Jak vyrobit tepelné čerpadlo pro vytápění domu vlastníma rukama: princip fungování a montážní schémata

První verze tepelných čerpadel dokázaly uspokojit potřeby tepelné energie jen částečně.Moderní odrůdy jsou účinnější a lze je použít pro topné systémy. To je důvod, proč se mnoho majitelů domů snaží instalovat tepelné čerpadlo vlastníma rukama.

Řekneme vám, jak vybrat nejlepší možnost pro tepelné čerpadlo s ohledem na geodata oblasti, kde se plánuje instalace. Článek navržený k posouzení podrobně popisuje princip fungování systémů „zelené energie“ a uvádí rozdíly. S našimi radami se nepochybně spokojíte s efektivním typem.

Pro samostatné řemeslníky představujeme technologii montáže tepelného čerpadla. Informace prezentované k posouzení jsou doplněny vizuálními diagramy, výběrem fotografií a podrobným video návodem ve dvou částech.

Co je tepelné čerpadlo a jak funguje?

Termín tepelné čerpadlo označuje soubor konkrétních zařízení. Hlavní funkcí tohoto zařízení je shromažďovat tepelnou energii a dopravovat ji ke spotřebiteli. Zdrojem takové energie může být jakékoli těleso nebo prostředí s teplotou +1º nebo více stupňů.

Zdrojů nízkoteplotního tepla je v našem prostředí více než dost. Jedná se o průmyslový odpad z podniků, tepelných a jaderných elektráren, splašků atd. Pro provoz tepelných čerpadel při vytápění domácností jsou potřeba tři samoobnovující se přírodní zdroje – vzduch, voda a země.

Tepelná čerpadla čerpají energii z procesů, které se pravidelně vyskytují v životním prostředí.Tok procesů se nikdy nezastaví, protože zdroje jsou podle lidských kritérií uznávány jako nevyčerpatelné

Tři vyjmenovaní potenciální dodavatelé energie přímo souvisejí s energií slunce, které zahříváním hýbe vzduchem s větrem a přenáší tepelnou energii zemi. Právě výběr zdroje je hlavním kritériem, podle kterého se systémy tepelných čerpadel klasifikují.

Princip činnosti tepelných čerpadel je založen na schopnosti těles nebo média předávat tepelnou energii jinému tělesu nebo prostředí. Přijímače a dodavatelé energie v systémech tepelných čerpadel obvykle pracují ve dvojicích.

Rozlišují se následující typy tepelných čerpadel:

• Vzduch je voda.
• Země je voda.
• Voda je vzduch.
• Voda je voda.
• Země je vzduch.
• Voda - voda
• Vzduch je vzduch.

V tomto případě první slovo určuje typ média, ze kterého systém odebírá nízkoteplotní teplo. Druhý označuje typ nosiče, na který se tato tepelná energie přenáší. Takže v tepelných čerpadlech je voda voda, teplo se odebírá z vodního prostředí a kapalina se používá jako chladivo.

Konstrukčně jsou tepelná čerpadla jednotkami pro kompresi páry. Odebírají teplo z přírodních zdrojů, zpracovávají ho a dopravují ke spotřebitelům (+)

Moderní tepelná čerpadla využívají tři hlavní zdroj tepelné energie. Jsou to půda, voda a vzduch. Nejjednodušší z těchto možností je vzduchové tepelné čerpadlo. Popularita těchto systémů je způsobena jejich poměrně jednoduchým designem a snadnou instalací.

Navzdory takové popularitě však tyto odrůdy mají spíše nízkou produktivitu. Kromě toho je účinnost nestabilní a závislá na sezónních výkyvech teplot.

S poklesem teploty jejich výkon výrazně klesá. Takové možnosti tepelného čerpadla lze považovat za doplněk ke stávajícímu hlavnímu zdroji tepelné energie.

Možnosti použití vybavení zemní teplo, jsou považovány za účinnější. Půda přijímá a akumuluje tepelnou energii nejen ze Slunce, neustále se zahřívá energií zemského jádra.

To znamená, že půda je druh tepelného akumulátoru, jehož síla je prakticky neomezená. Kromě toho je teplota půdy, zejména v určité hloubce, konstantní a kolísá v nepatrných mezích.

Rozsah použití energie generované tepelnými čerpadly:

Stálost teploty zdroje je důležitým faktorem pro stabilní a efektivní provoz tohoto typu energetických zařízení. Podobné charakteristiky mají systémy, ve kterých je hlavním zdrojem tepelné energie vodní prostředí. Kolektor takových čerpadel je umístěn buď ve studni, kde končí ve zvodně, nebo v nádrži.

Průměrná roční teplota zdrojů, jako je půda a voda, se pohybuje od +7º do + 12º C. Tato teplota je dostatečná pro zajištění efektivního provozu systému.

Nejúčinnější jsou tepelná čerpadla, která odebírají tepelnou energii ze zdrojů se stabilními ukazateli teploty, tzn. z vody a půdy

Základní konstrukční prvky tepelných čerpadel

Aby zařízení na výrobu energie fungovalo podle provozních principů tepelného čerpadla, musí jeho konstrukce obsahovat 4 hlavní jednotky, a to:

• Kompresor.
• Výparník.
• Kondenzátor.
• Škrticí klapka.

Důležitým prvkem konstrukce tepelného čerpadla je kompresor. Jeho hlavní funkcí je zvýšit tlak a teplotu par vznikajících v důsledku varu chladiva. Moderní spirálové kompresory se používají zejména pro klimatizační zařízení a tepelná čerpadla.

Kapaliny s nízkým bodem varu se používají jako pracovní kapalina, která přímo přenáší tepelnou energii. Zpravidla se používá amoniak a freony (+)

Takové kompresory jsou určeny pro provoz při teplotách pod nulou. Na rozdíl od jiných typů produkují spirálové kompresory malý hluk a pracují jak při nízkých teplotách varu plynu, tak při vysokých kondenzačních teplotách. Nespornou výhodou jsou jejich kompaktní rozměry a nízká měrná hmotnost.

Téměř veškerá energie tepelného čerpadla se spotřebuje na transport tepelné energie zvenčí dovnitř místnosti. Takže při výrobě 4 - 6 jednotek (+) je k provozu systémů potřeba asi 1 energetická jednotka

Výparník jako konstrukční prvek je nádoba, ve které se kapalné chladivo přeměňuje na páru. Chladivo, které cirkuluje v uzavřeném okruhu, prochází výparníkem. V něm se chladivo ohřeje a přemění na páru.Výsledná pára je pod nízkým tlakem směrována do kompresoru.

V kompresoru jsou páry chladiva stlačeny a jejich teplota se zvyšuje. Kompresor čerpá ohřátou páru pod vysokým tlakem směrem ke kondenzátoru.

Kompresor stlačuje médium cirkulující v okruhu, což má za následek zvýšení jeho teploty a tlaku. Poté stlačené médium vstupuje do tepelného výměníku (kondenzátoru), kde se ochladí a předá teplo vodě nebo vzduchu

Dalším konstrukčním prvkem systému je kondenzátor. Jeho funkce se redukuje na výdej tepelné energie do vnitřního okruhu topného systému.

Sériové vzorky vyráběné průmyslovými podniky jsou vybaveny deskovými výměníky tepla. Hlavním materiálem pro takové kondenzátory je legovaná ocel nebo měď.

Pro výrobu vlastního tepelného výměníku je vhodná měděná trubka o průměru půl palce. Tloušťka stěny trubek použitých k výrobě výměníku tepla musí být alespoň 1 mm

Termostatický, nebo jinak škrticí ventil je instalován na začátku té části hydraulického okruhu, kde dochází k přeměně vysokotlakého oběhového média na nízkotlaké. Přesněji řečeno, škrticí klapka spárovaná s kompresorem rozděluje okruh tepelného čerpadla na dvě části: jednu s parametry vysokého tlaku a druhou s parametry nízkého tlaku.

Při průchodu expanzní škrticí klapkou se kapalina cirkulující v uzavřeném okruhu částečně odpaří, v důsledku čehož dochází k poklesu tlaku a teploty. Poté vstupuje do výměníku tepla, který komunikuje s okolím. Tam zachycuje energii prostředí a předává ji zpět do systému.

Škrticí ventil reguluje průtok chladiva směrem k výparníku. Při výběru ventilu je třeba vzít v úvahu parametry systému. Ventil musí tyto parametry splňovat.

Při průchodu regulačním ventilem se chladicí kapalina částečně odpaří a výstupní teplota se sníží (+)

Výběr typu tepelného čerpadla

Hlavním ukazatelem tohoto topného systému je výkon. Finanční náklady na nákup zařízení a výběr toho či onoho zdroje nízkoteplotního tepla budou záviset především na výkonu. Čím vyšší je výkon systému tepelného čerpadla, tím vyšší jsou náklady na komponenty.

V první řadě máme na mysli výkon kompresoru, hloubku vrtů pro geotermální sondy nebo plochu pro umístění horizontálního kolektoru. Správné termodynamické výpočty jsou jakousi zárukou, že systém bude fungovat efektivně.

Pokud se v blízkosti vašeho osobního pozemku nachází jezírko, nákladově nejefektivnější a nejproduktivnější volbou by bylo tepelné čerpadlo voda-voda

Nejprve byste si měli prostudovat oblast, která je plánována pro instalaci čerpadla. Ideálním stavem by byla přítomnost nádrže v této oblasti. Používání možnost typu voda-voda výrazně sníží objem výkopových prací.

Využití zemského tepla naopak obnáší velké množství prací souvisejících s ražbou. Systémy, které používají vodná média jako teplo nízké kvality, jsou považovány za nejúčinnější.

Konstrukce tepelného čerpadla, které odebírá tepelnou energii ze země, vyžaduje impozantní množství výkopových prací. Kolektor je položen pod úrovní sezónního mrazu

Tepelnou energii půdy lze využít dvěma způsoby. První zahrnuje vrtání studní o průměru 100-168 mm. Hloubka takových vrtů může v závislosti na parametrech systému dosáhnout 100 m nebo více.

V těchto jamkách jsou umístěny speciální sondy. Druhý způsob využívá trubkový kolektor. Takový kolektor je umístěn pod zemí v horizontální rovině. Tato možnost vyžaduje poměrně velkou plochu.

Oblasti s vlhkou půdou jsou považovány za ideální pro pokládku kolektoru. Přirozeně, vrtání studní bude dražší než horizontální umístění nádrže. Ne každý web však má volné místo. Na jeden kW výkonu tepelného čerpadla potřebujete 30 až 50 m² plochy.

Stavba pro shromažďování tepelné energie s jednou hlubokou studnou se může ukázat jako o něco levnější než kopání jámy. Významným plusem je ale výrazná úspora místa, která je důležitá pro majitele malých pozemků

Pokud je na místě vysoko položený horizont podzemní vody, lze výměníky instalovat do dvou vrtů umístěných ve vzdálenosti cca 15 m od sebe.

Tepelná energie se v takových systémech shromažďuje čerpáním podzemní vody přes uzavřený okruh, jehož části jsou umístěny ve studních. Takový systém vyžaduje instalaci filtru a pravidelné čištění výměníku tepla.

Nejjednodušší a nejlevnější schéma tepelného čerpadla je založeno na získávání tepelné energie ze vzduchu. Kdysi se stal základem pro chladničky, později byly podle jeho principů vyvinuty klimatizace.

Nejjednodušší systém tepelného čerpadla přijímá energii ze vzduchové hmoty. V létě se podílí na vytápění, v zimě na klimatizaci.Nevýhodou systému je, že samostatná jednotka má nedostatečný výkon

Účinnost různých typů tohoto zařízení není stejná. Čerpadla využívající vzduch mají nejnižší výkon. Kromě toho tyto ukazatele přímo závisí na povětrnostních podmínkách.

Pozemní typy tepelných čerpadel mají stabilní výkon. Koeficient účinnosti těchto systémů se pohybuje mezi 2,8 -3,3. Nejúčinnější jsou systémy voda-voda. To je dáno především stabilitou teploty zdroje.

Je třeba poznamenat, že čím hlouběji je potrubí čerpadla umístěno v nádrži, tím stabilnější bude teplota. K získání výkonu systému 10 kW je zapotřebí asi 300 metrů potrubí.

Hlavním parametrem charakterizujícím účinnost tepelného čerpadla je jeho převodní koeficient. Čím vyšší je konverzní faktor, tím efektivnější je tepelné čerpadlo uvažováno.

Konverzní koeficient tepelného čerpadla je vyjádřen poměrem tepelného toku a elektrické energie vynaložené na provoz kompresoru

Montáž tepelného čerpadla svépomocí

Znáte-li provozní schéma a konstrukci tepelného čerpadla, sestavte a nainstalujte jej sami alternativní systém vytápění docela možné. Před zahájením práce je nutné vypočítat všechny hlavní parametry budoucího systému. Pro výpočet parametrů budoucího čerpadla můžete použít software určený k optimalizaci chladicích systémů.

Nejjednodušší varianta konstrukce je systém vzduch-voda. Nevyžaduje složité práce na výstavbě vnějšího okruhu, který je vlastní vodním a pozemním typům tepelných čerpadel. Pro instalaci budete potřebovat pouze dva kanály, z nichž jeden bude přivádět vzduch a druhý bude vypouštět odpadní hmotu.

Nejjednodušší způsob je postavit tepelné čerpadlo vlastníma rukama, které odebírá teplo ze vzduchové hmoty. Venkovní ventilátor vhání vzduch do výparníku

Kromě ventilátoru si musíte pořídit kompresor o potřebném výkonu. Pro takovou jednotku je kompresor, který je vybaven konvenčním dělené systémy. Není nutné kupovat novou jednotku.

Můžete jej odstranit ze starého zařízení nebo použít staré komponenty chladničky. Je vhodné použít spirálu. Tyto možnosti kompresoru, kromě toho, že jsou docela účinné, vytvářejí vysoké tlaky, které produkují vyšší teploty.

K instalaci kondenzátoru budete potřebovat nádobu a měděnou trubku. Cívka je vyrobena z trubky. Pro jeho výrobu se používá jakékoli válcové těleso požadovaného průměru. Obtočením měděné trubky kolem něj snadno a rychle vyrobíte tento konstrukční prvek.

Hotová cívka je namontována v nádobě předem rozříznuté na polovinu. Pro výrobu nádob je lepší používat materiály, které jsou odolné vůči korozi. Po umístění cívky do ní jsou poloviny nádrže svařeny.

Plocha cívky se vypočítá podle následujícího vzorce:

MT/0,8 RT,

Kde:

• MT - výkon tepelné energie, kterou systém vyrábí.
• 0,8 — koeficient tepelné vodivosti při interakci vody s materiálem cívky.
• RT — rozdíl teplot vody na vstupu a výstupu.

Při výběru měděné trubky pro výrobu cívky sami, musíte věnovat pozornost tloušťce stěny. Musí být alespoň 1 mm. Jinak se trubka během navíjení zdeformuje. Potrubí, kterým chladivo vstupuje, je umístěno v horní části nádoby.

Výměník tepla z měděných trubek se vyrábí navinutím měděné trubky na předmět válcového tvaru. Čím větší je povrch cívky, tím vyšší je výkon čerpadla

Výparník tepelného čerpadla může být vyroben ve dvou provedeních - ve formě nádoby s v ní umístěnou spirálou a ve formě trubky v potrubí. Protože teplota kapaliny ve výparníku je nízká, může být nádoba vyrobena z plastového barelu. V této nádobě je umístěn obvod z měděné trubky.

Na rozdíl od kondenzátoru musí spirála spirály výparníku odpovídat průměru a výšce zvolené nádoby. Druhá možnost výparníku: trubka v trubce. V tomto provedení je trubice s chladivem umístěna v plastové trubce o větším průměru, kterou cirkuluje voda.

Délka takového potrubí závisí na plánovaném výkonu čerpadla. Může to být od 25 do 40 metrů. Taková trubka je stočena do spirály.

Termostatický ventil označuje uzavírací a regulační potrubní armatury. Jehla se používá jako uzavírací prvek v expanzním ventilu. Poloha uzavíracího prvku ventilu je určena teplotou ve výparníku.

Tento důležitý prvek systému má poměrně složitý design. To zahrnuje:

• Termočlánek.
• Membrána.
• Kapilární trubice.
• Termální balon.

Tyto prvky se mohou stát při vysokých teplotách nepoužitelnými.Proto by měl být ventil během pájecích prací na systému izolován azbestovou tkaninou. Regulační ventil musí odpovídat kapacitě výparníku.

Po provedení prací na výrobě hlavních konstrukčních dílů přichází zásadní moment při sestavení celé konstrukce do jednoho bloku. Nejkritičtější fází je proces vstřikování chladiva nebo chladicí kapaliny do systému.

Je nepravděpodobné, že by běžný člověk mohl takovou operaci provést nezávisle. Zde se budete muset obrátit na profesionály, kteří opravují a udržují klimatizační zařízení.

Pracovníci v tomto oboru mají většinou potřebné vybavení. Kromě plnění chladiva mohou otestovat fungování systému. Vlastní vstřikování chladiva může vést nejen ke konstrukčnímu selhání, ale také k vážnému zranění. Kromě toho je pro provoz systému také nutné speciální vybavení.

Když se systém spustí, dojde ke špičkovému startovacímu zatížení, obvykle kolem 40 A. Proto je spuštění systému bez startovacího relé nemožné. Po prvním spuštění je nutné seřízení ventilu a tlaku chladiva.

Výběr chladiva je třeba brát velmi vážně. Koneckonců je to tato látka, která je v podstatě považována za hlavního „nosiče“ užitečné tepelné energie. Ze stávajících moderních chladiv jsou nejoblíbenější freony. Jedná se o deriváty uhlovodíkových sloučenin, ve kterých jsou některé atomy uhlíku nahrazeny jinými prvky.

Výsledkem montáže jednotlivých prvků tepelného čerpadla by měla být uzavřená smyčka, kterou cirkuluje pracovní médium

Výsledkem této práce byl systém s uzavřenou smyčkou. V něm bude cirkulovat chladivo, které zajistí výběr a přenos tepelné energie z výparníku do kondenzátoru. Při připojování tepelných čerpadel k systému vytápění domu je třeba vzít v úvahu, že teplota vody na výstupu z kondenzátoru nepřesáhne 50 - 60 stupňů.

Vzhledem k nízké teplotě tepelné energie generované tepelným čerpadlem je třeba jako spotřebič tepla volit specializovaná topná zařízení. Může to být teplá podlaha nebo objemové radiátory s nízkou setrvačností vyrobené z hliníku nebo oceli s velkou radiační plochou.

Možnosti domácího tepelného čerpadla jsou nejvhodnější jako pomocné zařízení, které podporuje a doplňuje provoz hlavního zdroje.

Každým rokem se návrhy tepelných čerpadel zdokonalují. Průmyslové vzory určené pro domácí použití využívají efektivnější teplosměnné plochy. V důsledku toho se výkon systému neustále zvyšuje.

Důležitým faktorem, který stimuluje rozvoj takové technologie pro výrobu tepelné energie, je složka životního prostředí. Takové systémy, kromě toho, že jsou docela účinné, neznečišťují životní prostředí. Absence otevřeného plamene činí jeho provoz naprosto bezpečným.

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Jak si vyrobit jednoduché domácí tepelné čerpadlo s výměníkem z PEX trubek:

Video #2. Pokračování návodu:

Tepelná čerpadla se jako alternativní topné systémy používají již delší dobu.Tyto systémy jsou spolehlivé, mají dlouhou životnost a co je důležité, jsou šetrné k životnímu prostředí. Začíná se o nich vážně uvažovat jako o dalším kroku k vývoji účinných a bezpečných systémů vytápění.

Chcete se na něco zeptat nebo nám sdělit zajímavý způsob stavby tepelného čerpadla, který není v článku zmíněn? Komentáře pište do bloku níže.