czynników chłodniczych najpopularniejsze są freony. Są to pochodne związków węglowodorowych, w których część atomów węgla została zastąpiona innymi pierwiastkami.

W wyniku montażu poszczególnych elementów pompy ciepła należy uzyskać zamkniętą pętlę, przez którą krąży czynnik roboczy

W wyniku tych prac uzyskano układ o obiegu zamkniętym. Czynnik chłodniczy będzie w nim krążył, zapewniając dobór i przekazanie energii cieplnej z parownika do skraplacza. Podłączając pompy ciepła do domowej instalacji grzewczej należy wziąć pod uwagę, aby temperatura wody opuszczającej skraplacz nie przekraczała 50 – 60 stopni.

Ze względu na niską temperaturę energii cieplnej wytwarzanej przez pompę ciepła, jako odbiorcę ciepła należy dobrać specjalistyczne urządzenia grzewcze. Może to być ciepła podłoga lub objętościowe grzejniki o niskiej bezwładności wykonane z aluminium lub stali o dużej powierzchni promieniowania.

Opcje domowej roboty pomp ciepła najwłaściwiej rozważa się jako wyposażenie pomocnicze, które wspiera i uzupełnia działanie głównego źródła.

Co roku projekty pomp ciepła są udoskonalane. W konstrukcjach przemysłowych przeznaczonych do użytku domowego zastosowano bardziej wydajne powierzchnie wymiany ciepła. W rezultacie wydajność systemu stale rośnie.

Ważnym czynnikiem stymulującym rozwój takiej technologii wytwarzania energii cieplnej jest komponent środowiskowy. Systemy takie, oprócz tego, że są dość skuteczne, nie zanieczyszczają środowiska. Brak otwartego płomienia sprawia, że ​​jego działanie jest całkowicie bezpieczne.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Wideo nr 1. Jak zrobić prostą domową pompę ciepła z wymiennikiem ciepła z rur PEX:

Wideo nr 2. Ciąg dalszy instrukcji:

Pompy ciepła są od dłuższego czasu stosowane jako alternatywne systemy grzewcze.Systemy te są niezawodne, mają długą żywotność i, co ważne, są przyjazne dla środowiska. Zaczyna się je poważnie traktować jako kolejny krok w kierunku rozwoju wydajnych i bezpiecznych systemów grzewczych.

Chcesz zadać pytanie lub opowiedzieć nam o ciekawym sposobie budowy pompy ciepła, o którym nie ma mowy w artykule? Proszę pisać komentarze w bloku poniżej.