Тепловой насос “вода-вода”: устройство, принцип работы, правила обустройства отопления на его базе

Типы теплообменников

В обозначении типа теплообменника теплового насоса первый показатель определяет способ устройства внешнего контура системы теплоснабжения, а второй – устройство внутреннего контура.

«Вода — вода»

В теплообменниках данного типа забор тепла осуществляется из водных объектов (скважина, река, озеро и т.д.), энергии солнца или иных объектов. В первичном контуре циркулирует теплоноситель – вода, либо иная жидкость. Циркуляция осуществляется путем создания давления посредством установки насоса.

Контур может быть замкнутым или разомкнутым, какой вариант выбрать определяется типом теплоносителя.
В тепловом насосе, во внутреннем контуре, циркулирует фреон, который получая энергию от внешнего контура испаряется, поступает на конденсатор, где отдает полученное тепло теплоносителю потребителя.

«Вода – воздух»

В теплообменниках этого типа энергия собранная в наружном контуре, в котором циркулирует жидкость (вода или иной энергоноситель), поступает в теплообменники теплового насоса, где передается воздуху внутри помещения.

«Воздух – воздух»

В теплообменниках данного типа наружный контур размещается на наружной стороне здания, он является испарителем в этой конструкции насоса. Тепло наружного воздуха нагревает хладагент, который испаряется. Далее, проходя через компрессор сжимается и поступает на внутренний блок – конденсатор, который располагается внутри здания. Конденсатор отдает тепло воздуху внутри помещения в котором находится, хладагент вновь поступает на испаритель.

«Воздух – вода»

В теплообменнике данного типа тепловая энергия забирается из наружного воздуха. Воздух поступает в компрессор, где под действием давления повышается его температура, после чего поступает в теплообменник. В теплообменнике происходит конденсация подаваемого воздуха и передача энергии энергоносителю отопительной системы потребителя.

«Земля – вода»

Теплообменники данного типа основаны на получении энергии земли и передачи ее потребителям. В замкнутом наружном контуре, расположенном ниже уровня промерзания, циркулирует рассол (антифриз). Циркуляция осуществляется посредством установки насоса. Рассол поступает на конденсатор теплового насоса, где передает полученную энергию хладагенту, который в свою очередь передает ее системе отопления потребителя путем конденсации в теплообменнике насоса.

«Земля – воздух»

В теплообменниках этого типа тепловая энергия полученная рассолом, циркулирующим в наружном контуре, который расположен под поверхностью земли, передается в камерах теплообменника воздуху внутри помещения.

Изготовление теплового генератора

В рамках данной статьи остановимся на том, как изготовить усовершенствованный тепловой насос Френетта своими руками. Основное отличие этого ТНФ от оригинальной модели состоит в замене ротора на стальные диски, которые размещаются внутри цилиндра. Именно эти диски и производят тепловую энергию.

Для создания теплового генератора понадобятся такие материалы:

• внешний цилиндр;
• стальные диски (сталь должна высокого качества), которые должны чуть уступать диаметру внешнего цилиндра;
• электродвигатель с удлиненным валом;
• трубы системы отопления и батарея.

Пошаговое руководство по созданию теплового насоса:

1. Устанавливаем вал электродвигателя внутри цилиндра. Сальниками или резиновыми уплотнителями прокладываем узлы.
2. Ставим стальные диски на ось, находящуюся в цилиндре. Коэффициент полезного действия аппарата тем выше, чем больше металлических дисков и расстояние между ними и цилиндром.
3. После установки каждого диска рекомендуется накручивать 5-миллиметровые гайки.
4. Проделываем пару отверстий во внешнем цилиндре. Одно из отверстий (вверху) предназначено за подачу теплоносителя, другое — за прием масла из отопительной системы.
5. После того как все детали собраны в единый механизм, заливаем теплоноситель и соединяем рабочую ось с источником электричества. Подключаем входные и выходные патрубки к системе отопления.
6. Обеспечиваем герметичность генератора, проверяем его на присутствие потенциальных утечек масла.
7. Чтобы упростить эксплуатацию ТНФ, собираем автоматику для контроля за аппаратом. Она будет подключать оборудование в случае слишком низкой температуры в здании.

https://youtube.com/watch?v=sRwlHAD4CnY

Изготовление универсального генератора

Элементы для создания универсального генерирующего аппарата:

• емкость;
• входной патрубок;
• выходной патрубок;
• вал;
• подшипники;
• корпус оборудования;
• металлические диски;
• гайки.

По типу внутренней поверхности конус может классифицироваться как выгнутый, вогнутый или конечный. Каналы могут иметь сечение в виде квадрата или прямоугольника и располагаться радиально, с уклоном или криволинейно. Конкретное расположение зависит от разновидности конструкции.

Диски ставятся на вал, причем так, чтобы между дисками и цилиндром было расстояние. Идея в том, что как только начинается процесс вращения, между дисками и цилиндром возникает вакуум.

Суть работы универсального генератора заключается в скоростном вращении водонагревателя и направлении жидкости через вал внутрь аппарата. За счет вращения дисков температура во внутренней части устройства достигает максимума. Вода мгновенно нагревается и, попадая в отопительную систему, отапливает помещение. Как было сказано выше, такая система не нуждается в дополнительной подпитке для своего функционирования.

Схема универсального гениратора

Наибольший эффект работы оборудования получается у генераторов с выгнутой внутренней поверхностью. Оптимальное соотношение диаметра цилиндра и дисков — один к трем. Выше упоминалось о горизонтальной модели, но устройства могут быть устроены и по вертикальному типу. По местонахождению привода оборудование может быть верхнеприводным и нижнеприводным. Подшипниковых опор может быть одна или две.

Температура нагрева жидкости зависит от числа оборотов:

• если количество ежеминутных оборотов достигает 7 800, жидкость разогреется до 100 градусов;
• для трансформации воды в газообразное состояние необходимо свыше 9 000 оборотов каждую минуту;
• чтобы получить 400 градусов, число оборотов должно колебаться в пределах 10 000-12000 ежеминутно;
• 12 500 оборотов — порог, за которым следует самогенерация теплового насоса;
• свыше 15 000 оборотов приводят к расщеплению воды на водород и кислород.

Несколько советов по использованию теплогенератора

• лучший тепловой носитель — натуральное масло (например, хлопковое или рапсовое);
• во время монтажа дисков на ось оборудования, необходимо сделать так, чтобы вся полость была наполнена металлическими дисками;
• в качестве движущей силы можно применить электродвигатель от бытовых приборов.
• для регулировки автоматического подключения и отключения устройства, рекомендуется поставить термодатчик.

Изготовить тепловой насос по силам каждому человеку, обладающему определенными техническими навыками. Разумеется, каждый энтузиаст волен вносить в конструкцию теплового насоса собственные изменения, если они не будут противоречить общему принципу работы аппарата.

Тепловой насос для отопления дома принцип работы

Принцип работы теплового насоса для отопления

Принцип работы тепловых насосов основан на возможности тел и сред отдавать свою тепловую энергию другим таким же телам и средам. По этой особенности различают различные виды тепловых насосов, в которых обязательно присутствуют поставщик энергии и её получатель.

В названии насоса на первом месте указывается источник тепловой энергии, а на втором тип носителя, которому передаётся энергия.

Тепловой насос для отопления дома

В конструкции каждого теплового насоса отопления дома выделяют 4 основных элемента:

1. Компрессор, предназначенный для увеличения давления и температуры пара, возникающего вследствие кипения фреона.
2. Испаритель, представляющий из себя бак, в котором фреон из жидкого состояния переходит в газообразное.
3. В конденсаторе хладагент передаёт тепловую энергию внутреннему контуру.
4. Посредством дроссельного клапана регулируется количество хладагента, поступающего в испаритель.

Виды теплонасосов: нюансы работы теплообменника фреон-вода

Природный источник энергии может представлять собой систему скважинного типа, грунтового или водоемного. Каждый вариант уникальный. Отличается принцип работы и монтаж.

Когда источником энергии является скважина, необходимо пробурить соответствующее отверстие в земли. В 1 м источника можно добыть 50-60 Вт энергии. Для нормальной работы теплонасоса потребуется 20 м.

Особенности получения энергии со скважины:

1. Главные плюсы – компактность и большая теплоотдача;
2. Минус – сложности при бурении скважины.

Когда источником тепла выступает грунт, то труба залегает на глубину ниже уровня промерзания земли. Для укладки трубы можно вырыть котлован или траншею.

Если поблизости размещены водоемы, то можно положить трубу в источник воды. Главное требование – достаточная глубина. В 1 кв м воды можно получить 30 Вт энергии. Для фиксации труб на глубине к ним прикрепляется груз.

В некоторых случаях в качестве источника используют воздух. Такой насос содержит хладагент. В этом случае подходит фреон из холодильника. Вещество забирает тепло из воздуха и отдает помещению.

2 Как сделать и установить тепловой насос своими руками?

Тепловой насос своими руками изготовить вполне реально, однако для этого необходимо найти хороший компрессор.

В качестве конденсатора можно использовать бак из нержавейки, ориентировочно на 100 литров. А для контура, по которому будет циркулировать теплообменник, отлично подойдут тонкие медные сантехнические трубки.

Тепловой насос своими руками – этапы изготовления:

1. С помощью уголка, либо L-образных кронштейнов крепим компрессор к стене в том месте, где будет размещаться тепловой насос.
2. Далее, из медных трубок делаем змеевик – обматываем их вокруг цилиндра подходящей формы. Следите за тем, чтобы шаг намотки по всем змеевику был идентичен.
3. Бак разрезается на две части, внутрь вставляется змеевик, после чего бак сваривается обратно. При этом в нём создается несколько резьбовых входных отверстий – сверху и снизу, через которые наружу выводятся крайние трубки змеевика.
4. В качестве испарителя используем обычную пластиковую бочку, в которую заводятся трубы внутреннего контура (либо любую другую емкость, объем которой идентичен конденсаторному баку).
5. Для транспортировки прогретой воды используются обычные ПВХ трубы.

Для заправки системы фреоном рекомендуется обратиться к специалисту.

Чтобы сделать тепловой насос Френетта своими руками нам необходимо обзавестись такими материалами:

• Стальной цилиндр (диаметр выбирайте исходя из мощности насоса, которая необходима вам для отопления: чем больше рабочая поверхность – тем более эффективным будет устройство);
• Стальные диски, с диаметром на 5-10% меньше, чем диаметр цилиндра;
• Электродвигатель (лучше всего изначально подбирать привод с удлиненным валом, так как на него будут устанавливаться диски);
• Теплообменник – любое техническое масло.

От количества оборотов, которое может выдать двигатель, будет зависеть температура, до которой насос Френетта сможет прогреть воду для отопления дома, либо бассейна. Чтобы вода в радиаторах прогрелась до 100 градусов необходимо, чтобы привод обеспечивал 7500—8000 оборотов/мин.

Вал силового агрегата на подшипниках размещаем внутри стального цилиндра. Место, где вал входит в цилиндр должно быть надежно уплотнено, поскольку наличие даже малейших вибраций быстро выводит механизм из строя.

На вал двигателя монтируются рабочие диски. Необходимое расстояние между ними можно задать, накручивая после каждого диска гайки. Количество дисков определяется в зависимости от длины цилиндра – они должны равномерно заполнять весь его объем.

В верхней и нижней части цилиндра просверливаем два отверстия: к верхнему будет подведены отопительные трубы, в которые будет подаваться масло, а к нижнему отверстию подсоединяется обратная труба для возврата использованного масла с радиаторов.

Вся конструкция закрепляется на металлической раме. После того как агрегат собран, цилиндр заполняется маслом, к нему подключаются патрубки отопительной магистрали и выполняется герметизация соединений.

Тепловой насос, созданный на производстве

Тепловой насос Френетта обладает очень высоким КПД, что позволяет его эффективно использовать в любых отопительных системах. Он может использоваться для обогрева любых хозяйственных помещений, гаражей, и жилых зданий. Кроме этого, за счет компактных размеров такой самодельный насос отлично подходит для прогрева бассейна, либо «теплого пола».

Но помните, что при прогреве бассейна и других крупных емкостей с водой необходим насос достаточной мощности, иначе вы просто будете использовать его не по назначению, и желаемых результатов не получите.

2.1 Монтаж тепловых агрегатов

Особенности монтажа тепловых насосов зависят, в первую очередь, от способа размещения внешнего контура.

1. Геотермальные тепловые насосы. Для вертикального способа монтажа создаются скважины глубиной от 50 до 100 метров, в которые опускается специальный зонд. Для горизонтальной укладки создается траншея на ту же длину либо котлован, в котором трубы укладываются параллельно друг другу. Трубы закладываются в грунт на глубину полутора метров.
2. Насосы вода-вода: внешний контур укладывается на дне водоема, и выводятся к тепловому насосу.
3. Воздух-вода: блок с трубами внешнего контура устанавливается на крыше или на стене здания (по внешнему виду его трудно отличить от наружной коробки кондиционера), и подводится к тепловому насосу внутри помещения.

Расчет необходимой мощности теплового насоса

Перед покупкой системы важно предварительно составить проект и вычислить необходимую мощность оборудования. Производительность высчитывается с учетом фактических потребностей в тепловой энергии

Берутся во внимание расходы тепла, теплопотери дома и наличие или отсутствие контура ГВС

Алгоритм расчета:

1. Вычисляем общую площадь отапливаемых помещений.
2. Определяемся с необходимым количеством энергии для отопления. Оптимальный показатель на 1 квадратный метр – 0,07 кВт.
3. Чтобы протопить дом на N квадратных метров, понадобиться N*0,07 кВт.
4. Для ГВС к полученному числу добавляют дополнительно 15-20%, то есть N*0,07*0,85 или N*0,07*0,80.

Это расчет будет оптимальным для помещений с потолками, не превышающими высоту 2,7 м. Более точные вычисления сделают специалисты во время составления проекта.

Галерея изображений

Фото из

Внутренняя часть теплового насоса вода-вода

Где выгодноя устраивать тепловой насос вода-вода

Эффективное оборудование с экономным расходом энергии

Теплообменник теплового насоса в прихожей

Монтаж геотермального отопления своими руками

Конструкция теплового насоса

На практике сделать теплоснабжение этого типа — задача сложная. Особенностью проектирования и монтажа геотермального отопления своими руками является наличие теплового насоса – основного агрегата системы.

В конструкцию этого устройства включен внутренний контур с хладагентом, компрессор, дроссель и испаритель. Для управления работой обязательно предусматривается электронный блок

На что необходимо обращать внимание при выборе геотермального теплового насоса для отопления?

Тип устройства. В теплоснабжении применяются модели «грунт-вода». Помимо них существуют «вода-вода» и «воздух-вода»;

Номинальная тепловая мощность. Она напрямую зависит от расчетных параметров. Стоит учитывать, что практически все модели имеют значение этой характеристики до 18 кВт;

Потребляемая мощность. Это сумма электрической энергии, необходимой для работы компрессора, насоса и электронного блока управления. Напрямую зависит от номинальной мощности устройства;

Параметры отопительной системы – температурный режим и оптимальный показатель давления. Для всех геотермальных систем отопления своими руками последний показатель обычно не превышает 3 бар;

Стоимость. В настоящее время обустройство геотермального отопления частного дома является самым дорогим. И большая часть расходов — это приобретение теплового насоса

Поэтому нужно особое внимание уделить правильному выбору этого компонента системы.

Трубы для геотермального отопления

Кроме геотермального теплового насоса для отопления — следует правильно подобрать трубы для наружного контура. Они должны отвечать определенным требованиям. В частности – иметь минимальный показатель сопротивления теплопередачи. В идеале для этого следовало бы использовать стальные магистрали. Однако их эксплуатация в этой среде связана с множественными проблемами. Поэтому зачастую сделают геотермальное отопление из полимерных гибких трубопроводов.

После анализа отзывов о геотермальном отоплении дома можно выделить следующие положительные качества полимерных труб для этого типа теплоснабжения:

Достаточная гибкость

Это важно при обустройстве горизонтального геотермального отопление загородного дома своими силами.
Простота установки и состыковки отдельных контуров. Для этого применяются механические муфты.
Возможность оперативной замены поврежденного участка в случае аварийной ситуации.

Также не нужно забывать о стоимости. Учитывая, что в основе принципа работы геотермального теплоснабжения лежит тепловой насос – следует уменьшить затраты, чтобы приобрести оптимальную модель этого устройства.

Для полноценного функционирования системы рекомендуется в первичном контуре применять специальный состав теплоносителя, который имеет температуру замерзания ниже 0°С.

Как работает тепловой геоагрегат?

Алгоритм работы геотермального теплового насоса построен на передаче тепла от источника с низким потенциалом тепловой энергии к теплоносителю. Земля здесь играет роль радиатора летом и является активным источником тепла в зимний сезон.

Разница температур грунта помогает повысить общую эффективность системы и способствует снижению фактических эксплуатационных расходов.

В основе действия геотермального теплового насоса лежит такое явление, как тепловая инерция. Температура земли на глубине от 6 метров и ниже почти точно соответствует среднегодовой температуре воздуха в регионе и очень слабо изменяется в течение всего календарного года

На практике в трубопровод, размещенный в грунте, поступает действующий теплоноситель и нагревается там на несколько градусов. Потом состав переходит в теплообменный узел (или испаритель) и перебрасывает накопленную тепловую энергию на внутренний системный контур.

Принцип работы геотермальных установок схож с функционированием холодильных систем. Именно поэтому некоторые виды теплонасосов в летнее время успешно применяют в качестве кондиционеров и с их помощью охлаждают воздух в жилых помещениях

Хладагент, работающий во внешнем контуре, прогревается в испарителе, преобразуется в газ и попадает в компрессор. Там он сжимается под влиянием высокого давления и становится еще горячее.

Раскаленный газ переходит в конденсационное устройство и отдает тепловую энергию рабочему теплоносителю внутренней системы, отвечающей за отопление дома. По окончании процесса хладагент, лишившийся тепла, возвращается в начальную точку в жидком состоянии.

Принцип работы и составные части теплового насоса

В принципе, работа теплового насоса представляет собой совместное функционирование трех замкнутых контуров, которые взаимодействуют между собой:

•  Первый, по которому циркулирует теплоноситель, забирающий тепловую энергию из низкотемпературной окружающей среды (почвы, воды, воздуха);
•  Второй, в котором циркулирует жидкость с низкой температурой испарения (например, фреон), забирает эту энергию, с помощью процессов испарения и конденсации увеличивает температуру и отдает тепло третьему контуру;
•  Третий контур представляет собой ни что иное, как систему отопления дома (чаще всего теплые полы), он забирает тепловую энергию из конденсатора и отдает помещению.
• По такому принципу работают все тепловые насосы, но в устройствах типа «грунт, вода/вода» в первом и третьем контурах жидкий теплоноситель, в устройствах «воздух/вода» — вместо первого контура наружный воздух, а в устройствах «воздух/воздух» и вместо первого и третьего контуров воздух наружный и помещения соответственно.

Для того чтобы такая система работала необходимы такие основные элементы:

• Испаритель –в котором под воздействием тепловой энергии теплоносителя первого контура , через теплообменник, происходит нагревание и испарение жидкого хладагента (фреона);
• Компрессор, который сжимает парообразный хладагент (при этом происходит выделение тепловой энергии);
• Конденсатор, в котором теплый сжатый хладагент с помощью теплообменника отдает свою энергию теплоносителю третьего контура, а сам конденсируется (превращается в жидкость).
• Терморегулирующий вентиль или клапан (ТРВ).

Все эти элементы соединены между собой герметичным трубопроводом второго контура. Испаритель, кроме того, должен иметь возможность подсоединения к первому контуру, а конденсатор – к системе отопления дома.

Рис. 1 Основные элементы теплового насоса

Расчет

Разобравшись в работе циркуляционного насоса, надо правильно рассчитать его мощность. Данный процесс не такой простой, как кажется на первый взгляд. Лучше доверить его профессионалам, но можно и выполнить самостоятельно. Мощность насоса напрямую зависит от площади помещения, которое он будет отапливать. Например, если здание площадью 200 м2, то для его отопления понадобится 20 кВт мощности. Чтобы обеспечить в помещении оптимальную температуру, надо придерживаться следующего соотношения – 1 кВт тепловой энергии на 10 м2.

Затем надо обязательно высчитать разницу температур на подаче и обратке. Лучше всего выбирать показатель 10 градусов.

Геотермальный тепловой насос

Устройство геотермального насоса подразумевает использование в качестве источника тепла скважину, в которую опускается коллектор. Такой способ обеспечения тепловой энергией применяется при ограниченной площади участка. От глубины скважины зависит количество тепла, которое будет передаваться системе. Для того чтобы достичь желаемого уровня, не обязательно бурить одну глубокую скважину. Несколько более мелких устройств обеспечат аналогичный эффект при условии определенного уровня их совместной глубины. Популярным вариантом получения тепла является бурение двух скважин: одна для обеспечения постройки водой, вторая – для слива воды, которая уже охлаждена насосом до +1°C. Для того, чтобы отопить жилой дом площадью 100-150 м2, дебет скважины должен составлять 1,2-1,8 м3/час. Вторым вариантом использования такого теплового насоса является применение зондов. Они представляют собой U-образные трубки, которые опускаются в скважину до известнякового горизонта, либо зонд с заглушенной обсадной трубой. В первом случае такие трубки вырабатывают до 100Вт тепла с 1 погонного метра, во втором – до 200Вт. Стабильность подачи тепла таким насосом обеспечивает его высокую эффективность в любое время года. Затрачивая 1 кВт электроэнергии в процессе откачки воды из скважины, насос вырабатывает 5 кВт тепловой энергии, что делает использование такой установки экономически выгодным и целесообразным. Применение данного типа устройств особенно актуально в заболоченных местностях и грунтах с подземными водами.

Преимущества теплового насоса: — не занимает большую площадь, нет необходимости в большом участке; — стабильный уровень подачи тепла вне зависимости от погодных условий и времени года (температура * воды в скважине поддерживается на уровне +8°C); — не портит внешний вид дома и участка.

Недостатки: — затратность монтажа (необходимость бурения); — более высокая стоимость оборудования;

— необходимость проведения тщательных геоизысканий.