Как устроен тепловой насос «вода-вода» и сделать его самостоятельно

Особенности оборудования

В семидесятые годы в Америке примечательный изобретатель Евгений Френетт показал миру свое создание – тепловой насос Френетта, названный в честь своего открывателя.

Примечателен он в первую очередь тем, что КПД превышает 100%. Некоторые верят и в 700 и 1000 процентов, но скептики, оперирующие физическими законами, не поддерживают их — это, все-таки, преувеличение.

Сфера применения насоса Френетта не ограничивается жилыми помещениями. Его с успехом применяют на производстве.

В свое время этот прибор был очень популярен, поэтому энтузиасты изучали его схему, все больше совершенствуя конструкцию теплового насоса.

Основной принцип все так же не изменился: создатель устройства предлагал простое, но гениальное в своей простоте изобретение. Все основывается на выделении тепла вследствие трения.

Когда он представлял впервые тепловой насос Френетта, схема была такова:

• Два цилиндра отличного размера: меньший в большем. В небольшом промежутке между ними масло.
• Малый мотор оборудован с одной стороны вентилятором, с другой – двигателем (электромотор).
• Внешний корпус подразумевал пазы для воздуха, а оптимизировал работу установки термостат.

Теперь разберемся, как примерно функционировал данный агрегат, который по своей конструкции отличается от большинства привычных и знакомых нам климатических устройств.

За счет вращения малого цилиндра разогревается масло. Вентилятор распространяет теплый воздух в помещении.

Несмотря на то, что эта система называется тепловым насосом, с правильным представлением этого термина машина Френетта совпадает только в роли обогревателя.

Тепловой насос должен работать по обратному принципу Карно, преобразуя низкий потенциал окружающей среды в высокий потенциал энергии тепла. Здесь же такого нет.

Многие пытались преображать изобретение, в том числе и сам его создатель. Поэтому можно обнаружить разные виды насоса Френетта.

Конструктивные отличия от вышеописанных нюансов, например, могут быть следующими:

Барабан с цилиндрами находится в горизонтальном положении, по центру проходит вал, конец которого выступает наружу. Вентилятора нет, обычно его заменяет радиатор или же теплоноситель подается сразу в систему

Важно обеспечить герметичность установки. Вид из двух барабанов с крыльчаткой между ними. Разогретое масло выбрасывается из крыльчатки в зазор между ротором и корпусом насоса, обеспечивая максимальную производительность.
Нестандартный вид насоса Френетта, разработка хабаровских ученых

Масло заменено на воду, основа – грибовидный элемент. Образующийся при нагревании и кипении пар движется по каналам со скоростью до 135 метров в минуту. Эта конструкция способна существовать без подвода энергии извне. Применяют его только в промышленных целях

Разогретое масло выбрасывается из крыльчатки в зазор между ротором и корпусом насоса, обеспечивая максимальную производительность.
Нестандартный вид насоса Френетта, разработка хабаровских ученых. Масло заменено на воду, основа – грибовидный элемент. Образующийся при нагревании и кипении пар движется по каналам со скоростью до 135 метров в минуту. Эта конструкция способна существовать без подвода энергии извне. Применяют его только в промышленных целях.

Технология сборки теплонасоса

Рассмотрим подробно схему создания и сборки:

1. Осуществляем расчет насоса. Сделать это можно при помощи специального калькулятора, соотносящего площадь отапливаемых помещений с мощностью системы. В целом, вычислительный процесс происходит следующим образом: калькулятор использует введенные данные (площадь комнат и высоту в них потолков), преобразует их в объем, а на выходе дает рекомендации относительно практически реализуемой мощности насоса для данного случая.
2. Выбор подходящего компрессора. Сразу оговорим один момент (для мастеров «самоделкиных»): компрессор в теплонасосе никогда не создается вручную, поскольку от эффективности его работы будет зависеть работоспособность системы в целом и даже малейшего недочета будет достаточно для выхода из строя всех конструктивных элементов насоса. Подбирать оптимальный вариант следует, исходя из вычисленной мощности насоса: мощность компрессора должен составлять порядка 1/3 от возможной теплоотдачи насоса.
3. Конструирование испарителя. Этот процесс довольно несложен, если подходить к нему серьезно и быть внимательным во время работы. Итак, в качестве этого элемента можно использовать полимерный бак с крышкой. По внутренней поверхности бака протягивается медный змеевик, длина и диаметр которого должна быть определена заранее. Сначала вычисляем площадь трубы по формуле Р=M/0,8ΔT. М – мощность насоса, а ΔT – разница температур. Полученную величину соизмеряем с площадью одного погонного метра трубы. Должным образом согнутую трубу укладываем в бак, выводя концы сверху и снизу. Затем монтируем два отвода (металлические штуцеры). К ним крепим два шланга: вверху – напорный, внизу – отводной (для слива воды).
4. Теперь можно приступать к процессу сборки конденсатора. Он, кстати, практически идентичен процессу сборки испарителя, с той лишь разницей, что вместо полимерного бака используется емкость из нержавеющей стали, а по самой конструкции будет циркулировать уже разогретый теплоноситель.
5. Последний, но не менее важный этап – сборка всех элементов конструкции воедино. Итак, первым делом на подготовленной платформе/фундаменте монтируется компрессор. Затем к его нагнетательному патрубку подсоединяется верхний конденсаторный отвод, а нижний конденсаторный отвод крепится к испарительному. Для этого используется медная трубка, диаметр которой должен соответствовать диаметру змеевиков, установленных внутри конструктивных элементов системы. Осталось подсоединить верхний испарительный отвод с всасывающим компрессорным патрубком. Теперь можно заливать хладагент.

На этом мы заканчиваем рассмотрение особенностей теплового насоса вода-вода и технологии его установки своими руками. Будьте предельно внимательны при выполнении всех работ. Удачи!

Тепловой насос воздух-вода

Установка и эксплуатация теплового насоса ВОЗДУХ-ВОДА

Воздух как источник низкотемпературной тепловой энергии

Теоретически, в качестве источника низкотемпературной тепловой энергии можно использовать воздух, независимо от его температуры. На практике тепловые насосы типа «воздух-вода» эффективны при температуре воздуха не ниже -15 С. На сегодняшний день уже есть в продаже насосы, работающие и при температуре -25 С, но пока стоимость их слишком высока, что делает этот вид теплотехнического оборудования малодоступным для широкого потребителя.

В самом примитивном виде тепловой насос «воздух-вода» можно представить, как кондиционер, используемый для охлаждения окружающей среды и сбрасывающий «лишнее» тепло в отапливаемое помещение.

При этом тепловой насос типа «воздух-вода» не требует рытья котлованов или бурения скважин, прокладки трубопроводов по дну водоемов или устройства вертикальных коллекторов, необходимых для включения в работу тепловых насосов типа «вода-вода» или «грунт-вода». Он прост в эксплуатации и при этом позволяет получать недорогое тепло для отопления дома.

Так же, как и системы кондиционирования, тепловые насосы этого типа могут быть выполнены по 2 компоновочным схемам:

• В виде сплит системы, состоящей из 2 блоков, соединенных коммуникациями
• В виде моноблока

Как правило, моноблок представляет собой единое устройство, собранное в одном корпусе и устанавливаемое внутри дома или снаружи него. При внутренней установке необходимо предусматривать наличие свободного канала для забора воздуха. При этом наружная установка предпочтительнее: она позволяет вынести компрессор, как источник шума за пределы помещения.

На сегодняшний день многие производители выпускают тепловые насосы типа «воздух-вода» именно в виде моноблоков. Это удобно и практично, позволяет свободно перемещать насос и устанавливать его без сложного монтажа и подключения. Единственным недостатком является низкая мощность насосов этого вида: от 3 до 16 кВт.

Сплит-система разделена на два блока, в один из которых входит конденсатор и система автоматического контроля. Он устанавливается внутри помещения. Во второй (наружный) блок входит компрессор. Его Экономическая целесообразность установки тепловых насосов «воздух-вода»

Тепловые насосы воздух вода эффективны при положительной температуре наружного воздуха. Они нашли широкое применение в южных районах нашей страны: на Кубани, в Ставропольском крае и т.д. где сильные морозы редкость, а зимой температура редко опускается ниже нулевой отметки.

Это вовсе не означает, что в других районах нашей страны, с более суровыми климатическими условиями, тепловые насосы этого типа использовать нельзя. Вовсе нет. Просто эффективность работы насоса «воздух-вода» снижается при снижении температуры воздуха одновременно с повышением расходов на электроэнергию, необходимую для обеспечения работы насоса.

Поэтому целесообразность эксплуатации теплового насоса при отрицательной температуре воздуха, а также подбор оборудования в соответствии с требуемой мощностью, должны производиться квалифицированными специалистами-теплотехниками.

На сегодняшний день оптимальным вариантом является использование теплового насоса «воздух-вода» для отопления и горячего водоснабжения при плюсовой температуре окружающей среды и включение в работу котла или другого источника тепловой энергии при наступлении морозов.

Еще одним условием использования теплового насоса для отопления дома является высокая тепловая эффективность строения, отсутствие в нем тепловых потерь, связанных с некачественной теплоизоляцией и сквозняками.

В чем заключается принцип работы теплонасоса?

Данная система состоит из теплового насоса, устройства забора и распределения тепла. При создании внутреннего контура теплонасоса используется компрессор, испаритель, дроссельный клапан и конденсатор. Электроэнергия необходима только для того, чтобы компрессор смог работать.

Разработка принципа работы прибора была произведена еще в 19 веке. Уже тогда он получил название «цикл Карно». Работа насоса заключается в следующем:

• в коллектор производится подача незамерзающей смеси, в качестве которой можно использовать воду со спиртом, соляной раствор или гликолевую смесь. Ее задача заключается в поглощении тепловой энергии с последующей транспортировкой к насосу;
• в испарителе энергия переходит к хладагенту, в результате чего последний начинает вскипать, превращаясь в пар;
• в результате увеличения давления компрессора повышается температура;
• через конденсатор вся тепловая энергия передается теплоносителю системы отопления, размещенной внутри дома, при этом хладагент, охлаждаясь, превращается в жидкое состояние и возвращается в коллектор.

Плюсы и минусы

Монтаж насоса и присоединение его к системе отопления отличается рядом достоинств:

• Автономность – из централизованного элемента стоит выделить только подключение к электросети.
• Существенная экономия на дорогих энергетических носителях, они используются для отопления и позволяют уменьшить финансовые расходы на коммунальные услуги. Из 1 кВт электроэнергии прибор производит от 3 до 7 кВт тепла – это наивысшие коэффициенты среди котлов, которые функционируют на разных видах топлива.
• Экологическая безопасность – оборудование не наносит вред ни окружающей среде, ни здоровью жителей.
• Пожароустойчивость и невоспламеняемость элементов. Такой насос не перегревается, не горит и не выделяет угарный газ.

• Оборудование может охлаждать или же повышать температуру в комнате, создавая необходимый микроклимат в помещении. Он подходит для эксплуатации как зимой, так и летом.
• Длительный срок эксплуатации – в среднем, система может прослужить 40-50 лет, а при правильном монтаже и комфортных условиях эксплуатации срок увеличивается еще на несколько лет.
• Бесшумность во время работы – система управляется в автоматическом режиме, что очень удобно.
• На монтаж насоса не нужно разрешение, как, например, на установку газового оборудования. Купить и установить любую модель прибора вы можете в любой момент, не ходя по различным инстанциям и не ожидая разрешение.

Но как и все оборудование, такие насосы имеют и минусы:

• Приобретение и установка устройства обходится довольно-таки дорого, и далеко не каждому это по карману. Окупаемость оборудования зависит от интенсивности его использования. Но даже в лучшем случае покупка окупится минимум через 5 лет.
• Для монтажа надо обращаться за помощью к специалистам, необходима бурильная и другая техника для обустройства геотермального насоса с вертикальным контуром с глубиной до 200 м. Можно установить самостоятельно, если имеются соответствующие знания и инструменты.
• В регионах, где температура зимой ниже -15 градусов, надо применять еще один тепловой источник. К примеру, бивалентная система отопления, где прибор обогревает комнату, пока на улице -20 градусов. Когда он не выполняет свои задачи, включается электрический обогреватель или газовый котел.

Циркуляционные насосы востребованы среди владельцев домов и компаний, которые размещаются в малоэтажных зданиях. Данные приборы заслужили только положительные отзывы.

Использование тепловых насосов для отопления дома – это, прежде всего, существенная экономия финансовых средств. Наиболее эффективной считается система отопления на грунтовом тепловом насосе. Каждый месяц расходы на него намного меньше, чем затраты при газовом или пеллетном отоплении. Установив тепловой насос, пользователь получает в одной конструкции и кондиционер, и эффективное отопление дома. Некоторыми моделями можно управлять на расстоянии, например, с помощью смартфона через интернет или же с помощью термостата, который находится в доме. А установив солнечные коллекторы или батареи, можно сделать систему полностью автономной, и повышение тарифов на энергоносители вас совсем не будет волновать.

Основные виды геотермальных тепловых насосов

Всего выделяют четыре типа специализированных коллекторов, поставляющих тепловую энергию. К ним относятся:

• Горизонтальные тепловые насосы, располагаемые на глубине около полутора метров — именно на том уровне, который залегает глубже промерзания грунта. Данный вариант предпочтителен для жилых объектов.
• Вертикальные тепловые насосы, располагающиеся в специальных скважинах глубиной около полутора сотен метров. Данное решение становится актуальным в том случае, когда территории для горизонтального размещения контура попросту нет.
• Грунтовые водные насосы подразумевают циркулирование воды по системе геотермального теплового насоса, которая выступает в качестве рабочей теплообменной жидкости. После того как она проходит по всему контуру, завершающим этапом является её благополучное возвращение в грунт.
• Водные тепловые насосы — самый привлекательный вариант в плане стоимости. Располагать их можно в любом водоеме, глубина промерзания которого выше глубины закладки оборудования. Также в процессе установки необходимо соблюсти существующие требования по объёму воды в водоеме и его размерам.

На сегодняшний день все четыре типа коллектора используются достаточно активно, выбирают их, исходя из условий эксплуатации и возможностей пользователя — характеристик здания, бюджета и др.

Рекомендуемое оборудование

Выбор типа теплового насоса

Основным показателем этой системы обогрева является мощность. От мощности в первую очередь будут зависеть и финансовые затраты на покупку оборудования и выбор того либо иного источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность тепловой насосной системы, тем больше стоимость комплектующих элементов.

В первую очередь имеется в виду мощность компрессора, глубина скважин для геотермических зондов, либо площадь для размещения горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты являются своеобразной гарантией того, что система будет эффективно работать.

При наличии рядом с личным участком водоема наиболее рентабельным и производительным выбором станет тепловой насос вода-вода

Использование тепла земли напротив предполагает большое количество работ, связанных с выемкой грунта. Системы, которые в качестве низкопотенциального тепла используют водную среду, считаются наиболее эффективными.

Устройство теплового насоса, извлекающего тепловую энергию из грунта, предполагает проведение внушительного количества земляных работ. Закладывается коллектор ниже уровня сезонного промерзания

Использовать тепловую энергию грунта можно двумя способами. Первый предполагает бурение скважин диаметром 100-168 мм. Глубина таких скважин, в зависимости от параметров системы, может достигать 100 м и более.

В эти скважины помещают специальные зонды. При втором способе используется коллектор из труб. Такой коллектор размещается под землей в горизонтальной плоскости. Для этого варианта необходимо достаточно большая площадь.

Сооружение для забора тепловой энергии одной глубокой скважиной может оказаться немногим дешевле рытья котлована

Но веский плюс заключается в существенной экономии места, что важно для владельцев небольших участков. В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах. В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах

В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах.

https://youtube.com/watch?v=2pEnKfMgf7g

Отбор тепловой энергии в таких системах путем перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, части которого расположены в скважинах. Такая система нуждается в установке фильтра и периодической чистке теплообменника.

Самая простая и дешевая схема теплового насоса основана на извлечении тепловой энергии из воздуха. Некогда она стала базой для устройства холодильников, позже согласно ее принципам разработаны были кондиционеры.

Самая простая тепловая насосная система получает энергию из воздушной массы. Летом она участвует в отоплении, зимой в кондиционировании. Минус системы в том, что в самостоятельном исполнении агрегат с недостаточной мощностью

Эффективность различных типов данного оборудования не одинакова. Наименьшими показателями обладают насосы, использующие воздушную среду. К тому же эти показатели напрямую зависят от погодных условий.

Грунтовые разновидности тепловых насосов имеют стабильные показатели. Коэффициент эффективности данных систем варьируется в пределах 2,8 -3,3. Наибольшей эффективность обладают системы вода-вода. Это связано, в первую очередь, со стабильностью температуры источника.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы теплового насоса, считается его коэффициент преобразования. Чем выше коэффициент преобразования, тем эффективнее считается тепловой насос.

Коэффициент преобразования теплового насоса выражается через отношение показателей теплового потока и электрической мощности, затраченной на работу компрессора

Выбор типа теплового насоса

Основным показателем этой системы обогрева является мощность. От мощности в первую очередь будут зависеть и финансовые затраты на покупку оборудования и выбор того либо иного источника низкотемпературного тепла. Чем выше мощность тепловой насосной системы, тем больше стоимость комплектующих элементов.

В первую очередь имеется в виду мощность компрессора, глубина скважин для геотермических зондов, либо площадь для размещения горизонтального коллектора. Правильные термодинамические расчеты являются своеобразной гарантией того, что система будет эффективно работать.

При наличии рядом с личным участком водоема наиболее рентабельным и производительным выбором станет тепловой насос вода-вода

Для начала следует изучить участок, который планируется для монтажа насоса. Идеальным условием будет наличие на этом участке водоема. Использование варианта типа вода-вода значительно сократит объем земляных работ.

Использование тепла земли напротив предполагает большое количество работ, связанных с выемкой грунта. Системы, которые в качестве низкопотенциального тепла используют водную среду, считаются наиболее эффективными.

Устройство теплового насоса, извлекающего тепловую энергию из грунта, предполагает проведение внушительного количества земляных работ. Закладывается коллектор ниже уровня сезонного промерзания

Использовать тепловую энергию грунта можно двумя способами. Первый предполагает бурение скважин диаметром 100-168 мм. Глубина таких скважин, в зависимости от параметров системы, может достигать 100 м и более.

В эти скважины помещают специальные зонды. При втором способе используется коллектор из труб. Такой коллектор размещается под землей в горизонтальной плоскости. Для этого варианта необходимо достаточно большая площадь.

Для укладки коллектора идеальными считаются участки с влажным грунтом. Естественно, бурение скважин обойдется дороже, нежели горизонтальное расположение коллектора. Однако не на каждом участке есть свободные площади. На один кВт мощности теплового насоса нужно от 30 до 50м² площади.

Сооружение для забора тепловой энергии одной глубокой скважиной может оказаться немногим дешевле рытья котлована

Но веский плюс заключается в существенной экономии места, что важно для владельцев небольших участков. В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах

В случае с наличием на участке высоко залегающего горизонта грунтовых вод, теплообменники можно устроить в двух расположенных на расстоянии около 15 м друг от дружки скважинах.

Отбор тепловой энергии в таких системах путем перекачивания грунтовой воды по замкнутому контуру, части которого расположены в скважинах. Такая система нуждается в установке фильтра и периодической чистке теплообменника.

Самая простая и дешевая схема теплового насоса основана на извлечении тепловой энергии из воздуха. Некогда она стала базой для устройства холодильников, позже согласно ее принципам разработаны были кондиционеры.

Самая простая тепловая насосная система получает энергию из воздушной массы. Летом она участвует в отоплении, зимой в кондиционировании. Минус системы в том, что в самостоятельном исполнении агрегат с недостаточной мощностью

Эффективность различных типов данного оборудования не одинакова. Наименьшими показателями обладают насосы, использующие воздушную среду. К тому же эти показатели напрямую зависят от погодных условий.

Грунтовые разновидности тепловых насосов имеют стабильные показатели. Коэффициент эффективности данных систем варьируется в пределах 2,8 -3,3. Наибольшей эффективность обладают системы вода-вода. Это связано, в первую очередь, со стабильностью температуры источника.

Надо заметить, что чем глубже расположен в водоеме коллектор насоса, тем стабильнее будет температура. Для получения мощности системы в 10КВт, необходимо около 300 метров трубопровода.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы теплового насоса, считается его коэффициент преобразования. Чем выше коэффициент преобразования, тем эффективнее считается тепловой насос.

Коэффициент преобразования теплового насоса выражается через отношение показателей теплового потока и электрической мощности, затраченной на работу компрессора

Применение тепловых насосов в условиях российского климата

Познакомившись с приведенными выше описаниями различных типов тепловых насосов, вы без труда сами сможете ответить на вопрос, какой насос больше всего подходит для эксплуатации в условиях российского климата.

Воздушные тепловые насосы пригодны для применения лишь в ограниченном числе регионов нашей страны – там, где температура воздуха зимой почти не опускается ниже нулевой отметки. Разумеется, жителям Сибири, Дальнего Востока, севера европейской части России о воздушных тепловых насосах не стоит и размышлять.

Для применения водяных тепловых насосов есть много ограничений. О некоторых из них мы уже рассказывали, осталось упомянуть еще об одном. Более половины территории нашей страны находится в зоне вечной мерзлоты. Если даже какому-нибудь жителю Восточной Сибири или севера Дальнего Востока «повезло», и на его участке есть грунтовые воды, залегающие не слишком глубоко, то все равно эти грунтовые воды находятся в виде льда, а значит, не пригодны для использования в системе отопления.

Таким образом, большинству наших соотечественников приходится рассчитывать на единственный, беспроигрышный, вариант – грунтовый тепловой насос. При этом в условиях российского климата больше подойдет насос не с горизонтальным коллектором, а с геотермальным зондом, позволяющим достигнуть глубины, где температура грунта более стабильна.

Как вам статья?