Cum să realizați o pompă de căldură pentru încălzirea locuinței cu propriile mâini: principiul de funcționare și schemele de asamblare

Primele variante de pompe de căldură au putut satisface doar parțial nevoile de energie termică. Soiurile moderne sunt mai eficiente și pot fi utilizate pentru sistemele de încălzire. Din acest motiv, mulți proprietari de case încearcă să monteze o pompă de căldură cu propriile mâini.

Vă vom spune cum să alegeți varianta optimă de pompă de căldură ținând cont de datele geo ale terenului pe care se plănuiește instalarea acesteia. În articolul propus spre examinare este descris detaliat principiul de funcționare al sistemelor de utilizare a “energiei verzi”, sunt enumerate diferențele. Ținând cont de sfaturile noastre, dumneavoastră, fără îndoială, veți alege un tip eficient.

Pentru meșterii independenți, prezentăm tehnologia de asamblare a pompei de căldură. Informația prezentată spre examinare este completată de scheme vizuale, selecții de fotografii și un instructaj video detaliat în două părți.

Ce este o pompă de căldură și cum funcționează?

Prin termenul de pompă de căldură se înțelege un set de echipamente specifice. Funcția principală a acestui echipament este colectarea energiei termice și transportul acesteia către consumator. Sursa acestei energii poate fi orice corp sau mediu cu o temperatură de la +1º și mai mult.

În mediul înconjurător există mai mult decât suficiente surse de căldură la temperaturi joase. Acestea sunt deșeuri industriale de la întreprinderi, centrale termice și nucleare, ape uzate etc. Pentru funcționarea pompelor de căldură în domeniul încălzirii casei sunt necesare trei surse naturale care se regenerează independent – aer, apă, pământ.

Pompele de căldură “extrag” energia din procesele care au loc în mod regulat în mediul înconjurător. Cursul proceselor nu se oprește niciodată, de aceea sursele sunt considerate inepuizabile după criterii umane.

Cei trei potențiali furnizori de energie enumerați sunt direct legați de energia soarelui, care prin încălzire pune în mișcare aerul cu vântul și transmite energie termică pământului. Tocmai alegerea sursei este criteriul principal conform căruia se clasifică sistemele de pompe de căldură.

Principiul de funcționare al pompelor de căldură se bazează pe capacitatea corpurilor sau mediilor de a transmite energie termică unui alt corp sau mediu. Beneficiarii și furnizorii de energie din sistemele de pompe de căldură lucrează de obicei în pereche.

Astfel, se deosebesc următoarele tipuri de pompe de căldură:

• Aer – apă.
• Pământ – apă.
• Apă – aer.
• Apă – apă.
• Pământ – aer.
• Apă – apă
• Aer – aer.

În acest context, primul cuvânt definește tipul de mediu din care sistemul extrage căldura de temperatură joasă. Al doilea indică tipul de purtător căruia îi este transferată această energie termică. Astfel, la pompele de căldură apă – apă, căldura este extrasă din mediul acvatic, iar ca agent termic se utilizează lichidul.

Pompele de căldură, din punct de vedere constructiv, sunt instalații cu compresie de vapori. Ele extrag căldura din surse naturale, o procesează și o transportă către consumatori (+)

Pompele de căldură moderne utilizează trei surse principale de energie termică. Acestea sunt – solul, apa și mediul aerian. Cea mai simplă dintre aceste variante este pompa de căldură aeriană. Popularitatea acestor sisteme se datorează construcției lor relativ simple și montajului facil.

Cu toate acestea, în ciuda unei asemenea popularități, aceste varietăți au o performanță destul de scăzută. În plus, randamentul este instabil și dependent de fluctuațiile sezoniere ale regimului de temperatură.

Odată cu scăderea temperaturii, performanța lor scade semnificativ. Astfel de variante de pompe de căldură pot fi considerate ca o completare la sursa principală existentă de energie termică.

Variantele de echipamente care utilizează căldura solului sunt considerate mai eficiente. Solul primește și acumulează energie termică nu numai de la Soare, ci este încălzit constant de energia nucleului Pământului.

Adică solul este un fel de acumulator termic, a cărui capacitate este practic nelimitată. Mai mult, temperatura solului, în special la o anumită adâncime, este constantă și fluctuează în limite nesemnificative.

Domeniul de aplicare a energiei generate de pompele de căldură:

Constanța temperaturii sursei este un factor important pentru funcționarea stabilă și eficientă a acestui tip de echipament energetic. Caracteristici similare au sistemele în care mediul acvatic este principala sursă de energie termică. Colectorul acestor pompe este amplasat fie într-un puț, unde ajunge în stratul acvifer, fie într-un corp de apă.

Temperatura medie anuală a unor astfel de surse, cum ar fi solul și apa, variază între +7 °C și +12 °C. Această temperatură este suficientă pentru a asigura funcționarea eficientă a sistemului.

Cele mai eficiente sunt considerate pompele de căldură care extrag energie termică din surse cu indicatori de temperatură stabili, adică din apă și sol.

Elementele principale de construcție ale pompelor de căldură

Pentru ca instalația de producere a energiei să funcționeze conform principiilor de funcționare ale pompei de căldură, în construcția acesteia trebuie să fie prezente 4 unități principale, și anume:

• Compresor.
• Evaporator.
• Condensator.
• Supapă de laminare.

Un element important al construcției pompei de căldură este compresorul. Funcția sa principală – creșterea presiunii și temperaturii vaporilor formați în urma fierberii agentului frigorific. Pentru echipamentele de climatizare și pompele de căldură, în special, se utilizează compresoare spirale moderne.

Ca fluid de lucru care realizează transferul direct al energiei termice, se utilizează lichide cu temperatură de fierbere scăzută. De regulă, se utilizează amoniac și freoni (+)

Astfel de compresoare sunt proiectate pentru funcționare la temperaturi negative. Spre deosebire de alte varietăți, compresoarele spiralate produc puțin zgomot și funcționează atât la temperaturi scăzute de fierbere a gazului, cât și la temperaturi înalte de condensare. Un avantaj incontestabil este considerat dimensiunile lor compacte și greutatea specifică redusă.

Practic, întreaga energie a pompei de căldură este cheltuită pentru transportul energiei termice din exterior în interiorul încăperii. Astfel, pentru funcționarea sistemelor se consumă aproximativ 1 unitate energetică la producerea a 4 – 6 unități (+)

Evaporatorul, ca element constructiv, reprezintă un recipient în care are loc transformarea în vapori a agentului frigorific lichid. Agentul frigorific, circulând printr-un circuit închis, trece prin evaporator. În acesta, agentul frigorific se încălzește și se transformă în vapori. Vaporii rezultați, sub presiune scăzută, sunt direcționați către compresor.

În compresor, vaporii agentului frigorific sunt supuși acțiunii presiunii, iar temperatura lor crește. Compresorul pompează, sub presiune înaltă, vaporii încălziți către condensator.

Compresorul comprimă mediul care circulă prin circuit, în urma căruia cresc temperatura și presiunea acestuia. Apoi, mediul comprimat intră în schimbătorul de căldură (condensator), unde se răcește, cedând căldură apei sau aerului.

Următorul element constructiv al sistemului – condensatorul. Funcția acestuia se rezumă la cedarea energiei termice circuitului interior al sistemului de încălzire.

Exemplarele de serie, fabricate de întreprinderi industriale, sunt dotate cu schimbătoare de căldură cu plăci. Materialul principal pentru astfel de condensatoare este oțelul aliat sau cuprul.

Pentru fabricarea independentă a schimbătorului de căldură, este potrivit un tub de cupru cu diametrul de jumătate de țol. Grosimea pereților tuburilor utilizate pentru fabricarea schimbătorului de căldură trebuie să fie de cel puțin 1 mm.

Supapa termoreglabilă, sau altfel spus, supapa de laminare, se instalează la începutul acelei părți a circuitului hidraulic unde mediul circulant de presiune înaltă se transformă într-un mediu cu presiune joasă. Mai exact, clapeta de laminare împreună cu compresorul împart circuitul pompei de căldură în două părți: una cu parametri înalți de presiune, cealaltă – cu parametri joși.

La trecerea prin ventilul de laminare de expansiune, lichidul care circulă prin circuitul închis se evaporă parțial, drept urmare presiunea împreună cu temperatura scad. Apoi, intră în schimbătorul de căldură care comunică cu mediul înconjurător. Acolo captează energia mediului și o transportă înapoi în sistem.

Prin intermediul supapei de laminare se reglează debitul agentului frigorific către evaporator. La alegerea supapei, trebuie luate în considerare parametrii sistemului. Supapa trebuie să corespundă acestor parametri.

La trecerea prin supapa de reglare termică, lichidul termic se evaporă parțial, iar temperatura fluxului scade (+)

Alegerea tipului de pompă de căldură

Principalul indicator al acestui sistem de încălzire este puterea. De putere vor depinde în primul rând costurile financiare pentru achiziționarea echipamentului și alegerea uneia sau alteia dintre sursele de căldură la temperatură scăzută. Cu cât puterea sistemului cu pompă de căldură este mai mare, cu atât este mai mare costul componentelor.

În primul rând, se are în vedere puterea compresorului, adâncimea forajelor pentru sondele geotermale sau suprafața pentru amplasarea colectorului orizontal. Calculele termodinamice corecte sunt un fel de garanție că sistemul va funcționa eficient.

Dacă în apropierea terenului personal există un corp de apă, cea mai rentabilă și eficientă alegere este pompa de căldură apă-apă

Pentru început, trebuie studiat terenul care este planificat pentru montarea pompei. Condiția ideală este existența unui corp de apă pe acest teren. Utilizarea variantei de tip apă-apă va reduce semnificativ volumul lucrărilor de excavare.

Utilizarea căldurii pământului, dimpotrivă, presupune o cantitate mare de lucrări legate de excavarea solului. Sistemele care utilizează mediul acvatic ca sursă de căldură de potențial scăzut sunt considerate cele mai eficiente.

Construcția pompei de căldură care extrage energia termică din sol presupune efectuarea unei cantități impresionante de lucrări de excavare. Colectorul este amplasat sub nivelul de îngheț sezonier

Energia termică a solului poate fi utilizată în două moduri. Primul presupune forarea de găuri cu diametrul de 100-168 mm. Adâncimea acestor găuri, în funcție de parametrii sistemului, poate atinge 100 m și mai mult.

În aceste găuri se plasează sonde speciale. În al doilea mod, se utilizează un colector din țevi. Un astfel de colector este amplasat sub pământ în plan orizontal. Pentru această variantă este necesară o suprafață suficient de mare.

Pentru amplasarea colectorului, terenurile cu sol umed sunt considerate ideale. Desigur, forarea găurilor va fi mai scumpă decât amplasarea orizontală a colectorului. Cu toate acestea, nu pe fiecare teren există suprafețe libere. Pentru un kW de putere al pompei de căldură este nevoie de la 30 până la 50 m² de suprafață.

Construcția unei singure sonde adânci pentru captarea energiei termice se poate dovedi puțin mai ieftină decât săparea unei gropi. Dar un avantaj semnificativ constă în economisirea substanțială de spațiu, ceea ce este important pentru proprietarii de terenuri mici.

În cazul prezenței pe teren a unui orizont freatic superficial, schimbătoarele de căldură pot fi instalate în două sonde situate la o distanță de aproximativ 15 m una de alta.

Extragerea energiei termice în astfel de sisteme se face prin pomparea apei subterane printr-un circuit închis, ale cărui părți sunt amplasate în sonde. Un astfel de sistem necesită instalarea unui filtru și curățarea periodică a schimbătorului de căldură.

Cea mai simplă și ieftină schemă a pompei de căldură se bazează pe extragerea energiei termice din aer. Cândva, ea a stat la baza construcției frigiderelor, iar mai târziu, conform principiilor sale, au fost dezvoltate aparatele de aer condiționat.

Cel mai simplu sistem de pompe de căldură obține energie din masa de aer. Vara, participă la încălzire, iarna la aer condiționat. Dezavantajul sistemului este că, în cazul unei realizări independente, unitatea are o putere insuficientă.

Eficiența diferitelor tipuri ale acestui echipament nu este aceeași. Cele mai mici valori le au pompele care utilizează mediul aerian. În plus, aceste valori depind direct de condițiile meteorologice.

Variantele geotermale ale pompelor de căldură au valori stabile. Coeficientul de eficiență al acestor sisteme variază între 2,8 și 3,3. Cea mai mare eficiență o au sistemele apă-apă. Acest lucru se datorează, în primul rând, stabilității temperaturii sursei.

Trebuie remarcat faptul că, cu cât colectorul pompei este amplasat mai adânc în bazinul de apă, cu atât temperatura va fi mai stabilă. Pentru a obține o putere a sistemului de 10 kW, este necesar un circuit de aproximativ 300 de metri.

Parametrul principal care caracterizează eficiența funcționării pompei de căldură este considerat a fi coeficientul său de transformare. Cu cât coeficientul de transformare este mai mare, cu atât pompa de căldură este considerată mai eficientă.

Coeficientul de transformare al pompei de căldură se exprimă prin raportul dintre valorile fluxului termic și puterea electrică consumată pentru funcționarea compresorului.

Asamblarea pompei de căldură de către dumneavoastră

Cunoscând schema de funcționare și construcția pompei de căldură, este perfect posibil să asamblați și să montați independent sistemul de încălzire alternativă. Înainte de începerea lucrărilor, este necesar să calculați toți parametrii principali ai viitorului sistem. Pentru calculul parametrilor viitoarei pompe, puteți utiliza un software destinat optimizării sistemelor de răcire.

Cea mai simplă variantă de construcție este sistemul aer-apă. Aceasta nu necesită lucrări complicate pentru realizarea circuitului exterior, specific varietăților de pompe de căldură cu apă și sol. Pentru montaj sunt necesare doar două canale, dintre care unul va alimenta aerul, iar celălalt va evacua masa uzată.

Cel mai simplu este să construiți singur o pompă de căldură care extrage căldura din aer. Un ventilator instalat în exterior forțează aerul către evaporator.

Pe lângă ventilator, este necesar să obțineți un compresor de puterea corespunzătoare. Pentru un astfel de agregat este potrivit un compresor din sistemele split obișnuite. Nu este obligatoriu să cumpărați un agregat nou.

Îl puteți demonta de pe un echipament vechi sau puteți utiliza componente ale unui frigider vechi. Este recomandabil să folosiți varianta spirală. Aceste tipuri de compresoare, pe lângă eficiența suficientă, creează o presiune ridicată, asigurând creșterea temperaturii.

Pentru realizarea condensatorului veți avea nevoie de un recipient și de o țeavă de cupru. Din țeavă se face un serpentin. Pentru fabricarea acestuia se utilizează orice corp cilindric de diametrul necesar. Înfășurând țeava de cupru în jurul lui, puteți realiza ușor și rapid acest element al construcției.

Serpentinul finit se montează într-un recipient tăiat în prealabil în jumătate. Pentru fabricarea recipientului este mai bine să folosiți materiale rezistente la coroziune. După amplasarea serpentinului în interior, jumătățile rezervorului se sudează.

Suprafața serpentinului se calculează după următoarea formulă:

MT/0,8 RT,

unde:

• MT – puterea energiei termice generate de sistem.
• 0,8 – coeficientul de conductivitate termică la interacțiunea apei cu materialul serpentinului.
• RT – diferența de temperatură a apei la intrare și la ieșire.

Atunci când alegeți o țeavă de cupru pentru fabricarea manuală a serpentinului, trebuie să acordați atenție grosimii pereților. Aceasta trebuie să fie de cel puțin 1 mm. În caz contrar, la înfășurare, țeava se va deforma. Țeava prin care intră agentul frigorific se plasează în partea superioară a recipientului.

Schimbătorul de căldură din țeavă de cupru se realizează prin înfășurarea țevii de cupru pe un obiect cu formă cilindrică. Cu cât suprafața serpentinului este mai mare, cu atât randamentul pompei este mai ridicat.

Evaporatorul pompei de căldură poate fi realizat în două variante – sub formă de recipient cu serpentin în interior și sub formă de țeavă în țeavă. Deoarece temperatura lichidului din evaporator este scăzută, recipientul poate fi confecționat dintr-un butoi de plastic. În acest recipient se introduce circuitul realizat dintr-o țeavă de cupru.

Spre deosebire de condensator, spirala serpentinei evaporatorului trebuie să corespundă diametrului și înălțimii recipientului ales. A doua variantă de evaporator: țeavă în țeavă. În această variantă, tubul cu agent frigorific este plasat într-o țeavă de plastic de diametru mai mare, prin care circulă apa.

Lungimea unei astfel de țevi depinde de puterea planificată a pompei. Ea poate fi de la 25 la 40 de metri. O astfel de țeavă este rulată în spirală.

Supapa de reglare termică aparține armăturilor de conducte de închidere și reglare. Ca element de închidere în TRV se folosește un ac. Poziția elementului de închidere al supapei este determinată de temperatura din evaporator.

Acest element important al sistemului are o construcție destul de complexă. În componența sa intră:

• Termoelementul.
• Diafragma.
• Tubul capilar.
• Termobalonul.

Aceste elemente se pot deteriora la temperaturi ridicate. De aceea, în timpul lucrărilor de lipire a sistemului, supapa trebuie izolată cu ajutorul unei țesături de azbest. Supapa de reglare trebuie să corespundă capacității evaporatorului.

După efectuarea lucrărilor de fabricare a părților structurale principale, urmează momentul responsabil al asamblării întregii construcții într-un singur bloc. Cea mai importantă etapă este procesul de încărcare a agentului frigorific sau a agentului termic în sistem.

Efectuarea independentă a unei astfel de operațiuni cu greu poate fi realizată de un simplu cetățean de rând. Aici va trebui să apelați la profesioniști care se ocupă de repararea și întreținerea echipamentelor climatice.

Angajații din acest domeniu au de obicei echipamentul necesar. Pe lângă reumplerea agentului frigorific, ei pot testa funcționarea sistemului. Încărcarea independentă a agentului frigorific poate duce nu numai la defectarea construcției, ci și la răni grave. În plus, pentru pornirea sistemului este necesar de asemenea un echipament special.

La pornirea sistemului are loc o sarcină de pornire de vârf, care constituie, de regulă, aproximativ 40 A. Prin urmare, pornirea sistemului fără un releu de pornire este imposibilă. După prima pornire, este necesară reglarea supapei și a presiunii agentului frigorific.

Alegerea agentului frigorific trebuie tratată cu toată seriozitatea. Deoarece această substanță este considerată de fapt principalul “purtător” al energiei termice utile. Dintre agenții frigorifici moderni existenți, cei mai populari sunt freonii. Aceștia sunt derivați ai compușilor de hidrocarburi, în care o parte din atomii de carbon sunt înlocuiți cu alte elemente.

În urma asamblării elementelor individuale ale pompei de căldură, trebuie să rezulte un circuit închis, prin care circulă mediul de lucru.

În urma efectuării acestor lucrări, a rezultat un sistem cu circuit închis. În el va circula agentul frigorific, asigurând extracția și transferul energiei termice de la evaporator la condensator. La conectarea pompelor de căldură la sistemul de alimentare cu căldură al casei, trebuie să se țină cont că temperatura apei la ieșirea din condensator nu depășește 50 – 60 de grade.

Din cauza temperaturii scăzute a energiei termice generate de pompa de căldură, ca consumator de căldură trebuie să alegeți aparate de încălzire specializate. Acestea pot fi podele încălzite sau radiatoare voluminoase, cu inerție redusă, din aluminiu sau oțel, cu o suprafață mare de radiație.

Variantele artizanale de pompe de căldură sunt cel mai potrivit de privit ca echipament auxiliar, care susține și completează funcționarea sursei principale.

În fiecare an, construcțiile pompelor de căldură se perfecționează. În modelele industriale destinate uzului casnic, se utilizează suprafețe de transfer termic mai eficiente. Ca urmare, performanța sistemelor crește constant.

Un factor important care stimulează dezvoltarea acestei tehnologii de producere a energiei termice este componenta ecologică. Astfel de sisteme, pe lângă faptul că sunt destul de eficiente, nu poluează mediul înconjurător. Absența flăcării deschise face ca funcționarea sa să fie absolut sigură.

Concluzii și material video util pe această temă

Video #1. Cum să faceți cea mai simplă pompă de căldură artizanală cu schimbător de căldură din țeavă PE-X:

Video #2. Continuarea instrucțiunilor:

Ca sisteme alternative de încălzire, pompele de căldură sunt utilizate de destul de mult timp. Aceste sisteme posedă fiabilitate, o durată lungă de viață și, ceea ce nu este lipsit de importanță, sunt inofensive pentru mediu. Ele încep să fie luate în serios în considerare ca un alt pas pe calea dezvoltării sistemelor de încălzire eficiente și sigure.

Doriți să puneți o întrebare sau să povestiți despre o metodă interesantă de construire a unei pompe de căldură, nemenționată în articol? Vă rugăm să scrieți comentarii în blocul situat mai jos.