Как сделать тепловой насос своими руками из холодильника

Главные недостатки геотермального отопления

1. Необходимость электрической энергии. Простейшая геотермальная система требует для получения 4 (кВт) тепловой энергии не менее 1 (кВт) электричества.

Забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Для теплообмена обязательно и непременно используется насос. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания.

2. Низкий уровень теплоотдачи. Традиционная горизонтальная система геотермального отопления, которая уходит под землю на глубину 15-30 метров, обеспечивает лишь 40 (Вт) тепловой энергии с каждого погонного метра подземной магистрали.

Для получения 4 (кВт) тепловой энергии нужно задействовать не менее 100 (м) трубопроводного контура. Если же планируется отапливать объект общей площадью 250 (м2) (высота потолка 2,5-3 метра), нужно задействовать систему отопления мощностью не менее 27,5 (кВт). Для работы такого оборудования понадобится минимум 688 метров погонных подземного трубопровода.

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

3. Ограниченная сфера применения. Геотермальное отопление возможно установить далеко не на каждом объекте. К примеру, отапливать отдельную квартиру в многоэтажке или какой-нибудь магазин в центральных районах города точно не получится. Разрабатывать грунт на территории густонаселенных жилмассивов вряд ли кто-то разрешит.

Другое дело, если геотермальное отопление организовывается на территории жилищного объекта из частного сектора или для какого-нибудь предприятия на окраине города.

4. Высокая стоимость установки геотермального отопления. Само оборудование для организации геотермального отопления стоит минимум в 10 раз дороже аналогичной по мощности газовой техники.

Но покупка оборудования является далеко не полной статьей расходов. В сумму установки геотермального отопления нужно дополнительно включить расходы на создание и обустройство подземных коммуникаций. Не нужно забывать и про пусконаладочные работы, а также обслуживание.

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

5. Длительная окупаемость. Срок окупаемости среднестатистической геотермальной системы во многом превышает 10-15 лет. Большой срок окупаемости обусловлен высокой стоимостью оборудования и монтажа коммуникаций.

Для сравнения, традиционный бытовой газовый котел мощностью до 12 (кВт) окупается в среднем за 5 лет.

Как создать теплонасос самостоятельно

Независимо от выбора типа системы (из трех вариантов, описанных выше), для создания установки понадобится тепловой насос, который состоит из компрессорной станции, испарителя, дроссельной заслонки и конденсатора. Можно купить готовую систему, но ее стоимость окажется довольно высокой. Если имеющийся бюджет не позволяет приобрести установку, ее можно смонтировать самостоятельно.

Перед разработкой и монтажом собственного автономного отопления нужно убедиться в том, что вся электропроводка в доме находится в надлежащем состоянии.

Есть два основных способа создания установки своими руками: на основе холодильника или кондиционера. Рассмотрим их подробнее.

Принцип работы теплового насоса

фреон

Тепловой насос — главный элемент системы. Его размеры не превышают габаритов средней стиральной машины, что облегчает установку прибора. Сам насос включается в два контура: внутренний и внешний.

Внутренний контур состоит из системы теплоснабжения дома (трубы и радиаторы).Внешний контур находится в воде или под землей. Он включает в себя коллектор-теплообменник и трубы, связывающие коллектор с насосом.

Тепловые насосы комплектуются различными дополнительными устройствами. Это могут быть:

коммуникационное устройство для управления системой через персональный компьютер или мобильный телефон;
блок охлаждения для локальной или центральной системы охлаждения;
дополнительный насосный блок может потребоваться для отопления полов;
циркуляционный насос необходим для циркуляции горячей воды;

Процесс работы насоса состоит из нескольких этапов:

Незамерзающая смесь подается в коллектор. Происходит поглощение тепловой энергии и транспортировка ее к насосу.
В испарителе энергия передается фреону, где он нагревается до 8 °C, закипает и превращению в пар.
При увеличении давления в компрессоре повышается температура. Она может достигать 70 °C.
Внутридомовая система отопления получает тепловую энергию через конденсатор. Фреон мгновенно охлаждается и переходит в жидкое состояние, отдавая при этом оставшееся тепло. Затем он идет обратно в коллектор. Так завершается цикл.
Далее работа повторяется по тому же принципу.

Наиболее эффективно тепловой насос функционирует при наличии в доме теплых полов. Тепло распределяется по всей площади пола равномерно. При этом отсутствуют зоны перегрева. Теплоноситель в системе редко нагревается больше 35 °C, а отопление путем нагрева полов считается наиболее комфортным при 33 °C. Это меньше на 2 °C чем при отоплении радиаторами. Отсюда возникает экономия до 18% в год от всего отопительного бюджета. Кроме того, считается, что отопление на уровне пола наиболее комфортно для проживания человека.

Система отопления может быть моновалентной и бивалентной. У моновалентных систем один источник отопления. Он полностью отвечает круглогодичной потребности в тепле. У бивалентных, соответственно, — два источника.

Что такое геотермальное отопление?

Это тепло, добываемое из земли или воды. На определенных глубинах грунта сохраняется плюсовая постоянная температура, причем перепадов не бывает даже в лютые морозы, то же самое с водой. Задача человека взять тепло из земли или воды, отправив его на обеспечение комфорта в жилых комнатах.

Геотермальное отопление представляет собой обычный холодильник, но наоборот – система вырабатывает не холод, а тепло. Алгоритм насоса выстроен на передаче тепла от источника с небольшим потенциалом тепловой энергии к теплоносителю, а грунт или вода выступают активными источниками тепла.

Преимущества и недостатки системы

Геотермальное отопление обладает рядом преимуществ:

Выделение тепловой энергии во много раз превышает затраты на электричество, потребляемое насосом.
Экологическая чистота и безопасность. Система не выделяет вредных веществ, нет выбросов, шлака после сгорания топлива.
Не нужно закупать топливо, газ, вся работа конструкции выстроена без применения химических и иных веществ, поэтому отопление теплом земли или воды считается самым безопасным.
При соблюдении технологии монтажа, эксплуатации, оборудование и вся система отопления прослужит без технической поддержки минимум 50 лет.
Тепловой насос работает бесшумно, нет акустических эффектов.

Максимальная экономическая выгода достигается отсутствием дополнительных вложений. Пользователю нужно один раз закупить все оборудование, настроить конструкцию и больше не придется вмешиваться в работу системы. Дополнительным преимуществом является расположение всех элементов вне строения – отопление из земли или воды не требует размещения в доме габаритных установок, поэтому способ добычи и подачи тепла подходит для домов любого размера.

Недостатком считается большой объем разовых затрат на покупку оборудования, установку и запуск системы в работу. Для формирования конструкции требуется насос, некоторое количество материалов, монтаж наружного коллектора и внутреннего контура.

1 Особенности геотермального насоса

Тепловой насос представлен в виде современного альтернативного источника энергии, собрать его своими руками вполне возможно. Этот агрегат, собранный своими руками, может снабжать тепловой энергией такие системы как:

Система кондиционирования;
Система отопления;
Система нагрева воды.

Принцип работы геотермального насоса, собранного своими руками, несколько отличен от газовых, дизельных и электрических генераторов тепла. Геотермальный насос, который был собран своими руками, имеет свой особый принцип работы, потому его расчет производится на основании специальной формулы.

Агрегат, находясь в рабочем режиме, функционирует по принципу выкачивания энергии из накопивших ее объектов окружающей среду. В летнее время года такое устройство, сделанное своими руками, с опорой на свой принцип работы, пользуется энергией, которая аккумулирована в пластах грунта, в скальных породах и водоемах.

Расчет контура мощности и прочих характеристик устройства, сделанного своими руками, производится с ориентировкой на особенности источников энергии.

Представленный агрегат, собранный своими руками, имеет такой принцип работы, который не позволяет ему применять во время работы жидкое топливо.

Геотермальный тепловой насос Интерклимат

Такой принцип работы подразумевает отсутствие традиционной дымовой трубы. Особый принцип работы теплового насоса позволяет произвести точный расчет, и обеспечить собственное жилище надежным источником тепла.

Произведя расчет системы отопления, которая работает с применением геотермального насоса, можно убедиться в том, что представленная система поможет значительно сэкономить энергию и деньги.

Сегодня, в большинстве стран СНГ, цена производства тепловой энергии напрямую зависит от цены используемого топлива. Дороже всего пользователям обходится электроэнергия, дизельные виды топлива и газ.

Расчет показывает, что при учете такой тенденции, разница при установке теплового насоса, оснащенного грунтовым теплообменником, и котельной использующей дизельное топливо, окупится уже в течение трех ближайших лет.

Практически все без исключения современные модели тепловых насосов оборудованы встроенными электронагревателями. Это связанно с тем, что расчет показателей номинальной мощности, во время выбора типа отопительного оборудования, ведется с ориентировкой на покрытие тепловой нагрузки в самые холодные периоды.

Имеется в виду, что такая минимальная температура может продержаться всего несколько дней. Именно в этот период агрегат будет работать на полную мощность.

Преимущества использования теплового насоса

Экономичность. Благодаря высокому КПД системы достигается низкое энергопотребление. Из 1 кВт затраченной электроэнергии получается от 3 до 7 кВт тепловой энергии. Это больше, чем при работе любых котлов, использующих топливо.
Автономность. Работа насоса не нуждается в подаче органического топлива, поэтому нет необходимости прокладывать тепловые коммуникации.
Универсальность. В одном устройстве сочетаются одновременно системы нагрева воды, отопления и охлаждения.
Безопасность. В отличие от котлов, которые могут воспламениться или взорваться, тепловой насос является абсолютно безопасным. Он не содержит деталей, температура которых может привести к пожару. Не выделяет угарный ядовитый газ. Остановка работы не приведет к поломке или замораживанию жидкости.
Надежность. Работой насоса управляет автоматика. Обслуживание не требует специального обучения.
Долговечность. Прибор может прослужить от 20 до 50 лет. Это на порядок больше, чем у стандартных систем отопления.
Комфорт. Функционирование насоса не сопровождается колебанием температуры и влажности. Работает практически бесшумно.
Минимум площади требуется под скважину. Так как зонд находится под землей, повредить его невозможно.
Экологичность. Окружающая среда не загрязняется вредными выбросами.
Отсутствие бумажной волокиты. При монтаже не нужны согласования, как, например, при установке газового отопления.

Виды геотермальных систем

По сути, системы могут отличаться только строением наружного контура, в остальном оборудование используется одинаковое. На данный момент существует 3 вида внешних контуров:

прокладываемый в земле горизонтально;
вертикальные геотермальные зонды;
погружаемый на дно ближайшего водоема.

В первом случае множество труб прокладывается по дну горизонтального котлована расчетной площади. Минус этого способа в том, что монтаж геотермального отопления потребует много места на земельном участке и рекомендован к применению на этапе строительства дома, когда вырыть котлован и закопать трубы можно прямо под будущим домом.

Вертикальные зонды в виде пучков труб с теплоносителем опускаются внутрь глубоких скважин. Данный метод – наиболее распространен, поскольку доступен на небольших участках, уже застроенных хозяином. Погружение контура на дно водоема используется по мере возможности, то есть, при наличии такого водоема. По эффективности работы системы эти 3 способа практически не отличаются, есть разница только в стоимости строительства.

Принцип действия геотермального теплонасоса

Тепло у нас под ногами есть в любой среде. Его количество разное в разных регионах, но оно есть повсеместно. И геотермальный тепловой насос отбирает это тепло у природных источников и передает его нагревательному контуру.

Что может стать источником тепла? Любая среда вне помещения, температура которой зимой выше 0oC. Это близлежащий непромерзающий водоем, речка, даже колодец с достаточным количеством воды. Есть тепло и в грунте: ниже точки промерзания температура всегда положительная.

Источником тепла может быть любая среда с температурой выше нуля зимой

Принцип работы геотермального теплового насоса состоит в том, что тепло от источников переносится в установку, где преобразовывается и передается в отопительный контур.

Если говорить чуть подробнее, то все происходит так. В относительно теплой среде находится трубопровод с теплоносителем большой протяженности. Трубопровод чаще всего замкнутый, его движение обеспечивается насосом. Теплоноситель нагревается до температуры среды. Обычно это +5oC или чуть выше. Проходя по первому теплообменнику-испарителю, он отдает тепло находящемуся во втором контуре хладагенту.

Устройство теплового насоса: это три контура с теплоносителями, компрессор и испаритель, сбросный клапан

Хладагент — вещество, которое кипеть начинает при температуре выше -5oC. В большинстве установок используют фреон. До включения установки он находится в жидком состоянии. Потом, по мере поступления тепла от термальных источников, его температура поднимается. Фреон начинает испаряться, переходит в газообразное состояние. Этот газ уже имеет температуру порядка +5oC. Он поступает в компрессор, где его сжимают. При сжатии выделяется большое количество тепла, и из компрессора газ уже выходит с температурой от 35oC до 65oC. Он поступает в еще один теплообменник — конденсатор, где отдает тепловую энергию теплоносителю, который идет в контур отопления.

Сам фреон, отдав большую часть тепла, частично остывает, но все еще находится в газообразном состоянии при повышенном давлении. Он поступает на сбросный клапан, где давление резко падает, он резко охлаждается и сжижается. После чего снова поступает в испаритель, где начинается новый цикл преобразования.

Как устроено?

Принцип работы геотермального отопления подразумевает использование тепловых насосов. Они действуют по классическому циклу Карно, беря глубоко внизу холодный теплоноситель и получая взамен нагретый до 50 градусов поток жидкости внутри отопительной системы. Аппаратура работает с коэффициентом полезного действия от 350 до 450% (это не противоречит фундаментальным физическим законам, почему – будет сказано позже). Стандартный тепловой насос обогревает дом или иное здание за счет тепла земли на протяжении 100 тысяч часов (именно таков средний промежуток между профилактическими капитальными ремонтами).

Нагрев до 50 градусов выбран неслучайно. Именно такой показатель по результатам специальных расчетов и при изучении практически реализованных систем был признан наиболее эффективным. Поэтому земляное отопление, использующее поток энергии из недр, в основном дополняется не радиаторами, а теплым полом или воздушным контуром. В среднем, на 1000 Вт энергии, приводящей в работу насос, удается поднять наверх примерно 3500 Вт тепловой энергии. На фоне безудержного роста стоимости теплоносителя в магистральной сети и иных способов отопления это очень приятный показатель.

Геотермическое отопление образовано тремя контурами:

грунтовым коллектором;
тепловым насосом;
собственно, греющим комплексом дома.

Причина проста – та вода, которая встречается в достаточно разогретом слое почвы, быстро разъедает оборудование. И даже такую жидкость можно найти далеко не в любом произвольно взятом месте. Выбор конкретного теплоносителя определяется конструктивными решениями инженеров. Насос подбирается в зависимости от устройства остальных частей системы. Поскольку глубина скважины (уровень заложения оборудования) определяется природными условиями, решающие отличия между типами геотермальных систем связаны с устройством коллектора в грунте.

Горизонтальная структура подразумевает расположение коллектора под линией промерзания почвы. В зависимости от конкретной местности это означает углубление на 150-200 см. Такие коллекторы могут оснащаться различными трубами, как медными (с внешним слоем из ПВХ), так и сделанными из металлопластика. Чтобы получить от 7 до 9 кВт тепла, придется уложить не менее 300 кв. м коллектора. Такая методика не позволяет приближаться к деревьям более чем на 150 см, а по окончании монтажа придется благоустраивать территорию.

Вертикально выставленный коллектор подразумевает бурение нескольких скважин, причем обязательно устремленных в разные стороны, и каждую ведут под своим углом. Внутри скважин располагаются геотермальные зонды, тепловая отдача от 1 пог. м достигает примерно 50 Вт. Нетрудно подсчитать, что для идентичного количества тепла (7-9 кВт) придется поставить 150-200 м скважин. Преимущество в этом случае не только в экономии, но и в том, что ландшафтная структура территории не изменяется. Надо будет только выделить небольшой участок для монтажа кессонного блока и для выставления концентрирующего коллектора.

Нагреваемый от воды контур практичен, если можно вывести наружный узел обмена теплом в озеро или пруд на глубину от 200 до 300 см. Но обязательным условием будет расположение водоема в радиусе 0,1 км от отапливаемого строения и площадь водного зеркала минимум 200 кв. м. Существуют также воздушные теплообменники, когда получение тепла внешним контуром происходит из атмосферы. Подобное решение отлично проявляет себя в южных областях страны и не требует никаких земляных работ. Слабости системы – низкий КПД при морозе в 15 градусов и полная остановка, если температура понизится до 20 градусов.

Технология монтажа

Сборка оборудования этого типа производится в несколько этапов:

составляется проект;
собираются коллекторные коммуникации;
в систему устанавливается тепловой насос;
монтируется оборудование внутри дома;
производится заливка теплоносителя.

Далее рассмотрим, как установить тепловой насос под ключ своими руками пошагово.

Как составить проект

Прежде чем приступать к сборке коммуникаций этого типа, конечно же, следует произвести все необходимые расчеты. Работа внешней части системы должна быть полностью согласована с работой внутренней. Расчеты производятся в зависимости от выбранного типа оборудования. Для горизонтальных коллекторов они выполняются так:

Определяется количество необходимого антифриза. При этом используется формула Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·t), где Qo — тепловая мощность источника, t — разность температур между подающей и обратной линией. Параметр Qo рассчитывается как разница между мощностью насоса и электромощностью, затрачиваемой на нагрев хладагента.
Определяется необходимая длина коллектора. Формула расчета в этом случае выглядит так: L = Qo/q, где q — удельный теплосъем. Величина последнего показателя зависит от типа грунта на участке. Для глины, она, к примеру, составляет 20 Вт на п. м., для песка — 10 Вт и т. д.
Определяется необходимая под укладку коллектора площадь участка. В данном случае расчет ведется по формуле A = L·da, где da — шаг укладки труб.

Мощность теплового насоса определяется приблизительно из расчета 70 Вт тепла на 1 м2 при высоте потолков в 2.7 м. Трубы коллектора обычно прокладывают на расстоянии 0.8 м друг от друга или чуть больше.

Как собрать тепловой насос

Стоит оборудование этого типа довольно-таки дорого. Конструкция же теплового насоса относительно проста. Поэтому сделать его можно попробовать и самостоятельно. Выполняется эта процедура примерно так:

Приобретается компрессор (подойдет оборудование от кондиционера).
Изготавливается корпус конденсатора. Для этого бачок из нержавейки на 100 л разрезается напополам.
Изготавливается змеевик. Газовый или кислородный баллон обматывается медной трубкой от холодильника. Последнюю можно зафиксировать с помощью алюминиевых перфорированных уголков.
Змеевик устанавливается в корпус, после чего последний запаивается.
Из пластмассовой емкости 80 л изготавливается испаритель. В него монтируется змеевик из трубы ¾ дюйма.
К испарителю подключаются водопроводные трубы для доставки и слива воды.
Система заполняется хладагентом. Эту операцию стоит доверить специалисту. При неумелых действиях можно не только испортить собранное оборудование, но и получить травму.

Монтаж коллекторных коммуникаций

Технология установки внешнего контура системы отопления также зависит от ее разновидности. Для вертикального коллектора пробуриваются скважины глубиной 20-100 м. Под горизонтальный прорываются траншеи глубиной в 1.5 м. На следующем этапе производится укладка труб. Рядом с горизонтальным коллектором не должно расти деревьев, так как их корни могут повредить магистрали. Для сборки последних можно использовать полиэтиленовые трубы низкого давления.

Установка оборудования

Производится эта операция обычным образом. То есть в помещениях устанавливаются радиаторы отопления, проводятся магистрали и производится их подключение к котлу. На обратной трубе монтируются расширительный бак, фильтр и циркуляционный насос на байпасе. Можно также собрать и подключить к тепловому насосу систему «теплый пол». На заключительном этапе во внешний и внутренний контур заливается выбранный тип теплоносителя.

Как видите, смонтировать тепловой насос и коллектор можно и самостоятельно. Технологически процедура это не особенно сложная. Однако в отличие от других видов подобного оборудования, сборка такой системы даже горизонтального типа — операция физически довольно-таки трудоемкая. Скважины же для вертикальной пробурить самостоятельно без специального оборудования и вообще практически нереально. Поэтому, возможно, для выполнения расчетов и работ по сборке системы стоит все же нанять специалистов. Сегодня на рынке существуют компании, устанавливающие такое оборудование, как тепловой насос, под ключ.