Как сделать тепловой насос для отопления дома своими руками: принцип работы и схемы сборки

Принцип работы устройства

Тем, кто соприкасался с вопросами экономически выгодного отопления, название “тепловой насос” хорошо знакомо. Особенно в сочетании с терминами типа “земля-вода”, “вода-вода”, или “воздух-вода” и т.п.

Такой тепловой насос с устройством Френетта не имеет практически ничего общего. Кроме названия и конечного результата в виде тепловой энергии, которую в итоге используют для обогрева.

Тепловые насосы, работающие на принципе Карно, очень популярны и как экономически выгодный способ организации отопления, и как экологически безопасная система.

Работа такого комплекса устройств связана с накоплением низкопотенциальной энергии, содержащейся в природных ресурсах (земле, воде, воздухе), и преобразованием ее в тепловую энергию с высоким потенциалом.

Изобретение Евгения Френетта устроено и работает совершенно иначе.

Принцип действия этого прибора основан на использовании тепловой энергии, которая выделяется при трении. В основе конструкции – металлические поверхности, расположенные не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Пространство между ними заполняют жидкостью.

Части устройства вращаются относительно друг друга с помощью электромотора, жидкость, находящаяся внутри корпуса и контактирующая с вращающимися элементами, разогревается.

Полученное тепло можно использовать для нагрева теплоносителя. Некоторые источники рекомендуют использовать эту жидкость непосредственно для отопительной системы. Чаще всего к самодельному насосу Френетта присоединяют обычный радиатор.

В качестве теплоносителя системы отопления специалисты настоятельно рекомендуют использовать масло, а не воду.

В процессе работы насоса эта жидкость имеет свойство разогреваться очень сильно. Вода в таких условиях может просто закипеть. Горячий пар в замкнутом пространстве создает избыточное давление, а это обычно приводит к разрыву труб или корпуса. Использовать масло в такой ситуации намного безопаснее, поскольку его температура кипения значительно выше.

Для изготовления теплового насоса Френетта потребуется двигатель, радиатор, несколько труб, стальной дисковый затвор, стальные диски, металлический или пластиковый стержень, металлический цилиндр и гаечный набор (+)

Бытует мнение, что КПД такого теплогенератора превышает 100% и даже может составлять 1000%. С точки зрения физики и математики это не совсем корректное утверждение.

КПД отражает потери энергии, затраченные не на обогрев, а собственно на работу прибора. Скорее, феноменальные утверждения о невероятно высоком КПД насоса Френетта отражают его эффективность, которая действительно впечатляет. Затраты электроэнергии на работу прибора ничтожны, а вот количество полученного в результате тепла весьма ощутимы.

Нагрев теплоносителя до таких же температур с помощью ТЭНа для отопления, например, потребовал бы значительно большего количества электроэнергии, возможно, в десятки раз больше. Бытовой обогреватель при таком расходе электричества даже не нагрелся бы.

Почему же такими приборами не оборудованы все подряд жилые и промышленные помещения? Причины могут быть разными.

Во-первых, вода – более простой и удобный теплоноситель, чем масло. Она не нагревается до таких высоких температур, и устранить последствия протечек воды проще, чем убрать разлитое масло.

Во-вторых, к моменту изобретения насоса Френетта централизованная система отопления уже существовала и успешно функционировала. Ее демонтаж для замены на теплогенераторы обошелся бы слишком дорого и доставил бы массу неудобств, поэтому такой вариант никто всерьез даже не рассматривал. Как говорится, лучшее – враг хорошего.

Расчет теплового насоса

Как мы уже упоминали выше, низкопотенциальными источниками тепла для таких насосов чаще всего бывают перечисленные ниже среды:

1. Воздух из наружного пространства с температурой в среднем от -15 до +25 градусов.
2. Воздух из обогреваемого помещения, его температура составляет +15 — +25 градусов.
3. Воздух, из подпочвенного зонда нагретый до плюс 4 — 10 градусов.
4. Воздух из геотермальных пластов, температура которого может быть 10 и более градусов.
5. Воздух из донных зондов незамерзающих водоемов с температурой 0 – 10 градусов, в том числе и полученный в зондах, установленных на каналах промышленных стоков предприятий.

Методика расчета

Любой тепловой расчет является сложнейшим процессом, осуществить который доступно только квалифицированным специалистам. Тем не менее, можно предложить упрощенную методику, достаточную для получения результата, определяющего выбор той или иной модели агрегата.

Расчет сводится к выполнению ряда этапов:

1. Определение величины тепловых потерь через ограждающие элементы строения – стены, потолки, чердачные помещения, окна, двери и прочее. Этого можно достичь, воспользовавшись следующей зависимостью:

Qок = S x (tвн – t нар) х (1 + ?b) x n : Rт, где

• расчетные значения теплопроводности материалов ограждающих конструкций;
• коэффициент рассеивания тепла с внутренних поверхностей;
• то же, для наружных поверхностей.

После проведения предварительных вычислений определяем суммарные потери тепла от различных факторов:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, где

1. Основываясь на полученных результатах можно рассчитать потребность в электроэнергии в течение года. Для этого воспользуемся соотношением:

Qгод = 24х0,63 х Qт.пот х ((d x (tвн-tнар.ср) : (tвн-tнар)) (кВт/час) в год, где:

• tвн- желательная величина температуры во внутренних помещениях дома;
• t нар – фактическая наружная величина температуры;
• tнар.ср – среднегодовая величина температуры в регионе;
• d – протяженность отопительного периода, дней.

1. Желая иметь более достоверное представление о теплонасосе, нужно сделать расчет величины тепловой мощности, которая понадобится, чтобы разогреть воду в системе отопления дома. Это доступно с использованием такой расчетной формулы:

Qгор.в = V x 17 кВт/ за год, где:

Рекомендуется полученный результат увеличить на 10%, учитывая более интенсивную работу системы при пиковых нагрузках. Предварительный расчет мощности теплового насоса для отопления дома позволяет сделать безошибочный выбор установки.

Для выполнения расчета можно использовать специальный калькулятор, они в изобилии представлены в интернете

Установка и замена насосов

Одним из основных направлений деятельности нашей компании является замена и установка водяных насосов всех типов: поверхностные, погружные и полупогружные. Специалисты компании с большим стажем работы в кратчайшие сроки произведут монтаж, демонтаж и установку следующего насосного оборудования:

• скважинные насосы;
• колодезные насосы;
• водопроводные насосы;
• циркуляционные насосы;
• повысительные насосы;
• насосы для полива.

Помимо установки и замены насосов, мы также выполняем работы на сложных насосных станциях, проводя комплексные операции по монтажу, демонтажу и установке оборудования.

Источники

• https://sdelat-dom.ru/remont/otoplenie/otoplenie-chastnogo-doma/
• https://cotlix.com/otoplenie-v-chastnom-dome-svoimi-rukami-podrobnoe-rukovodstvo
• https://sovet-ingenera.com/otoplenie/razvodka-o/razvodka-otopleniya-v-chastnom-dome.html
• https://master-houses.ru/shemy-otopleniya-dlya-chastnogo-doma-kakie-luchshe/
• https://oboiman.ru/teplo/sistemy-otoplenia-castnogo-doma-svoimi-rukami-shemy-razvodki.html
• https://otivent.com/kak-sdelat-otoplenie-chastnogo-doma-ili-kvartiry
• https://www.tproekt.com/razvodka-otoplenia-v-castnom-dome-svoimi-rukami/

Основные разновидности, их принципы работы

Все тепловые насосы отличаются друг от друга по источнику энергии. Основные классы устройств: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода и воздух-воздух.

Первое слово указывает на источник тепла, а второе — означает то, во что оно превращается в устройстве.

Например, в случае прибора грунт-вода тепло извлекается из земли, а потом оно преобразуется в горячую воду, которая используется как нагреватель в системе отопления. Ниже мы рассмотрим разновидности тепловых насосов для отопления более подробно.

Грунт-вода

Установки типа грунт-вода добывают тепло прямо из земли с помощью специальных турбин или коллекторов. В качестве источника в данном случае используется земля, которая нагревает фреон. Он нагревает воду, которая находится в баке-конденсаторе. При этом фреон охлаждается и поступает обратно на вход насоса, а разогретая вода используется в качестве теплоносителя в основной системе отопления.

Цикл нагрева жидкости продолжается до тех пор, пока насос получает электричество из сети. Самым затратным, с экономической точки зрения, является метод грунт-вода поскольку для монтажа турбин и коллекторов придётся бурить глубокие скважины или менять расположение грунта на большом участке земли.

Вода-вода

По своим техническим характеристикам насосы типа вода-вода очень похожи на устройства класса грунт-вода с тем лишь отличием, что в качестве первичного источника тепла в данном случае используется не земля, а вода. В качестве источника могут использоваться как подземные воды, так и из различных водоёмов.

Фото 2. Монтаж конструкции для теплового насоса типа вода-вода: в водоём погружаются специальные трубы.

Устройства класса вода-вода значительно дешевле насосов типа грунт-вода, поскольку для их установки не нужно бурить глубокие скважины.

Справка. Для работы водяного насоса достаточно погрузить несколько труб в ближайший водоём, поэтому для его работы не нужно бурить скважины.

Воздух-вода

Установки класса воздух-вода получают тепло прямо из окружающей среды. Такие приборы не нуждаются в крупном внешнем коллекторе для сбора тепла, а для нагрева фреона используется обыкновенный уличный воздух. После нагревания фреон отдаёт тепло воде, после чего горячая вода поступает в отопительную систему через трубы. Устройства данного типа довольно дешёвые, поскольку для работы насоса не нужен дорогостоящий коллектор.

Воздушный

Установка класса воздух-воздух тоже получает тепло прямо из окружающей среды, а для её работы также не требуется внешний коллектор. После контакта тёплого воздуха происходит нагрев фреона, затем фреон нагревает воздух в насосе. Потом этот воздух выбрасывается в помещение, что приводит к локальному повышению температуры. Устройства данного типа также являются довольно дешёвыми, поскольку для их работы не требуется установка дорогостоящего коллектора.

Фото 3. Принцип работы теплового насоса воздух-воздух. В отопительные радиаторы поступает теплоноситель с температурой 35 градусов.

Выбор и монтаж

Приобретая электрический котел с насосом, нужно подобрать подходящие параметры устройства:

• Мощность — этот параметр описывает мощность ТЭНов в теплообменнике, она может составлять от 2 до 70 кВт. Котлы, мощность которых более 50 кВт, применяются в промышленных производствах.
• Объем — вместимость теплоаккумулирующей емкости, наиболее оптимальный вариант: от 20 л на 1 кВт мощности ТЭНа.

Формула расчёта мощности электрокотла

W= S * Wy / 10 м²

W — мощность отопления (кВт). S — площадь всех отапливаемых комнат (м²). Wy — удельная мощность на 10 м².

Таким образом, подобрав оптимальный вариант и правильно его установив, в вашем доме будет обеспечен качественный прогрев.

Осуществить установку и подключение электрокотла с насосом своими руками — не сложно. Главное правило — соблюдение всех требований, предписанных инструкцией.

Если это агрегат настенного исполнения, то для начала на стену нужно закрепить кронштейны, а после на них навесить котел. Следующий этап — подсоединение контуров системы отопления. На входящем и выходящем патрубках надо установить отсекающие вентили, они понадобятся в случае ремонта или замены котла. После всех выполненных манипуляций, агрегат подключается к электрической подающей сети.

Электрокотлы бывают ТЭНовыми, электродными и индукционными.

Источники

• https://cotlix.com/elektricheskij-kotel-s-cirkulyacionnym-nasosom
• https://teplofan.ru/kotly/elektricheskie/s-rasshiritelnym-bakom-i-nasosom
• https://teplospec.com/elektricheskoe-otoplenie/kak-vybrat-elektricheskiy-kotel-s-nasosom-i-rasshiritelnym-bakom-vybor-i-ustanovka.html
• https://tavago.ru/kotly-otopleniya/elektricheskie-kotly.html/filter/komplektatsiya_elektricheskogo_kotla-is-s_nasosom_i_rasshiritelnym_bakom/apply
• http://ThermoMir.ru/doc/recomend/help_electro_kotly/jelektricheskij_otopitelnyj_kotjol_s_nasosom_i_rasshiritelnym_bakom

Монтаж частей системы теплового насоса

Изучив порядок монтажа систем отопления и кондиционирования, основанных на тепловых насосах вы вполне можете провести этот процесс самостоятельно. Во всяком случае, обладая необходимыми знаниями, вы вполне сможете грамотно проверить ход выполнения таких работ сторонними организациями.

На начальном этапе производится расчет необходимой мощности системы. Для этого оцениваются потенциальные теплопотери строения.

На следующем этапе бурятся скважины под внешний контур отопительно-охладительной системы.

бурение скважины

В пробуренные скважины устанавливаются специальные, заранее изготовленные геотермальные зонды.

геотермальные датчики (внешний вид)

опускаем датчик в скважину

Внешний контур системы соединяется с коллектором, расположенным внутри здания. Параллельно изготавливается и устанавливается сам коллектор внешнего контура.

соединение с коллектором 1

соединение с коллектором 2

канава под тепловую систему

коллектор внешнего контура

Рассчитывается и проектируется система отопления и охлаждения. Непосредственно после расчета производится ее монтаж: строится система теплых полов или комбинированных вентиляторов. При применении фанкойлов до места их расположения монтируются вентиляционные каналы.

напольный фейкнол

подвесной фейкнол

коллектор теплого пола

коллектор системы отопления

монтаж коллектора

Вся система соединяется в единое целое. После сбора производится наполнение всей системы рабочими жидкостями и тестовое подключение.

тепловое оборудование в сборе

В течении некоторого времени построенная система прогоняется на различных режимах работы. В зависимости от достигнутых показателей проводится тонкая регулировка и настройка.

В связи с технологической сложностью регулировки, контрольные показатели с системы снимаются ежемесячно на протяжении одного года. В дальнейшем система, как правило начинает работать по годовому циклу и не требует столь частой проверки.

Ряд организаций, монтирующие отопительно-охладительные системы с использованием «тепловых насосов» предлагает услуги по удаленной регулировке и настройке параметров системы. В этом случае физического присутствия наладчика в вашем доме не требуется.

Особенности монтажа ТН системы воздух-воздух

Монтаж ТН воздух-воздух чем-то напоминает установку сплит-системы. В устройстве присутствует два блока – внешний и внутренний, соединенных между собой контуром, по которому циркулирует хладагент.

Наружный или внешний блок теплового насоса, монтируется на улице. Некоторые модели устанавливаются в специальный защитный кожух. Станция настолько легкая, что ее монтаж допускается даже на кровле здания. Рекомендуется, чтобы ТН воздух-воздух устанавливался приблизительно в 2-3 м от входа в жилые помещения.

Внутренний блок размещают таким образом, чтобы потоки нагретого воздуха, максимально эффективно распространялись по помещению. Допускается настенная и потолочная установка.

Централизованное воздушное отопление дома с помощью теплового насоса воздух-воздух, при постоянном проживании, требует использования системы принудительного нагнетания воздуха. Протяженность воздушных каналов и их расположение, тщательно просчитывается во время изготовления проектной документации.

Установка теплового насоса – это сложный технологический процесс, поэтому, выполнение работ выполняют специализированные монтажные бригады, имеющие соответствующую лицензию.

Преимущества и недостатки ТН воздух-воздух

Отзывы реальных владельцев о тепловых насосах системы воздух-воздух, помогают составить точную картину, относительно энергоэффективности использования альтернативных методов обогрева, а также получить представление о существующих преимуществах и недостатках.

Отопление дома ТН воздух-воздух имеет следующие плюсы:

Экономия средств – даже при значительных первоначальных затратах, теплонасос самоокупается уже через 3-6 лет эксплуатации. Так как оборудование рассчитано на 30-50 лет службы, выгоды очевидны. Затраты на электроэнергию, в течение всего отопительного сезона, в 3-5 раз меньше чем у электрокотла.

Полная независимость от традиционных видов топлива. Главное преимущество отопления ТН воздух-воздух заключается в производстве тепловой энергии, без использования газа, твердого и жидкого топлива, и т.д. При условии установки солнечных панелей, можно отказаться и от внешнего электричества.

Экологичность – во время работы используют возобновляемые источники тепловой энергии, полностью отсутствуют вредные выбросы.

Конечно, у теплонасосов есть свои слабые стороны, которые время от времени пытаются исправить производители. К ним относятся:

Зависимость КПД от наружной температуры – производители постоянно совершенствуют системы. Современное оборудование способно работать при -15 -25°С. Эффективность при низких температурах заметно снижается, что ограничивает применение модулей для отопления помещений в условиях Севера.

Большие материальные затраты на приобретение и монтаж теплонасоса. Главный недостаток ТН воздух – воздух, по причине которого, станции не получили широкого распространения в отечественных условиях.

Перспективы использования ТН воздух-воздух достаточно оптимистичные. Сравнительно недавно, несколько крупных производителей объявили о разработке модулей, способных работать при отрицательной температуре до -32°С. Постоянно делается акцент на удешевлении продукции, чтобы сделать ее доступной для потребителей среднего класса, улучшается производительность (средние показатели СОР у современных моделей равны 5-8 единицам).

Что учесть при выборе? Производители и цены

Что обычно учитывается при выборе ТН типа вода-вода?

• Производительность;
• Фирма-производитель;
• Цена оборудования и монтажа.

Наличие функции подогрева воды для ГВС

Стоит обратить на это внимание, поскольку горячее водоснабжение присутствует далеко не во всех моделях тепловых насосов;
Ещё одна важная функция – это возможность управления отоплением в автоматическом режиме. Это позволяет сделать управление более комфортным

Для этого в системе устанавливается контроллер. В современных системах управление может выполняться с пульта дистанционного управления или смартфона;
При расчёте, изготовлении и установке тепловых насосов вода-вода не обойтись без помощи специалистов. Но основы всего этого вам лучше знать, чтобы понимать, что вам предлагают фирмы-производители.

Коллектор для погружения в водоём

Ниже приводятся некоторые наиболее популярные компании, занимающиеся выпуском тепловых насосов:

• Фирма из Германии, занимающаяся выпуском установок geoTHERM для горячего водоснабжения и отопления. Модели этой компании отличаются высокими коэффициентами СОР. Их можно использовать в жилых и производственных помещениях. Температура теплоносителя на выходе обеспечивается примерно 55─65 градусов Цельсия. Модельный ряд Vaillant geoTHERM изготавливается с качественной звукоизоляцией. То есть, оборудование можно установить прямо в жилом помещении;
• Этот производитель из Швеции специализируется на выпуске отопительного оборудования. Причём всё это оборудование функционирует на базе возобновляемой энергии. Они выпускают качественное, экономичное и производительное оборудование, которое хорошо встраивается в имеющиеся системы отопления. В частности, его можно подключить к солнечным коллекторам. Nibe выпускают и их тоже. В результате предлагаются автономные системы отопления только с использованием альтернативной энергии;
• Эта фирма из США появилась на российском рынке примерно 10 лет назад. Основное направление деятельности – это проектирование, производство и установка климатических установок. Это тепловые насосы, которые используют тепловую энергию воздуха, воды, земли и солнца. Модели линейки Mammoth три в одном совмещают такие функции, как охлаждение и нагрев воздуха в помещении, а также обеспечение горячего водоснабжения. Производительность установки может доходить до 46 киловатт.

Тепловой насос вода-вода

Хотя этот интервал достаточно условный и может меняться в зависимости от места установки и ценовой политики компании.

Схемы установки в системах различных типов

Для начала уточним место, где ставить проточный насос, обеспечивающий циркуляцию воды через котел и принудительно направляющий ее к радиаторам системы отопления. По словам нашего эксперта Владимира Сухорукова. чей опыт заслуживает доверия, место монтажа нужно выбирать таким образом, чтобы агрегат было удобно обслуживать. На подаче он должен стоять после группы безопасности и отсекающей котел арматуры, как это показано на схеме установки:

Чтобы оборудование можно было снимать и обслуживать, нужно ставить отсекающие краны

На обратке насос необходимо ставить непосредственно перед теплогенератором, причем в тандеме с фильтром — грязевиком, чтобы не пришлось покупать и монтировать лишние краны. Схема обвязки перекачивающего агрегата выглядит так:

При монтаже на обратке используется на 1 кран меньше

Рекомендация. Устанавливать таким способом циркуляционный насос можно как в закрытую, так и в открытую систему отопления, разницы большой нет. Утверждение касается и коллекторной системы, где теплоноситель движется к радиаторам по отдельным подводкам, присоединенным к распределительной гребенке.

Отдельный вопрос — открытая система отопления с циркуляционным насосом, способная работать в 2 режимах – принудительном и самотечном. Последний полезен для жилищ, где часто происходят отключения электроэнергии, а купить блок бесперебойного питания либо генератор хозяевам не позволяют доходы. Тогда аппарат с отсекающей арматурой нужно ставить на байпасе, а в прямую линию врезать кран, как это изображено на схеме:

Эта схема может работать в принудительном и самотечном режиме

Важный момент. В продаже встречаются готовые байпасные узлы с насосом, где вместо крана на протоке стоит обратный клапан. Подобное решение нельзя назвать правильным, поскольку обратный клапан пружинного типа создает сопротивление порядка 0.08—0.1 Бар, что слишком много для самотечной системы отопления. Вместо него можно применить лепестковый клапан, но его надо ставить только в горизонтальном положении.

Напоследок разъясним, как установить и выполнить подключение циркуляционного насоса к котлу, сжигающему твердое топливо. Как было сказано выше, агрегат лучше поставить на магистрали, идущей из системы отопления к теплогенератору, что и показано на схеме:

Как видите, в обвязке применено подключение насоса в котловой контур циркуляции с байпасом и трехходовым смесительным клапаном

О важной роли этих элементов обвязки подробно рассказано здесь

Установка своими руками

Перед установкой самодельного ТН и даже покупного желательно составить проект отопления. Предварительно производится расчет тепловых потерь в помещении. Это требуется для того, чтобы подобрать наиболее эффективный насос, который будет снабжать теплом в необходимом количестве. Для монтажа оборудования требуется оценка технических условий.

Если хочется приобрести ТН, который берет тепло из земли, тогда нужно изучить состав грунта и глубину его промерзания. Перед установкой пробурить отверстия на необходимую глубину.

При установке ТН «вода — вода» требуется изучить водоем и глубину его промерзания. Потом сделать вычисления необходимой длины контура и оптимальной глубины для погружения рукава.

Средняя стоимость проектирования и подготовительных работ составляет около 35 тысяч рублей (без бурения). Сама установка насоса не требует много времени и занимает примерно 2-3 рабочих дня.

При установке ТН необходимо придерживаться намеченного плана работ:

• бурение скважины;
• установка зондов и их погружение на глубину;
• погружение коллектора, в который установлены теплообменники;
• опускание труб с теплоносителем, а также — с хладагентом;
• разводка труб и их соединение;
• установка баков, снабженных термометром и нагревательным элементом;
• подключение к электросети;
• подключение к системе отопления дома;
• пробный запуск системы.