Устройство и изготовление своими руками теплового насоса воздух-вода

Тепловой насос воздух-вода применяется для отопления бытовых и производственных помещений в южных регионах и средней полосе России. Можно купить такой прибор или изготовить самостоятельно, например, из кондиционера.

Как работают тепловые насосы воздух-вода

В основе работы теплового насоса типа «воздух-вода» положен принцип Карно. Говоря более понятным языком, используется конструкция фреонового холодильника. Хладагент (фреон) циркулирует в замкнутой системе, проходя последоватёельно стадии:

• испарения, сопровождающегося сильным охлаждением
• подогрева от тепла поступающего наружного воздуха
• сильного сжатия, при котором его температура становится высокой
• конденсации с переходом в жидкое состояние
• прохода через дроссель с резким падением давления и испарением

Для нормальной циркуляции хладагента необходимо иметь два отделения — испаритель и конденсатор. В первом температура низкая (отрицательная), для нагрева используется тепловая энергия из воздуха окружающей среды. Второе отделение служит для конденсирования хладагента и передачи тепловой энергии в теплоноситель системы отопления.

По сути, тепловой насос — это два теплообменника, соединенные между собой и совместно обеспечивающие непрерывный цикл Карно — сжатие газа с переходом в жидкую фазу с выделением большого количества тепла и его расширение с испарением и охлаждением.

Роль поступающего извне воздуха — передача тепла в испаритель, где температура очень низкая и требует повышения для предстоящего сжатия. Тепловая энергия воздуха имеется даже при отрицательных температурах и сохраняется до тех пор, пока не произойдет понижение температуры до абсолютного нуля. Низкопотенциальные источники тепловой энергии позволяют получать высокую эффективность системы, но при сильном понижении наружной температуры до -20°C или – 25°C система останавливается и требует подключения дополнительного источника обогрева.

Инверторные тепловые насосы

Наличие инвертора в составе установки позволяет обеспечить плавный пуск оборудования и автоматическое регулирование режимов в зависимости от температуры наружного воздуха. Это позволяет максимально повысить эффективность работы теплового насоса за счет:

• достижения КПД на уровне 95-98%;
• снижения потребления энергии на 20-25%;
• минимизации нагрузок на электрическую сеть;
• увеличения сроков эксплуатации установки.

В результате температура внутри помещений стабильно поддерживается на одном уровне, не зависимо от изменения погоды. При этом наличие инвертора в комплекте с автоматизированным блоком управления обеспечит не только зимний обогрев, но и подачу охлажденного воздуха летом при жаркой погоде.

В то же время следует учесть, что наличие дополнительного оборудования всегда влечет за собой его удорожание и увеличение срока окупаемости.

Специфика применения и работы

Тепловой насос продуктивно работает исключительно в температурном диапазоне от -5 до +7 градусов. При температуре воздуха от +7 система будет вырабатывать больше тепла, чем необходимо, а при показателе ниже -5 – недостаточно для обогрева. Это связано с тем, что концентрированный фреон, находящийся в конструкции, закипает при температуре -55 градусов.

• При устройстве теплового насоса воздух вода на фасаде дома появится небольшой по размерам аккуратный прибор.
• Как и любой тепловой насос, система воздух-вода состоит из двух взаимосвязанных частей: внешней и внутренней.
• Расположенный внутри дома блок оборудования перерабатывает заимствованную у воздуха энергию, нагревая воду для контуров отопления и ГВС.
• При необходимости увеличить производительность системы внешний комплекс дополняется необходим количеством модулей.
• Тепловые насосы воздух-вода отлично справляются с нагревом воды, задействованной в системах отопления.
• Тепловые установки воздух вода обеспечат теплой водой санузлы и кухни частных домов с автономными инженерными системами.
• Один из самых распространенных потребителей энергии тепловых насосов воздух-вода - водяной теплый пол.
• К тепловому насосу как к источнику энергии подключают низкотемпературные контуры.

Теоретически система может вырабатывать тепло и в 30-градусный мороз, но его будет недостаточно для обогрева, ведь теплопроизводительность напрямую зависит от разности температуры кипения хладагента и температуры воздуха.

Поэтому жителям Северных регионов, где холода наступают раньше, эта система не подойдет, а в домах Южных областей она сможет эффективно прослужить несколько холодных месяцев.

Если в помещении установлены стандартные батареи, то тепловой насос будет работать менее эффективно. Лучше всего устройство воздух-вода сочетается с конвекторами и иными радиаторами с большой площадью, а также с системами «теплый пол», «теплые стены» водного типа.

Также само помещение должно быть хорошо утеплено снаружи, обладать встроенными многокамерными окнами, обеспечивающими лучшую теплоизоляцию, чем обычные деревянные или пластиковые.

Самодельный тепловой насос сможет эффективно обогревать дома площадью до 100 кв. м и гарантировано выдавать мощность в 5 кВт. Следует понимать, что фреон невозможно залить достаточно качественно в конструкцию, созданную в бытовых условиях, поэтому следует рассчитывать на температуру его кипения до -22 градусов.

Устройство домашней сборки идеально подойдет для снабжения теплом гаража, теплицы, подсобных помещений, небольшого частного бассейна и др. Система обычно используется в качестве дополнительного обогрева.

Электрокотел или иное традиционное оборудование для отопительного сезона потребуется в любом случае. Во время сильных морозов (-15-30 градусов) тепловой насос рекомендуется выключать, чтобы избежать растрат электроэнергии, ведь в этот период его эффективность составляет не больше 10%.

Достоинства и недостатки воздушных тепловых насосов

Отзывы о тепловом насосе воздух вода бывают как хорошими, так и плохими. Ведь это устройство при всех неоспоримых достоинствах не лишено и некоторых недостатков.

Причем к достоинствам относятся следующие факты:

• Во-первых, такой агрегат легко смонтировать. Ведь для первичного контура, замкнутого на испаритель, не нужны ни земляные работы, ни водоемы.
• Во-вторых, воздух ест везде, а вот земля, в личной собственности, только за городом, ну а с искусственными или естественными водоемами проблем еще больше. Поэтому  воздушные тепловые насосы для отопления можно монтировать даже в городских условиях, не спрашивая разрешение контролирующих инстанций.
• В-третьих, воздушный насос можно объединить с системой вентиляции, используя мощности агрегата для повышения эффективности воздухообмена в помещении.

Кроме того, такой насос работает почти бесшумно и легко программируется.

Ну а неизбежные недостатки можно представить в виде такого списка:

• Эффективность агрегата зависит от температуры окружающего воздуха. Поэтому КПД устройства летом выше, чем в зимнее время.
• Воздушный насос можно включать лишь при относительно слабых морозах. Причем при -7 градусов Цельсия бытовой воздушный насос работать уже не будет. Хотя промышленные агрегаты включаются и при -25 градусах Цельсия.

Кроме того, воздушный насос – это не совсем автономная энергетическая установка. Агрегат потребляет электроэнергию, трансформируя 1 КВт/час в 11-14 МДж.

5 основных выгод для владельцев установок

К преимуществам систем обогрева с тепловыми насосами относят такие:

1. Экономическая эффективность. При затратах 1 кВт электрической энергии можно получить 3-4 кВт тепловой. Это усредненные показатели, т.к. коэффициент преобразования тепла зависит от типа оборудования и особенностей конструкции.
2. Экологическая безопасность. При работе тепловой установки в окружающую среду не попадают продукты сгорания или другие потенциально опасные вещества. Оборудование озонобезопасно. Его применение позволяет получить тепло без малейшего вреда для экологии.
3. Универсальность применения. При установке систем отопления, работающих от традиционных источников энергии, владелец дома попадает в зависимость от монополистов. Солнечные батареи и ветрогенераторы не всегда рентабельны. Зато тепловые насосы можно устанавливать где угодно. Главное – правильно выбрать тип системы.
4. Многофункциональность. В холодное время года установки отапливают дом, а в летнюю жару способны работать в режиме кондиционеров. Оборудование применяют в системах ГВС, подключают к контурам теплых полов.
5. Безопасность эксплуатации. Теплонасосам не требуется топливо, при их работе не выделяются токсичные вещества, а предельная температура узлов оборудования не превышает 90 градусов. Эти отопительные системы не опаснее холодильников.

Идеальных приборов не существует. Тепловые насосы надежны, долговечны и безопасны, но их стоимость напрямую зависит от мощности.

Качественное оборудование для полноценного обогрева и горячего водоснабжения дома 80 м.кв. обойдется примерно в 8000-10000 евро. Самоделки маломощны, их можно использовать для отопления отдельных комнат или подсобных помещений.

Эффективность установки зависит от теплопотерь дома. Оборудование имеет смысл устанавливать только в тех зданиях, где обеспечен высокий уровень изоляции, а показатели теплопотерь не выше 100 Вт/м.кв.

Теплонасосы способны прослужить 30 лет и более. Особенно рентабельно их применение для ГВС, а также в комбинированных отопительных системах, включающих теплые полы.

Оборудование надежно и редко ломается. Если оно самодельное, то важно подобрать качественный компрессор, лучше всего – от холодильника или кондиционера проверенной марки.

Как подобрать тепловой отопительный насос воздух-вода

Правильно выбрав тепловой насос для отопления дома воздух-вода, можно раз и навсегда решить вопрос обогрева жилых и промышленных помещений. Подбор подходящей тепловой станции выполняют следующим образом:

• Тип корпуса – производители предлагают две базовых конструкции. Низкотемпературный моноблочный тепловой насос типа воздух-вода примечателен тем, что в помещении не устанавливается никакого оборудования, все необходимые узлы расположены на улице (либо в отдельном изолированном помещении). В дом входит только подающий и обратный трубопровод отопления.
  Сплит – системы, больше предназначены для бытового использования. Внешний блок устанавливается на улице и подключается к емкости накопителю. Разогретый фреон разогревает конденсатор, который методом косвенного нагрева передает тепло жидкости, используемой в качестве теплоносителя.
• Функциональные возможности – некоторые модели предназначены для подключения только к системе водяного обогрева здания. Применение других теплонасосов воздух-вода, подходит для отопления и горячего водоснабжения.
• Зависимость производительности от температуры окружающей среды – бытовые модели обычно ограничены температурой от +45°С до -15°С, можно приобрести оборудование, способное вырабатывать тепловую энергию даже при -25-32°С. Эффективность системы отопления дома с ТН воздух – вода, напрямую зависит от этого параметра.

Дополнительно, к параметрам при выборе, обращают внимание на мощность оборудования, компанию производителя, выпускающую теплонасос и себестоимость установки, включая проведение монтажных работ.

Как сделать расчет необходимой мощности ТН воздух-вода

Существует два понятия, предварительный (в первом приближении) и проектный расчёт мощности. Первый можно выполнить самостоятельно, второй делает специализированное учреждение. В первом приближении, на каждый квадратный метр рассчитывают 70 Вт мощности ТН. Дальнейшие расчеты выполняют следующим образом:

1. Подсчитывают общую отапливаемую площадь.
2. Умножают полученную сумму на 0,7.
3. Полученный результат будет соответствовать минимально необходимой мощности оборудования.

Для отопления дома в 100 м², нужен тепловой насос мощности 7 кВт, 200 м² - 14 кВт и т.д.

Чтобы обеспечить максимальную экономичность отопления дома с помощью теплового насоса системы воздух-вода, потребуется грамотная проектная документация и квалифицированное выполнение монтажных работ.

Производители тепловых насосов отопления воздух-вода

Буквально 10 лет назад, на рынке предлагались всего несколько моделей тепловых насосов. Сегодня выбор стал намного больше. Ведущие немецкие производители, российские, японские и китайские компании, выпускают оборудование, с той или иной долей теплоэффективности.

Судя по отзывам покупателей, наиболее востребованными являются насосы следующих компаний:

• Viessmann – более 30 лет занимается выпуском тепловых насосов. С тех пор, продукция компании существенно изменилась. Были учтены пожелания потребителей, внедрены новые технологии. В ТН Viessmann используется инновационная автоматика, полностью регулирующая весь процесс работы, оптимизирующая процесс обогрева, в согласии с погодными условиями.
• Buderus – модели отличаются высокой производительностью. Предназначены для бытового и промышленного применения. Полностью соответствуют особенностям отечественной эксплуатации. В серии Buderus предлагаются насосы для обогрева площади до 500 м² и выше.
• Stiebel Eltron – еще одна немецкая компания, пользующаяся неизменным спросом у отечественного потребителя. В качестве достоинств можно выделить большой ассортимент предлагаемого оборудования, функциональность устройств и возможность подбора по индивидуальным запросам. Модели Stiebel Eltron имеют высокий уровень СОР и отличаются экономичностью.
• Heliotherm – австрийские теплонасосы, имеющие один из лучших показателей СОР среди всего термального оборудования. Имеют официальное представительство в РФ, что во многом облегчает монтаж, обслуживание систем и выполнение гарантийных обязательств. Теплонасосами Heliotherm оснащены более 15 000 различных объектов.

Стоимость установки ТН воздух-вода

Последние модели тепловых насосов обойдутся в 160-1200 тыс. руб. Цена варьируется, в зависимости от производителя. На стоимость сильно влияет «раскрученность» бренда. Китайские модели, имеют меньшую цену, но и уступают по надежности и показателям СОР.

Монтаж теплонасосов воздух-вода обычно входит в стоимость. Большинство производителей, дополнительно, бесплатно делают проект и предоставляют другие услуги по обслуживанию. Рассчитать полную стоимость, включая покупку ТН и его установку можно с помощью он-лайн калькуляторов.

Алгоритм сборки самодельного агрегата

Почти все элементы воздушного теплового насоса можно изготовить самостоятельно. Компрессор рекомендуется снять с обычной сплит-системы. Как правило, такой прибор имеет подходящие характеристики и работает достаточно бесшумно. Помимо компрессора, понадобится ряд материалов:

• металлический бак из нержавейки, объемом 100 л или более;
• пластиковая бочка с широкой горловиной;
• трубы из меди различного диаметра (толщина стенок трубы — не менее 1 мм);
• набор муфт и переходников;
• электроды;
• сливной кран;
• отвоздушиватель ДУ-15;
• предохранительный клапан;
• манометры;
• устройства для автоматического управления;
• кронштейны для крепления элементов системы;
• фреон и др.

Обратите внимание! При включении компрессора потребуется достаточно большой ток, поэтому рекомендованная расчетная нагрузка электросчетчика в доме должна быть не менее 40А.

Чтобы сделать воздушный тепловой насос, необходимо:

1. Запастись подходящим компрессором и кронштейнами для его монтажа на стену. Чтобы сделать тепловой насос мощностью 9кВт, понадобится компрессор на 7,2 кВт.
2. Изготовить из медной трубки змеевик, равномерно намотав трубу вокруг баллона нужного диаметра.
3. Для изготовления конденсатора разрезать пополам стальной бак на 100 литров, вставить внутрь медный змеевик.
4. Заварить бак и установить резьбовые соединения. Для установки готового конденсатора также понадобятся кронштейны.
5. Разрезать пластиковую бочку, чтобы сделать испаритель.
6. Вставить в испаритель медный змеевик из трубы на ¾ дюйма.
7. Для монтажа испарителя на стену нужен еще один набор L-образных кронштейнов.
8. Соединить элементы в общую систему.
9. Пригласить мастера по холодильному оборудованию, который проверит качество сборки и закачает в систему хладагент.

После этого необходимо обеспечить забор наружного воздуха и его сброс для контакта с испарителем, а также подключить устройство к системе отопления дома.

Обратите внимание, что если принято решение использовать тепловой насос параллельно с отопительным котлом, рекомендуется при подключении использовать байпас.

Особенности обслуживания агрегата

Тепловой насос воздух-вода не требует какого-то особого обслуживания, с частичной разборкой/сборкой.

Для поддержания работоспособности системы владельцу придется выполнять лишь следующие манипуляции:

• Периодическую чистку вентилятора и решетки на испарителе от забившегося мусора (листьев, пыли и так ладе).
• Периодическую смазку компрессора, выполняемую согласно предоставленной производителем схеме.
• Замену масла в силовых агрегатах (компрессоре, вентиляторе).
• Периодическую проверку целостности медного трубопровода с хладагентом и силового кабеля, питающего компрессор и вентилятор.

Кроме того, производители рекомендуют следить и за датчиками тепла, контролирующими работу управляющего блока. Их нужно протирать, время от времени, очищая от пыли и масляных пятен.