Ako vyrobiť tepelné čerpadlo na vykurovanie domu vlastnými rukami: princíp činnosti a montážne schémy

Prvé verzie tepelných čerpadiel dokázali uspokojiť potreby tepelnej energie len čiastočne.Moderné odrody sú efektívnejšie a môžu byť použité pre vykurovacie systémy. To je dôvod, prečo sa mnohí majitelia domov pokúšajú nainštalovať tepelné čerpadlo vlastnými rukami.

Povieme vám, ako si vybrať najlepšiu možnosť pre tepelné čerpadlo, berúc do úvahy geoúdaje oblasti, kde sa plánuje jeho inštalácia. Článok navrhnutý na zváženie podrobne popisuje princíp fungovania systémov „zelenej energie“ a uvádza rozdiely. S našimi radami sa nepochybne usadíte na efektívny typ.

Pre samostatných remeselníkov predstavujeme technológiu montáže tepelného čerpadla. Informácie prezentované na posúdenie sú doplnené vizuálnymi schémami, výberom fotografií a podrobným videonávodom v dvoch častiach.

Čo je tepelné čerpadlo a ako funguje?

Pojem tepelné čerpadlo označuje súbor špecifických zariadení. Hlavnou funkciou tohto zariadenia je zhromažďovať tepelnú energiu a prepravovať ju k spotrebiteľovi. Zdrojom takejto energie môže byť akékoľvek teleso alebo prostredie s teplotou +1º alebo viac stupňov.

Zdrojov nízkoteplotného tepla je v našom prostredí viac než dosť. Ide o priemyselný odpad z podnikov, tepelných a jadrových elektrární, splaškových vôd a pod. Na prevádzku tepelných čerpadiel vo vykurovaní domácností sú potrebné tri samoobnoviteľné prírodné zdroje – vzduch, voda a zem.

Tepelné čerpadlá čerpajú energiu z procesov, ktoré sa pravidelne vyskytujú v prostredí.Tok procesov sa nikdy nezastaví, pretože zdroje sú podľa ľudských kritérií považované za nevyčerpateľné

Traja uvedení potenciálni dodávatelia energie priamo súvisia s energiou slnka, ktoré zahrievaním hýbe vzduchom s vetrom a prenáša tepelnú energiu na zem. Práve výber zdroja je hlavným kritériom, podľa ktorého sa systémy tepelných čerpadiel klasifikujú.

Princíp činnosti tepelných čerpadiel je založený na schopnosti telies alebo médií odovzdávať tepelnú energiu inému telesu alebo prostrediu. Prijímače a dodávatelia energie v systémoch tepelných čerpadiel zvyčajne pracujú v pároch.

Rozlišujú sa tieto typy tepelných čerpadiel:

• Vzduch je voda.
• Zem je voda.
• Voda je vzduch.
• Voda je voda.
• Zem je vzduch.
• Voda - voda
• Vzduch je vzduch.

V tomto prípade prvé slovo určuje typ média, z ktorého systém odoberá nízkoteplotné teplo. Druhý označuje typ nosiča, na ktorý sa táto tepelná energia prenáša. Takže v tepelných čerpadlách je voda voda, teplo sa odoberá z vodného prostredia a kvapalina sa používa ako chladivo.

Podľa návrhu sú tepelné čerpadlá jednotkami na kompresiu pár. Odoberajú teplo z prírodných zdrojov, spracovávajú ho a prepravujú k spotrebiteľom (+)

Moderné tepelné čerpadlá využívajú tri hlavné zdroj tepelnej energie. Sú to pôda, voda a vzduch. Najjednoduchšia z týchto možností je vzduchové tepelné čerpadlo. Popularita takýchto systémov je spôsobená ich pomerne jednoduchým dizajnom a jednoduchou inštaláciou.

Napriek takejto popularite však tieto odrody majú pomerne nízku produktivitu. Okrem toho je účinnosť nestabilná a závisí od sezónnych výkyvov teploty.

S poklesom teploty ich výkon výrazne klesá. Takéto možnosti tepelného čerpadla možno považovať za doplnok k existujúcemu hlavnému zdroju tepelnej energie.

Možnosti použitia vybavenia prízemné teplo, sú považované za účinnejšie. Pôda prijíma a akumuluje tepelnú energiu nielen zo Slnka, neustále sa ohrieva energiou zemského jadra.

To znamená, že pôda je druh tepelného akumulátora, ktorého sila je prakticky neobmedzená. Okrem toho je teplota pôdy, najmä v určitej hĺbke, konštantná a kolíše v nepatrných medziach.

Rozsah použitia energie vyrobenej tepelnými čerpadlami:

Stálosť teploty zdroja je dôležitým faktorom stabilnej a efektívnej prevádzky tohto typu energetických zariadení. Systémy, v ktorých je hlavným zdrojom tepelnej energie vodné prostredie, majú podobné charakteristiky. Zberač takýchto čerpadiel je umiestnený buď v studni, kde končí vo vodonosnej vrstve, alebo v nádrži.

Priemerná ročná teplota zdrojov, ako je pôda a voda, sa pohybuje od +7º do + 12ºC. Táto teplota je dostatočná na zabezpečenie efektívnej prevádzky systému.

Najúčinnejšie sú tepelné čerpadlá, ktoré odoberajú tepelnú energiu zo zdrojov so stabilnými teplotnými ukazovateľmi, t.j. z vody a pôdy

Základné konštrukčné prvky tepelných čerpadiel

Aby zariadenie na výrobu energie fungovalo podľa princípov činnosti tepelného čerpadla, jeho konštrukcia musí obsahovať 4 hlavné jednotky, a to:

• Kompresor.
• Výparník.
• Kondenzátor.
• Škrtiaca klapka.

Dôležitým prvkom konštrukcie tepelného čerpadla je kompresor. Jeho hlavnou funkciou je zvýšenie tlaku a teploty pár vznikajúcich v dôsledku varu chladiva. Moderné špirálové kompresory sa používajú najmä pre klimatizačné zariadenia a tepelné čerpadlá.

Ako pracovná kvapalina, ktorá priamo prenáša tepelnú energiu, sa používajú kvapaliny s nízkym bodom varu. Spravidla sa používa amoniak a freóny (+)

Takéto kompresory sú určené na prevádzku pri teplotách pod nulou. Na rozdiel od iných typov, špirálové kompresory produkujú malý hluk a pracujú pri nízkych teplotách varu plynu a vysokých kondenzačných teplotách. Nepochybnou výhodou sú ich kompaktné rozmery a nízka špecifická hmotnosť.

Takmer všetka energia tepelného čerpadla sa vynakladá na transport tepelnej energie zvonku do vnútra miestnosti. Takže pri výrobe 4 - 6 jednotiek (+) je potrebná približne 1 energetická jednotka na prevádzku systémov

Výparník ako konštrukčný prvok je nádoba, v ktorej sa kvapalné chladivo premieňa na paru. Chladivo, ktoré cirkuluje v uzavretom okruhu, prechádza cez výparník. V ňom sa chladivo ohrieva a mení sa na paru.Výsledná para je pod nízkym tlakom nasmerovaná do kompresora.

V kompresore sú pary chladiva stlačené a ich teplota sa zvyšuje. Kompresor čerpá ohriatu paru pod vysokým tlakom smerom ku kondenzátoru.

Kompresor stláča médium cirkulujúce v okruhu, čo vedie k zvýšeniu jeho teploty a tlaku. Potom stlačené médium vstupuje do výmenníka tepla (kondenzátora), kde sa ochladzuje a odovzdáva teplo vode alebo vzduchu

Ďalším konštrukčným prvkom systému je kondenzátor. Jeho funkcia je redukovaná na uvoľnenie tepelnej energie do vnútorného okruhu vykurovacieho systému.

Sériové vzorky vyrábané priemyselnými podnikmi sú vybavené doskovým výmenníkom tepla. Hlavným materiálom pre takéto kondenzátory je legovaná oceľ alebo meď.

Na výrobu vlastného výmenníka tepla je vhodná medená rúrka s priemerom pol palca. Hrúbka steny rúrok použitých na výrobu výmenníka tepla musí byť aspoň 1 mm

Termostatický alebo inak škrtiaci ventil sa inštaluje na začiatok tej časti hydraulického okruhu, kde sa vysokotlakové obehové médium mení na nízkotlakové. Presnejšie povedané, škrtiaca klapka spárovaná s kompresorom rozdeľuje okruh tepelného čerpadla na dve časti: jednu s parametrami vysokého tlaku a druhú s parametrami nízkeho tlaku.

Pri prechode cez expanzný škrtiaci ventil sa kvapalina cirkulujúca v uzavretom okruhu čiastočne vyparí, v dôsledku čoho poklesne tlak a teplota. Potom vstupuje do výmenníka tepla, ktorý komunikuje s okolím. Tam zachytáva energiu prostredia a prenáša ju späť do systému.

Škrtiaca klapka reguluje prietok chladiva smerom k výparníku. Pri výbere ventilu musíte brať do úvahy parametre systému. Ventil musí spĺňať tieto parametre.

Pri prechode cez regulačný ventil tepla sa chladiaca kvapalina čiastočne odparí a teplota prívodu sa zníži (+)

Výber typu tepelného čerpadla

Hlavným ukazovateľom tohto vykurovacieho systému je výkon. Finančné náklady na nákup zariadení a výber jedného alebo druhého zdroja nízkoteplotného tepla budú závisieť predovšetkým od výkonu. Čím vyšší je výkon systému tepelného čerpadla, tým vyššie sú náklady na komponenty.

V prvom rade máme na mysli výkon kompresora, hĺbku vrtov pre geotermálne sondy, či plochu pre umiestnenie horizontálneho kolektora. Správne termodynamické výpočty sú akousi zárukou, že systém bude fungovať efektívne.

Ak sa v blízkosti vášho osobného pozemku nachádza jazierko, cenovo najefektívnejšou a najproduktívnejšou voľbou by bolo tepelné čerpadlo voda-voda

Najprv by ste si mali preštudovať oblasť, ktorá je plánovaná na inštaláciu čerpadla. Ideálnym stavom by bola prítomnosť nádrže v tejto oblasti. Použitie možnosť typu voda-voda výrazne zníži objem výkopových prác.

Využívanie tepla zeme naopak zahŕňa veľké množstvo prác súvisiacich s výkopovými prácami. Systémy, ktoré využívajú vodné médiá ako teplo nízkej kvality, sa považujú za najúčinnejšie.

Návrh tepelného čerpadla, ktoré odoberá tepelnú energiu zo zeme, si vyžaduje impozantné množstvo výkopových prác. Kolektor je položený pod úrovňou sezónneho mrazu

Tepelnú energiu pôdy možno využiť dvoma spôsobmi. Prvá zahŕňa vŕtanie studní s priemerom 100-168 mm. Hĺbka takýchto studní môže v závislosti od parametrov systému dosiahnuť 100 m alebo viac.

V týchto jamkách sú umiestnené špeciálne sondy. Druhá metóda využíva rúrkový kolektor. Takýto kolektor je umiestnený pod zemou v horizontálnej rovine. Táto možnosť si vyžaduje pomerne veľkú plochu.

Oblasti s vlhkou pôdou sa považujú za ideálne na položenie kolektora. Prirodzene, vŕtanie studní bude stáť viac ako horizontálne umiestnenie nádrže. Nie každá stránka má však voľný priestor. Na jeden kW výkonu tepelného čerpadla potrebujete 30 až 50 m² plochy.

Štruktúra na zhromažďovanie tepelnej energie s jednou hlbokou studňou sa môže ukázať ako o niečo lacnejšia ako kopanie jamy. Významným plusom je však výrazná úspora miesta, ktorá je dôležitá pre majiteľov malých pozemkov

Ak je na mieste vysoko položený horizont podzemnej vody, výmenníky tepla môžu byť inštalované v dvoch studniach umiestnených vo vzdialenosti asi 15 m od seba.

Tepelná energia sa v takýchto systémoch zhromažďuje čerpaním podzemnej vody cez uzavretý okruh, ktorého časti sú umiestnené v studniach. Takýto systém vyžaduje inštaláciu filtra a pravidelné čistenie výmenníka tepla.

Najjednoduchšia a najlacnejšia schéma tepelného čerpadla je založená na získavaní tepelnej energie zo vzduchu. Kedysi sa stal základom pre chladničky, neskôr boli podľa jeho princípov vyvinuté klimatizácie.

Najjednoduchší systém tepelného čerpadla získava energiu zo vzdušnej hmoty. V lete sa podieľa na kúrení, v zime na klimatizácii.Nevýhodou systému je, že samostatná jednotka má nedostatočný výkon

Účinnosť rôznych typov tohto zariadenia nie je rovnaká. Čerpadlá využívajúce vzduch majú najnižší výkon. Okrem toho tieto ukazovatele priamo závisia od poveternostných podmienok.

Pozemné typy tepelných čerpadiel majú stabilný výkon. Koeficient účinnosti týchto systémov sa pohybuje medzi 2,8 -3,3. Najúčinnejšie sú systémy voda-voda. Je to spôsobené predovšetkým stabilitou teploty zdroja.

Je potrebné poznamenať, že čím hlbšie je potrubie čerpadla umiestnené v nádrži, tým stabilnejšia bude teplota. Na získanie výkonu systému 10 kW je potrebných asi 300 metrov potrubia.

Hlavným parametrom charakterizujúcim účinnosť tepelného čerpadla je jeho prepočítavací koeficient. Čím vyšší je konverzný faktor, tým efektívnejšie sa tepelné čerpadlo uvažuje.

Konverzný koeficient tepelného čerpadla je vyjadrený pomerom tepelného toku a elektrickej energie spotrebovanej na prevádzku kompresora

Montáž tepelného čerpadla svojpomocne

Keď poznáte prevádzkovú schému a štruktúru tepelného čerpadla, zostavte a nainštalujte si ho sami alternatívny vykurovací systém celkom možné. Pred začatím práce je potrebné vypočítať všetky hlavné parametre budúceho systému. Na výpočet parametrov budúceho čerpadla môžete použiť softvér určený na optimalizáciu chladiacich systémov.

Najjednoduchšia možnosť konštrukcie je systém vzduch-voda. Nevyžaduje zložitú prácu na výstavbe vonkajšieho okruhu, ktorá je vlastná vodným a zemným typom tepelných čerpadiel. Na inštaláciu budete potrebovať iba dva kanály, z ktorých jeden bude privádzať vzduch a druhý bude vypúšťať odpadovú hmotu.

Najjednoduchším spôsobom je postaviť tepelné čerpadlo vlastnými rukami, ktoré odoberá teplo zo vzdušnej hmoty. Vonkajší ventilátor vháňa vzduch do výparníka

Okrem ventilátora si musíte zaobstarať kompresor požadovaného výkonu. Pre takúto jednotku je kompresor, ktorý je vybavený konvenčným rozdelené systémy. Nie je potrebné kupovať novú jednotku.

Môžete ho odstrániť zo starého zariadenia alebo ho použiť staré komponenty chladničky. Je vhodné použiť špirálovú odrodu. Tieto možnosti kompresora, okrem toho, že sú celkom účinné, vytvárajú vysoké tlaky, ktoré produkujú vyššie teploty.

Na inštaláciu kondenzátora budete potrebovať nádobu a medenú rúrku. Cievka je vyrobená z potrubia. Na jeho výrobu sa používa akékoľvek valcové teleso požadovaného priemeru. Navinutím medenej rúrky okolo nej ľahko a rýchlo vyrobíte tento konštrukčný prvok.

Hotová cievka je namontovaná v nádobe, ktorá bola predtým rozrezaná na polovicu. Na výrobu nádob je lepšie použiť materiály, ktoré sú odolné voči koróznym procesom. Po umiestnení cievky do nej sú polovice nádrže zvarené.

Plocha cievky sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

MT/0,8 RT,

Kde:

• MT - sila tepelnej energie, ktorú systém vyrába.
• 0,8 — koeficient tepelnej vodivosti pri interakcii vody s materiálom cievky.
• RT — rozdiel teplôt vody na vstupe a výstupe.

Pri výbere medenej rúrky na výrobu cievky sami, musíte venovať pozornosť hrúbke steny. Musí byť aspoň 1 mm. V opačnom prípade sa potrubie počas navíjania zdeformuje. Potrubie, cez ktoré vstupuje chladivo, je umiestnené v hornej časti nádoby.

Medený rúrkový výmenník tepla sa vyrába navinutím medenej rúrky na predmet valcového tvaru. Čím väčšia je plocha cievky, tým vyšší je výkon čerpadla

Výparník tepelného čerpadla môže byť vyrobený v dvoch verziách - vo forme nádoby, v ktorej je umiestnená špirála a vo forme potrubia v potrubí. Pretože teplota kvapaliny vo výparníku je nízka, nádoba môže byť vyrobená z plastového suda. V tejto nádobe je umiestnený obvod z medenej rúrky.

Na rozdiel od kondenzátora musí špirála špirály výparníka zodpovedať priemeru a výške zvolenej nádoby. Druhá možnosť výparníka: potrubie v potrubí. V tomto uskutočnení je rúrka s chladivom umiestnená v plastovej rúrke s väčším priemerom, cez ktorú cirkuluje voda.

Dĺžka takéhoto potrubia závisí od plánovaného výkonu čerpadla. Môže to byť od 25 do 40 metrov. Takáto rúrka je zvinutá do špirály.

Termostatický ventil sa vzťahuje na uzatváracie a regulačné potrubné armatúry. Ako uzatvárací prvok v expanznom ventile sa používa ihla. Poloha uzatváracieho prvku ventilu je určená teplotou vo výparníku.

Tento dôležitý prvok systému má pomerne zložitý dizajn. Obsahuje:

• Termočlánok.
• Membrána.
• Kapilárna trubica.
• Termálny balón.

Pri vysokých teplotách sa tieto prvky môžu stať nepoužiteľnými.Preto počas spájkovacích prác na systéme by mal byť ventil izolovaný azbestovou tkaninou. Regulačný ventil musí zodpovedať kapacite výparníka.

Po vykonaní prác na výrobe hlavných konštrukčných dielov prichádza rozhodujúci moment pri montáži celej konštrukcie do jedného bloku. Najkritickejšia fáza je proces vstrekovania chladiva alebo chladiacej kvapaliny do systému.

Je nepravdepodobné, že by obyčajný človek mohol vykonať takúto operáciu nezávisle. Tu sa budete musieť obrátiť na odborníkov, ktorí opravujú a udržiavajú zariadenia na klimatizáciu.

Pracovníci v tejto oblasti majú zvyčajne potrebné vybavenie. Okrem plnenia chladiva môžu otestovať fungovanie systému. Vlastné vstrekovanie chladiva môže viesť nielen k zlyhaniu konštrukcie, ale aj k vážnemu zraneniu. Okrem toho je na spustenie systému potrebné aj špeciálne vybavenie.

Keď sa systém spustí, nastane špičkové štartovacie zaťaženie, zvyčajne okolo 40 A. Preto je spustenie systému bez štartovacieho relé nemožné. Po prvom spustení je potrebné nastavenie ventilu a tlaku chladiva.

Výber chladiva by sa mal brať veľmi vážne. Koniec koncov, je to táto látka, ktorá sa v podstate považuje za hlavného „nositeľa“ užitočnej tepelnej energie. Z existujúcich moderných chladív sú najpopulárnejšie freóny. Ide o deriváty uhľovodíkových zlúčenín, v ktorých sú niektoré atómy uhlíka nahradené inými prvkami.

Výsledkom montáže jednotlivých prvkov tepelného čerpadla by mala byť uzavretá slučka, cez ktorú cirkuluje pracovné médium

Výsledkom tejto práce bol systém uzavretej slučky. V ňom bude cirkulovať chladivo, ktoré zabezpečí výber a prenos tepelnej energie z výparníka do kondenzátora. Pri pripájaní tepelných čerpadiel do vykurovacieho systému domu treba brať do úvahy, že teplota vody na výstupe z kondenzátora nepresiahne 50 - 60 stupňov.

Vzhľadom na nízku teplotu tepelnej energie generovanej tepelným čerpadlom je potrebné ako spotrebič tepla zvoliť špecializované vykurovacie zariadenia. Môže to byť teplá podlaha alebo objemové radiátory s nízkou zotrvačnosťou vyrobené z hliníka alebo ocele s veľkou radiačnou plochou.

Domáce možnosti tepelného čerpadla sú najvhodnejšie považované za pomocné zariadenia, ktoré podporujú a dopĺňajú prevádzku hlavného zdroja.

Každý rok sa návrhy tepelných čerpadiel zdokonaľujú. Priemyselné vzory určené na domáce použitie využívajú efektívnejšie teplovýmenné plochy. V dôsledku toho sa výkon systému neustále zvyšuje.

Dôležitým faktorom, ktorý stimuluje vývoj takejto technológie na výrobu tepelnej energie, je environmentálna zložka. Takéto systémy, okrem toho, že sú dosť účinné, neznečisťujú životné prostredie. Absencia otvoreného plameňa robí jeho prevádzku absolútne bezpečnou.

Závery a užitočné video na túto tému

Video #1. Ako si vyrobiť jednoduché domáce tepelné čerpadlo s výmenníkom tepla z PEX rúr:

Video č. 2. Pokračovanie inštrukcie:

Tepelné čerpadlá sa ako alternatívne vykurovacie systémy používajú už pomerne dlho.Tieto systémy sú spoľahlivé, majú dlhú životnosť a čo je dôležité, sú šetrné k životnému prostrediu. Začína sa o nich vážne uvažovať ako o ďalšom kroku smerom k vývoju efektívnych a bezpečných vykurovacích systémov.

Chcete sa spýtať alebo nám povedať o zaujímavom spôsobe výstavby tepelného čerpadla, ktorý nie je uvedený v článku? Komentáre napíšte do bloku nižšie.