Как сделать геотермальный тепловой насос из кондиционера

Хозяин частного дома хочет минимизировать расходы на отопление. В этом отношении тепловые насосы намного более рентабельны, чем другие варианты отопления, обеспечивая 2,5-4,5 кВт тепла на каждый киловатт потребляемой электроэнергии. Обратная сторона медали: для получения дешевой энергии нужно вложить большие деньги в оборудование, самый скромный отопительный агрегат на 10 кВт обойдется в 3500 куб. (Стартовая цена).

Единственный способ снизить затраты в 2-3 раза — это сделать тепловой насос своими руками (сокращенно TH). Рассмотрим несколько реалистичных вариантов, собранных и проверенных мастерами-энтузиастами на практике. Поскольку производство сложного устройства требует базовых знаний о холодильном оборудовании, давайте начнем с теории.

Особенности и принцип работы ТН

Чем тепловой насос отличается от других систем отопления дома

• В отличие от бойлеров и обогревателей, устройство само по себе не генерирует тепло, а, как и кондиционер, перемещает его внутри здания;
• ВТ называется насосом, потому что он «качает» энергию от малоценных источников тепла — воздуха, воды или земли;
• устройство питается исключительно от электроэнергии, потребляемой компрессором, вентиляторами, циркуляционными насосами и пультом управления;
• Работа основана на цикле Карно, который используется во всем холодильном оборудовании, таком как кондиционеры и сплит-системы.

В режиме обогрева обычная сплит-система нормально работает при температуре выше минус 5 градусов; в сильный мороз КПД резко падает.

Ссылка. Тепло содержится в любом веществе, температура которого выше абсолютного нуля (минус 273 градуса). Современные технологии позволяют собирать указанную энергию из воздуха с температурой до -30 градусов по Цельсию, а также с земли и воды с температурой до +2 градусов по Цельсию.

В цикле теплопередачи Карно присутствует рабочее тело — газообразный фреон, кипящий при отрицательной температуре. За счет чередования испарения и конденсации в двух теплообменниках хладагент поглощает энергию окружающей среды и передает ее в здание. В целом принцип работы теплового насоса такой же, как и у кондиционера, включенного на обогрев:

1. Находясь в жидкой фазе, фреон движется по трубкам внешнего теплообменника — испарителя, как показано на рисунке. Отводя тепло из воздуха или воды через металлические стенки, хладагент нагревается, закипает и испаряется.
2. Затем газ поступает в компрессор, который повышает его давление до расчетного. Его задача — поднять температуру кипения вещества, чтобы фреон конденсировался при более высокой температуре.
3. Пройдя через внутренний теплообменник — конденсатор, газ снова превращается в жидкость и передает накопленную энергию непосредственно теплоносителю (воде) или воздуху в помещении.
4. На последнем этапе жидкий хладагент поступает в влагоотделитель, а затем в дроссельное устройство. Давление вещества снова падает, фреон готов пройти второй цикл.

Принципиальная схема теплового насоса аналогична сплит-системе.

Внимание. Обычные сплит-системы и заводские тепловые насосы разделяют способность передавать энергию в обоих направлениях и работают в двух режимах — нагрев / охлаждение. Переключение осуществляется четырехходовым реверсивным клапаном, который меняет направление потока газа в контуре.

В бытовых кондиционерах и чиллерах используются различные типы термостатических клапанов для снижения давления хладагента перед испарителем. В домовых сплит-системах простое капиллярное устройство действует как регулятор, а насосы оснащены дорогим термостатическим расширительным клапаном (TAV).

Следует помнить, что описанный выше цикл распространяется на все типы тепловых насосов. Разница заключается в способе подачи / отвода тепла, который мы перечислим ниже.

Типы дроссельной арматуры: капиллярная трубка (фото слева) и терморегулирующий вентиль (ТРВ).

Разновидности установок

Принято считать, что ВН классифицируются по типам в зависимости от получаемого ими источника энергии и типа теплоносителя, который используется для транспорта:

1. Насосы воздух-воздух наиболее близки к традиционным сплит-системам, отличие заключается во внешней поверхности испарителя. Блок отбирает тепло из окружающей среды и передает его прямо в воздух помещения, как обычный кондиционер.
2. Конструкция генераторов воздух-вода идентична, но требует подогрева воды или антифриза, циркулирующего в системе отопления квартиры.
3. Водо-водяная установка забирает низкопотенциальное тепло от резервуара для воды и передает его жидкому теплоносителю. В нем используется дополнительный внешний теплообменник из труб, погруженных в колодец, озеро, скважину или септик. Циркуляция воды через испаритель обеспечивается вторым насосом.
4. Геотермальная система VT использует тепло земли и нагревает внутренний теплоноситель. Внешний контур теплообмена представляет собой змеевик с незамерзающей жидкостью, заглубленный на глубину 1,5-2 м и покрывающий большую площадь. Второй вариант — несколько вертикальных зондов из труб, заделанных в скважины на глубине 10-100 метров.

Ссылка. Разновидности теплового насоса перечислены в порядке увеличения стоимости устройства, включая установку. Воздушные установки самые дешевые, геотермальные — дорогие.

Основным параметром, характеризующим тепловой насос для отопления дома, является коэффициент COP, который равен отношению полученной энергии к потребляемой. Например, относительно недорогие воздухонагреватели не могут похвастаться высоким КПД — 2,5 … 3,5. Уточним: израсходовав 1 кВт электроэнергии, установка дает в дом 2,5-3,5 кВт тепла.

Способы получения тепла из водных источников: от пруда (слева) и через колодцы (справа)

Водные и грунтовые системы более эффективны, их реальный коэффициент находится в пределах 3 … 4,5. КПД — это переменная величина, зависящая от многих факторов: конструкции контура теплообмена, глубины погружения, температуры и расхода воды.

Важная заметка. Водяные тепловые насосы без дополнительных контуров не способны нагреть теплоноситель до температуры 60-90 ° С. Нормальная температура воды от TH — 35 … 40 градусов, котлы здесь явно выигрывают. Отсюда рекомендация производителя: подключать устройство к низкотемпературному отоплению — водяные теплые полы.

Какой ТН лучше собирать

Сформулируем задачу: нужно построить домашний тепловой насос с минимальными затратами. Из этого можно сделать ряд логических выводов:

1. При установке придется использовать минимум дорогих деталей, поэтому добиться высокого КПД не удастся. По КПД наш экземпляр проиграет заводским моделям.
2. Поэтому нет смысла чисто кондиционировать TH, проще использовать инверторный кондиционер в режиме обогрева.
3. Чтобы получить реальную выгоду, необходимо построить тепловой насос типа «воздух-вода», «вода-вода» или геотермальную установку. В первом случае может быть достигнут КПД около 2–2,2, в других случаях КПД составляет 3–3,5.
4. Нет необходимости в контурах теплого пола. Теплоноситель, нагретый до 30-35 градусов, не совместим с радиаторной сетью, кроме южных регионов.

Отслеживание внешней петли VT до пруда

Внимание. Производители уверяют: инвертор сплит-системы работает при уличной температуре минус 15-30 ° С. Фактически, эффективность нагрева значительно снижается. По отзывам домовладельцев, в морозные дни внутренний блок доставляет едва теплый воздух.

Для реализации водного варианта ТН необходимо выполнение определенных условий (необязательно):

• резервуар для воды на расстоянии 25-50 м от квартиры; на большем расстоянии потребление электроэнергии значительно повысится за счет эффективного циркуляционного насоса;
• Колодец или скважина с достаточным запасом воды и местом для ее сброса (скважина, вторая скважина, дренажная канава, канализация);
• сборная канализационная труба (если разрешено к ней подключаться).

Рассчитать расход грунтовых вод несложно. В процессе отвода тепла ТН собственного производства понизят свою температуру на 4-5 ° C, следовательно, объем потока определяется теплоемкостью воды. Для получения 1 кВт тепла (дельта температуры воды 5 градусов) через TH необходимо пропустить около 170 литров в час.

Чтобы отапливать дом площадью 100 м², нужна мощность 10 кВт и расход воды 1,7 тонны в час — внушительный объем. Такой тепловой насос для воды подойдет для небольшого дома площадью 30-40 м², желательно утепленного.

Как геотермальный тепловой насос извлекает тепло

Установка геотермальной системы более реалистична, хотя процесс довольно трудоемкий. Вариант горизонтального расположения труб на поверхности на глубине 1,5 м отвергается сразу — придется перекопать весь участок или оплатить услуги землеройных машин. Способ вырезания колодцев намного проще и дешевле, практически не нарушая ландшафта.

Простейший тепловой насос из оконного кондиционера

Как несложно догадаться, для создания ВТ воздух-вода необходим эффективный оконный охладитель. Очень желательно покупать модель, оборудованную реверсивным клапаном и способную работать на обогрев, иначе придется переделывать фреоновый контур.

Кончик. При покупке кондиционера б / у обратите внимание на шильдик, на котором указаны технические параметры бытовой техники. Интересующий параметр — холодопроизводительность устройства (выражается в киловаттах или британских тепловых единицах — BTU).

Тепловая мощность агрегата больше, чем холодопроизводительность, и равна сумме этих двух параметров — мощности плюс тепло, выделяемое компрессором.

Если повезет, даже отпустить фреон и перепаять трубы не придется. Как превратить кондиционер в тепловой насос:

1. Снимите верхнюю крышку прибора и открутите внешний теплообменник от ванны. Осторожно отодвиньте радиатор в сторону, стараясь не перегибать трубы хладагента.
2. Снимите внешний ротор с общего вала.
3. Сделайте металлический резервуар по длине внешнего теплообменника, увеличив его ширину на 10-15 см. Закрепите штуцеры проточной воды на боковых стенках.
4. Чтобы радиатор не замерз, увеличьте поверхность теплообмена, добавив по бокам медные или алюминиевые пластины (в зависимости от материала теплообменника).
5. Погрузите радиатор в бак, желательно, не перерезая фреоновые магистрали. Сделайте плотную крышку и закройте впускные отверстия контура.
6. Подсоедините шланги на входе и выходе воды к соединениям и подключите циркуляционные насосы. Заполните бак и проверьте на герметичность.

Рекомендация. Если теплообменник нельзя поместить в резервуар, не повредив трубы фреона, попробуйте выпустить газ и отрезать трубы в нужных местах (подальше от испарителя). После сборки узла водяного теплообменника контур необходимо будет паять и заправлять фреоном. На табличке также указано количество хладагента.

Теперь осталось запустить импровизированный TH и отрегулировать расход воды для максимальной эффективности. Примечание: в импровизированном обогревателе используется полностью заводская «мелочь», вы всего лишь перенесли обогреватель из воздушной среды в жидкую. Как работает система в реальной жизни, смотрите видео мастера:

Делаем геотермальную установку

В то время как предыдущий вариант дает примерно двойную экономию, даже бытовой контур заземления дает COP около 3 (три киловатта тепла на 1 кВт потребляемой электроэнергии). Правда, финансовые затраты и трудозатраты тоже существенно возрастут.

Хотя в Интернете опубликовано множество примеров того, как собрать такие устройства, универсальной инструкции с чертежами нет. Мы предлагаем рабочую версию, собранную и протестированную настоящим домашним энтузиастом DIY, хотя многие вещи придется изобретать и дорабатывать самостоятельно — сложно уместить всю информацию о тепловых насосах в одной публикации.

Расчет грунтового контура и теплообменников насоса

В соответствии с вашими собственными рекомендациями, давайте начнем расчеты геотермального насоса с вертикальных U-образных зондов, помещенных в скважины. Необходимо знать общую длину внешней окружности, затем глубину и количество вертикальных валов.

Например, ввод: Односемейный дом с теплоизоляцией, 80 м² и высотой потолка 2,8 м, расположенный в центре села, отапливается. Рассчитывать тепловую нагрузку не будем, будем определять потребность в тепле по площади с учетом теплоизоляции — 7 кВт.

По желанию можно построить горизонтальный коллектор, но тогда придется выделить больше места для раскопок.

Важное объяснение. Инженерные расчеты для тепловых насосов сложны и требуют высокого уровня знаний, и по этой теме есть целые книги. В этой статье мы представляем упрощенные расчеты из практического опыта строителей и мастеров-любителей.

Интенсивность теплообмена между почвой и циркулирующей незамерзающей жидкостью зависит от типа почвы:

• На 1 погонный метр вертикального зонда, погруженного в грунтовые воды, уходит 80 Вт тепла;
• на каменистых почвах тепловыделение составит около 70 Вт / м;
• Влагонасыщенные глинистые почвы дают около 50 Вт / м коллектора;
• Сухие камни — 20 Вт / м.

Ссылка. Вертикальный зонд состоит из 2-х петель труб, опущенных на дно ямы и забетонированных.

Пример расчета длины трубы. Чтобы извлечь необходимые 7 кВт тепловой энергии из сырой глинистой почвы, разделите 7000 Вт на 50 Вт / м, общая глубина зонда составит 140 метров. Теперь труба проходит через 20-метровые отверстия, которые можно просверлить своими руками. Всего 7 скважин с 2 контурами теплообмена на общую длину трубы 7 х 20 х 4 = 560 м.

Следующим шагом является расчет площади теплообмена испарителя и конденсатора. В различных онлайн-источниках и форумах представлены различные формулы расчета, большинство из которых неверны. Мы не решаемся рекомендовать такие методы и вводить вас в заблуждение, но мы предложим вам умный вариант:

1. Свяжитесь с любым известным производителем пластинчатых теплообменников, таким как Alfa Laval, Kaori, Anvitek и т. д. Вы можете перейти на официальный сайт бренда.
2. Заполните форму выбора теплообменника или свяжитесь с менеджером по телефону и запросите выбор, указав параметры (например, защита от замерзания, фреон), температуру на входе и выходе и тепловую нагрузку.
3. Специалист произведет необходимые расчеты и предложит подходящую модель теплообменника. Среди его особенностей мы находим главную — зону обмена.

Пластинчатые устройства очень эффективны, но дороги (200-500 евро). Дешевле собрать кожухотрубный теплообменник из медных труб наружным диаметром 9,5 или 12,7 мм. Умножьте значение, указанное производителем, на коэффициент безопасности 1,1 и разделите на длину окружности трубы, чтобы получить квадратный метр.

Пластинчатый теплообменник из нержавеющей стали — идеальный испаритель, он эффективен и занимает мало места. Проблема в высокой цене товара.

Пример. Площадь теплообмена в предлагаемом устройстве составила 0,9 м². Выбирая медную трубу ½ «диаметром 12,7 мм, рассчитываем длину окружности в метрах: 12,7 х 3,14 / 1000 ≈ 0,04 м. Общая окружность рассчитывается следующим образом: 0,9 x 1,1 / 0,04 м ≈ 25 м.

Оборудование и материалы

Будущий тепловой насос предлагается строить на базе разветвленного наружного блока соответствующей мощности (указана на табличке). Почему лучше использовать б / у кондиционер:

• устройство уже укомплектовано всеми комплектующими — компрессором, дроссельной заслонкой, бачком и пусковой электрикой;
• Самодельные теплообменники можно разместить в корпусе холодильного прибора;
• имеет удобные сервисные порты для заправки фреоном.

Внимание. Опытные пользователи выбирают свое оборудование отдельно — компрессор, расширительный клапан, контроллер и т. д. При наличии опыта и знаний такой подход только приветствуется.

Монтировать ТН на базе старого холодильника нецелесообразно — слишком мала емкость устройства. В лучшем случае из них можно выжать до 1 кВт тепла, чего хватит для обогрева одного небольшого помещения.

Помимо наружного сплит-блока потребуются следующие материалы:

• Труба ПНД Ø20 мм — для контура заземления;
• Фитинги полиэтиленовые для сборки коллектора и подключения к теплообменникам;
• циркуляционные насосы — 2 шт;
• манометры, термометры;
• качественная водопроводная труба или труба ПНД диаметром 25-32 мм для рубашки испарителя и конденсатора;
• медные трубы Ø9,5-12,7 мм с толщиной стенки не менее 1 мм;
• изоляция трубопроводов и линий хладагента;
• комплект для герметизации греющих кабелей, проложенных внутри водопроводных труб (понадобится для герметизации концов медных труб).

Набор сальников для герметичного ввода медных труб

Внешний теплоноситель — морская вода или антифриз для отопления — этиленгликоль. Также потребуется запас фреона, торговая марка которого указана на шильдике сплит-системы.

Сборка теплообменного блока

Прежде чем приступить к установке, разберите наружный блок — снимите все крышки, выньте вентилятор и большой стандартный кулер. Отсоедините катушку управления реверсивным клапаном, если вы не планируете использовать насос в качестве охладителя. Датчики температуры и давления необходимо сохранить.

Основная процедура сборки VT:

1. Сделайте конденсатор и испаритель, вставив в центр шланга медную трубку рассчитанной длины. На концах установить тройники для подключения контура заземления и отопления, заделать выступающие медные трубы специальным комплектом для греющих кабелей.
   
2. Используя кусок пластиковой трубы Ø150–250 мм в качестве сердечника, намотайте импровизированные двухтрубные контуры и расположите концы, как показано на видео ниже.
3. Установите и закрепите оба кожухотрубных теплообменника вместо исходного радиатора и припаяйте медные трубки к соответствующим выходам. Горячий теплообменник — конденсатор лучше всего подсоединять к сервисным патрубкам.
   
4. Установите заводские датчики для измерения температуры хладагента. Изолируйте оголенные участки труб и сами теплообменники.
5. Установите термометры и счетчики на водопроводных линиях.

Кончик. Если основной блок будет установлен на открытом воздухе, необходимо принять меры для предотвращения замерзания масла в компрессоре. Покупка и установка комплекта электрического подогревателя зимнего поддона.

Еще один способ построить испаритель можно найти на тематических форумах — медную трубку сворачивают, а затем вставляют в закрытую емкость (емкость или бочку). Этот вариант вполне разумен при большом количестве змеевиков, когда вычислительный теплообменник просто не помещается в корпус кондиционера.

Устройство грунтового контура

На этом этапе выполняются простые, но трудоемкие земляные работы, и зонды вставляются в отверстия. Последнюю операцию можно проводить вручную или с помощью дрели. Расстояние между соседними проемами не менее 5 м. Дальнейший порядок работы:

1. Между отверстиями выкопайте неглубокую траншею для прокладки подводящих труб.
2. Поместите по 2 петли полиэтиленовой трубы в каждое отверстие и залейте ямы бетоном.
3. Подвести трубы к месту подключения и установить общий коллектор с фитингами из ПНД.
4. Уложенные в земле трубы утеплить и засыпать землей.

На фото слева показана вставка зонда в пластиковый кожух, а на фото справа — прокладка проводов в траншее.

Важная заметка. Перед бетонированием и засыпкой проверьте герметичность контура. Например, мы подключаем к коллектору воздушный компрессор, накачиваем давление до 3-4 бар и оставляем на несколько часов.

При подключении проводов руководствуйтесь схемой ниже. Отводы с кранами необходимы для заполнения установки рассолом или этиленгликолем. Проложите две основные трубы от коллектора к тепловому насосу и подключите к «холодному» теплообменнику — испарителю.

Вентиляционные отверстия должны быть установлены в самых высоких точках обоих водяных контуров, не показанных на схеме.

Не забудьте установить насосный агрегат, отвечающий за циркуляцию жидкости, направление потока — навстречу фреону в испарителе. Хладагенты, протекающие через конденсатор и испаритель, должны двигаться относительно друг друга. Посмотрите видео, как правильно заливать трубы холодной стороны:

Точно так же конденсатор подключается к системе теплого пола. Из-за низкой температуры подачи нет необходимости устанавливать смесительный узел с трехходовым клапаном. Если необходимо совместить TH с другими источниками тепла (солнечными коллекторами, котлами), следует использовать буферный накопитель с несколькими выходами.

Заправка и запуск системы

После того, как агрегат установлен и подключен к источнику питания, важно заправить систему хладагентом. Вот и ловушка: неизвестно, сколько нужно заправить фреона, так как объем главного контура значительно увеличился из-за установки импровизированного конденсатора испарителя.

Эта проблема решается методом наддува путем измерения давления и температуры перегрева на входе в компрессор (туда подается фреон в газообразном состоянии). См. Инструкции ниже для получения подробных инструкций о том, как заливать с помощью метода измерения температуры.

Во второй части представленного видео показано, как заправить систему хладагентом R22 в зависимости от давления и температуры перегрева хладагента:

По завершении зарядки включите оба циркуляционных насоса на первую скорость и запустите компрессор. Проверьте температуру рассола и внутренней охлаждающей жидкости с помощью термометров. Во время фазы разогрева трубопровод хладагента может замерзнуть, а затем расплавиться.

Заключение

Построить и ввести в эксплуатацию геотермальный тепловой насос своими руками — дело непростое. Скорее всего, это потребует нескольких исправлений, исправлений ошибок и исправлений. Как правило, большинство неисправностей самодельных тепловых насосов вызвано неправильной установкой или заполнением основного контура теплообмена. Если прибор сразу дает сбой (срабатывает автоматика безопасности) или не нагревает хладагент, стоит вызвать специалиста по холодильной технике — он проведет диагностику и укажет на ошибки.