Як зробити геотермальний тепловий насос для опалення будинку
![Геотермальное отопление частного дома](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Teplovoj-nasos-svoimi-rukami-iz-kondicionera.jpg)
Теплові насоси для опалення приватного будинку значно вигідніші за інші установки. Вони здатні дати 2.5…4.5 кВт теплоти з 1 спожитого кіловата електрики. Зворотний бік медалі: для отримання дешевої енергії доведеться вкласти чималі кошти в обладнання, найскромніша опалювальна установка потужністю 10 кВт коштуватиме близько 3500 у. о. (стартова ціна).
Єдиний спосіб зменшити витрати в 2–3 рази – це зробити тепловий насос своїми руками (скорочено – ТН). Розглянемо кілька реальних робочих варіантів, змонтованих і перевірених майстрами-ентузіастами на практиці. Оскільки для виготовлення складного опалювального агрегата потрібні базові знання про холодильні машини, почнемо з теорії.
Особливості та принцип роботи ТН
Чим тепловий насос відрізняється від інших установок для опалення приватних будинків:
- на відміну від котлів і обігрівачів, агрегат самостійно не виробляє тепло, а подібно кондиціонеру переміщує його всередину будівлі з вулиці;
- ТН отримав назву насоса, оскільки «викачує» енергію з джерел низькопотенційного тепла – навколишнього повітря, води чи землі;
- установка живиться виключно електроенергією, яку споживає компресор, вентилятори, циркуляційні насоси і блок управління;
- робота апарата заснована на циклі Карно, що використовується у всіх холодильних машинах, наприклад, кондиціонерах, побутових холодильниках і спліт-системах.
![Тепловий насос для опалення будинку «повітря – повітря» — принцип роботи Принцип дії побутової спліт-системи](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Rabota-kondicionera-v-rezhime-obogreva.jpg)
Довідка. Теплота міститься в будь-якій речовині, що має температуру вищу за абсолютний нуль (мінус 273 °C). Сучасні технології дозволяють віднімати цю енергію від повітря з температурою до —30 °C, грунту і води – до +2 °C.
В теплообмінному циклі Карно бере участь робоче тіло – газ фреон, що кипить за мінусової температури. Випаровуючись і конденсуючись в двох теплообмінниках, холодоагент поглинає енергію навколишнього середовища та переносить її в будинок. За принципом дії тепловий насос повторює роботу кондиціонера, ввімкненого на обігрів:
- Перебуваючи в рідкій фазі, фреон проходить трубками зовнішнього теплообмінника-випарника, як зображено на схемі. Отримуючи тепло повітря чи води крізь металеві стінки, холодоагент нагрівається, кипить і випаровується.
- Далі газ надходить у компресор, що нагнітає тиск до розрахункового значення. Його задача – підняти точку кипіння речовини, щоб фреон зміг конденсуватися за високої температури середовища.
- Проходячи крізь внутрішній теплообмінник-конденсор, газ знову обертається на рідину і віддає накопичену енергію теплоносієві (воді) або повітрю приміщення напряму.
- На останньому етапі рідкий хладон надходить всередину ресивера – відокремлювача вологи, потім в дросельний клапан. Тиск речовини знову падає, фреон готовий повторно проходити цикл.
![Геотермальний тепловий насос для опалення – схема роботи Як працює тепловий насос схема](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Shema-raboty-teplovogo-nasosa.jpg)
Примітка. Звичайні спліт-системи і заводські теплові насоси мають спільну рису – здатність переносити енергію в обох напрямках і функціонувати у 2 режимах – опалення/охолодження. Перемикання реалізоване за допомогою чотириходового реверсивного клапана, що змінює напрямок руху газу по контуру.
У побутових кондиціонерах і ТН застосовуються різні типи терморегулюючої арматури, яка знижує тиск холодоагенту перед проходженням випарника. В «сплітах» функцію регулятора виконує простий капілярний пристрій, у насосах – дорогий терморегулюючий вентиль (ТРВ).
Зауважте, описаний цикл відбувається в теплових насосах усіх типів. Різниця полягає в способах підведення/відбору тепла до випарника і конденсора, їх ми перерахуємо далі.
![Дросельний елемент кондиціонера і теплового насоса Дросельні пристрої кондиціонера](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Kapilljarnaja-trubka-i-TRV-kondicionera.jpg)
Різновиди опалювальних установок
Відповідно до загальноприйнятої класифікації, ТН діляться на типи за джерелом отримуваної енергії та видом теплоносія, якому вона передається:
- Насоси типу «повітря-повітря» найближчі до спліт-систем, різниця полягає в площі зовнішнього випарника. Апарат забирає теплоту навколишнього середовища і безпосередньо передає повітрю приміщення, як це відбувається у звичайному кондиціонері.
- Конструкція агрегатів «повітря-вода» ідентична, але тепло спрямовується на підігрів води чи антифризу, що циркулює системою опалення житлового будинку.
- Установка типу «вода-вода» бере низькопотенційне тепло водойми і передає рідкому теплоносієві. Застосовується додатковий зовнішній теплообмінник з труб, що занурюється в колодязь, озеро, свердловину або каналізаційний септик. Циркуляцію води через випарник забезпечує ще один насос.
- Геотермальний ТН відбирає теплоту з грунту, нагріваючи воду опалювальної мережі. Зовнішній теплообмінний контур – це змійовик з антифризом, він заглиблений на 1.5–2 м та займає велику площу. Другий варіант – кілька вертикальних зондів з труб, опущених у свердловини на глибину 10…100 метрів.
Довідка. Різновиди теплових насосів перераховані в порядку збільшення вартості обладнання разом з монтажем. Повітряні установки найдешевші, геотермальні – дорогі.
Основний параметр, що характеризує тепловий насос для опалення будинку, – коефіцієнт ефективності COP. Це співвідношення між отриманою та витраченою енергією. Наприклад, найдешевші повітряні опалювачі не можуть похвалитися високим COP – 2.5…3.5. Пояснюємо: витративши 1 кВт електрики, установка подає в будинок 2.5–3.5 кВт теплоти.
![Тепловий насос вода – вода своїми руками – облаштування зовнішнього теплообмінного контуру Схеми відбору тепла водного середовища](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Teplovoj-nasos-voda-voda-princip-raboty.jpg)
Водяні і грунтові системи ефективніші, їх реальний коефіцієнт лежить в діапазоні 3…4.5. Продуктивність – величина змінна та залежить від багатьох факторів: конструкції теплообмінного контуру, глибини занурення, температури і кількості води.
Важливий момент. Теплові насоси не здатні розігріти рідкий теплоносій до 60–90 °C без додаткових контурів. Нормальний показник температури від ТН – 35…40 градусів, традиційний котел тут явно виграє. Звідси рекомендація виробників: підключайте обладнання до низькотемпературного опалення – водяної теплої підлоги.
Який ТН обрати для самостійного складання
Формулюємо завдання: треба побудувати саморобний тепловий насос з найменшими витратами. Звідси випливають такі логічні висновки:
- В установці доведеться використовувати мінімум дорогих деталей, тому досягти високого значення COP не вдасться. За коефіцієнтом продуктивності наш апарат закономірно програє заводським моделям.
- Відповідно, робити чисто повітряний ТН безглуздо, простіше користуватися інверторним кондиціонером в режимі обігріву.
- Щоб отримати реальну вигоду, треба виготовити тепловий насос «повітря – вода», «вода – вода» або будувати геотермальну установку. В першому випадку можна домогтися COP близько 2–2.2, в інших – досягти показника 3–3.5.
- Без контурів підлогового опалення обійтися не вдасться. Теплоносій, нагрітий до 30–35 градусів, несумісний з радіаторною мережею, хіба що в південних регіонах.
![Як зробити зовнішній контур теплового насоса «вода – вода» Прокладання труб до озера](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Montazh-naruzhnogo-teploobmennika-v-vodoeme.jpg)
Зауваження. Виробники стверджують: інверторна спліт-система функціонує за вуличної температури мінус 15…30 °C. Насправді ефективність обігріву істотно знижується. За відгуками домовласників, в морозні дні внутрішній блок подає ледве теплий потік повітря.
Для реалізації водяної версії насоса потрібні певні умови (на вибір):
- водойма на відстані 25–50 м від оселі (максимум), інакше споживання електрики сильно виросте за рахунок потужного циркуляційного насоса;
- колодязь чи свердловина з достатнім запасом (дебетом) води і місце для зливу (шурф, друга свердловина, стічна канава, каналізація);
- збірний каналізаційний колектор (якщо вам дозволять туди врізатися).
Витрату ґрунтових вод розрахувати неважко. Під час відбору теплоти саморобний ТН знизить їх температуру на 4–5 °C, звідси через теплоємність води визначається об’єм протоки. Для отримання 1 кВт тепла (дельту температур води приймаємо 5 градусів) треба прогнати через ТН близько 170 літрів протягом години.
На опалення будинку площею 100 м² потрібна потужність 10 кВт, це витрата води 1.7 тони на годину – об’єм немаленький. Тому водяний тепловий насос згодиться для невеликого дачного будиночка площею 30–40 м², бажано – утепленого.
![Геотермальний тепловий насос – варіанти влаштування грунтового теплообмінника Способи укладання труб земляного теплового насоса](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Geotermalnyj-teplovoj-nasos-princip-raboty.jpg)
Монтаж геотермальної системи більш реальний, хоча процес досить трудомісткий. Варіант горизонтальної розкладки труби по площі на глибині 1.5 м відмітаємо відразу, бо доведеться перелопатити всю ділянку чи платити гроші за землерийну техніку. Влаштування свердловин набагато простіше й дешевше, навіть ландшафт не порушиться.
Найпростіша установка з віконного кондиціонера
Зрозуміло, що для виготовлення ТН «вода – повітря» знадобиться віконний охолоджувач в робочому стані. Купуйте агрегат, обладнаний реверсивним клапаном і здатний працювати на обігрів, інакше доведеться переробляти фреоновий контур.
Порада. Купуючи б/у кондиціонер, зверніть увагу на табличку, де відображені технічні характеристики побутового приладу. Вас має цікавити холодильна продуктивність апарата (вказується в кіловатах чи Британських Теплових Одиницях – BTU).
![Тип фреону для опалювального агрегата Холодильна потужність віконного кондиціонера](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Moshhnost-kodicionera-dannye-na-tablichke.jpg)
Якщо вам трошки пощастить, то навіть не доведеться випускати фреон і перепаювати трубки. Як переробити кондиціонер в тепловий насос:
- Зніміть верхній кожух агрегата і відкрутіть зовнішній теплообмінник від піддону. Акуратно відсуньте радіатор, не перегинаючи трубки з холодоагентом.
- Зніміть зовнішню крильчатку з загального валу.
- Виготовте металевий бак за довжиною зовнішнього теплообмінника, ширину зробіть на 10–15 см більшою. В бічні стінки вріжте штуцери подачі проточної води.
- Щоб радіатор не обмерзав, збільште площу теплообміну, додавши по краях пластини з міді чи алюмінію (залежно від матеріалу теплообмінника).
- Занурте радіатор в бак, бажано – без розрізання фреонових трубок. Зробіть герметичну кришку і ущільніть вводи контуру.
- Приєднайте до штуцерів шланги подачі й відбору води, підключіть циркуляційні насоси. Наповніть і перевірте бак на герметичність.
Рекомендація. Якщо теплообмінник не вдається помістити в резервуар без порушення фреонових магістралей, постарайтеся евакуювати газ і розрізати трубки в потрібних точках (подалі від випарника). Після складання водяного теплообмінного вузла контур доведеться спаяти і заправити фреоном. Кількість холодоагенту теж вказана на табличці.
Тепер лишилося запустити саморобний ТН і відрегулювати водяний потік, домагаючись максимальної ефективності. Зверніть увагу: імпровізований обігрівач використовує повністю заводську «начинку», ви тільки перемістили радіатор з повітряного середовища в рідинне. Як система працює наживо, дивіться на відео майстра-умільця:
Виготовляємо геотермальний тепловий насос
Якщо попередній варіант дозволить отримати двократну економію (максимум), то навіть саморобний земляний контур дасть COP близько 3 (три кіловати тепла з 1 кВт спожитої електрики). Правда, фінансові та трудові витрати теж істотно збільшаться.
В інтернеті опубліковано багато прикладів виготовлення таких апаратів, але універсальної інструкції з кресленнями не існує. Ми запропонуємо робочий варіант, перевірений реальним домашнім майстром, хоча багато речей доведеться додумувати і доробляти самостійно – всю інформацію про теплові насоси складно помістити в одну публікацію.
Розрахунок земляного контуру і теплообмінників
Дотримуючись власних рекомендацій, приступаємо до розрахунків геотермального насоса з вертикальними U-образними зондами, поміщеними в свердловини. Треба дізнатися загальну протяжність зовнішнього контуру, а потім – глибину і кількість вертикальних шахт.
Вихідні дані для прикладу: потрібно обігріти приватний утеплений будинок площею 80 м² і висотою стелі 2.8 м, розташований на півночі України. Розрахунок навантаження на опалення проводити не будемо, визначимо потребу в теплі за площею з урахуванням теплоізоляції – 7 кВт.
![Геотермальний тепловий насос – укладання труб грунтового контуру Способи розкладки труби зовнішнього контуру ТН](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Gorizontalnyj-gruntovyj-kollektor.jpg)
Важливе уточнення. Інженерні розрахунки теплонасосів досить складні і вимагають високої кваліфікації виконавця, цій темі присвячені цілі книги. У статті наводяться спрощені обчислення, взяті з практичного досвіду будівельників та майстрів-аматорів.
Інтенсивність теплообміну між землею і незамерзаючою рідиною, що циркулює контуром, залежить від типу грунтів:
- 1 погонний метр вертикального зонда, зануреного в підземні води, отримає близько 80 Вт теплоти;
- в кам’янистих грунтах цей показник складе близько 70 Вт/м;
- глинисті грунти, насичені вологою, віддадуть приблизно 50 Вт на 1 м колектора;
- сухі породи – 20 Вт/м.
Довідка. Вертикальний зонд – це 2 петлі з труб, опущених на дно свердловини і залитих бетоном.
Приклад обчислення довжини труби. Щоб узяти з сирої глинистої породи необхідні 7 кВт теплової енергії, ділимо 7000 Вт на показник 50 Вт/м, отримуємо загальну глибину зонда 140 м. Далі трубопровід розподіляється по свердловинах глибиною 20 м, які можна пробурити своїми руками. Разом 7 отворів по 2 теплообмінних петлі, загальна протяжність труби складе 7 х 20 х 4 = 560 м.
Наступний етап – розрахунок площі теплообміну випарника і конденсора. На різних інтернет-ресурсах і форумах пропонуються якісь розрахункові формули, в більшості випадків некоректні. Ми не рекомендуватимемо ці методики, аби не ввести вас в оману, краще запропонуємо хитріший варіант:
- Зверніться до будь-якого відомого виробника пластинчастих теплообмінників, наприклад, Alfa Laval, Kaori тощо. Можна вийти на офіційний сайт бренду.
- Заповніть форму підбору теплообмінника чи подзвоніть менеджеру і замовте підбір агрегату, перерахувавши параметри середовищ (антифризу, фреону) – температуру на вході і виході, теплове навантаження.
- Спеціаліст фірми зробить необхідні розрахунки і запропонує відповідну модель теплообмінника. Серед його характеристик ви знайдете головну – площу поверхні обміну.
Пластинчасті агрегати дуже ефективні, але дорогі (200…500 євро). Дешевше змайструвати кожухотрубний теплообмінник з мідної трубки зовнішнім діаметром 9.5 або 12.7 мм. Отриману від виробника цифру помножте на коефіцієнт запасу 1.1, потім поділіть на довжину окружності труби, отримаєте метраж.
![Конструкція малогабаритного пластинчастого теплообмінника Будова пластинчастого теплообмінника](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Teploobmennik-plastinchatyj-dlja-otoplenija.jpg)
Приклад. Площа теплового обміну запропонованого агрегата склала 0.9 м². Вибравши мідну трубку ½” (Ø12.7 мм), обчислюємо довжину окружності в метрах: 12.7 х 3.14 / 1000 ≈ 0.04 м. Визначаємо загальний метраж: 0.9 х 1.1 / 0.04 ≈ 25 м.
Обладнання і матеріали
Майбутній тепловий насос пропонується будувати на базі зовнішнього блока спліт-системи підходящої потужності (вказана на табличці). Чому краще використовувати б/у кондиціонер:
- апарат вже оснащений усіма комплектуючими – компресором, дроселем, ресивером і пусковою електрикою;
- саморобні теплообмінники можна помістити в корпус холодильної машини;
- є зручні сервісні порти для заправки фреону.
Примітка. Обізнані в темі користувачі підбирають обладнання окремо – компресор, ТРВ, контролер і так далі. За наявності досвіду і знань такий підхід тільки плюс.
Збирати ТН на базі старого холодильника недоцільно – потужність агрегата надто мала. У кращому випадку вдасться «вичавити» до 1 кВт теплоти, цього не вистачить навіть на обігрів 1 невеликої кімнати.
Крім зовнішнього блока «спліта» знадобляться наступні матеріали:
- труба ПНД Ø20 мм – на земляний контур;
- поліетиленові фітинги для виготовлення колекторів і підключення до теплообмінників;
- циркуляційні насоси – 2 шт .;
- манометри, термометри;
- якісний водопровідний шланг чи труба ПНД діаметром 25–32 мм на оболонку випарника і конденсатора;
- трубка мідна Ø9.5–12.7 мм з товщиною стінки щонайменше 1 мм;
- утеплювач для трубопроводів і фреонових магістралей;
- комплект для герметизації нагрівальних кабелів, що укладаються всередині водопроводу (знадобиться для ущільнення кінців мідних трубок).
![Саморобний тепловий насос – втулки для монтажу трубок Пристосування для герметичного введення кабелю в трубу](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Komplekt-dlja-vvoda-kabelja-v-trubu.jpg)
Зовнішнім теплоносієм служитиме сольовий розчин води або антифриз для опалення – етиленгліколь. Також знадобиться запас фреону тієї ж марки, що вказана на етикетці спліт-системи.
Складання теплообмінного блока
Перед монтажем нових елементів зовнішній модуль треба розібрати – зняти всі кришки, видалити вентилятор і великий штатний радіатор. Вимкніть електромагніт, що керує реверсивним клапаном, якщо не плануєте використовувати насос в режимі охолодження. Датчики температури і тиску треба зберегти.
Порядок складання основного блока ТН:
- Виготовте конденсор і випарник, просунувши мідну трубку в шланг розрахункової довжини. На кінцях встановіть трійники для приєднання земляного і опалювального контуру, виходи мідних трубок герметизуйте втулками з комплекту для нагрівального кабелю.
- Використовуючи відрізок пластикової труби Ø150–250 мм як сердечник, намотайте саморобні двотрубні контури і виведіть кінці, як це робиться нижче на відео.
- Встановіть обидва кожухотрубних теплообмінники на місці штатного радіатора, мідні трубки підпаяйте до відповідних відводів. «Гарячий» теплообмінник-конденсатор краще підключити до сервісних портів.
- Встановіть заводські датчики, які вимірюють температуру холодоагенту. Утепліть голі ділянки трубок і самі теплообмінні пристрої.
- На водяних магістралях поставте термометри і манометри.
Порада. Якщо планується ставити цей блок на вулиці, треба вжити заходів від застигання масла в компресорі. Придбайте і змонтуйте зимовий комплект електричного підігріву масляного картера.
На тематичних форумах зустрічається інший спосіб виготовлення випарника – трубка з міді навивається спіраллю, потім поміщається в закриту ємність (бак чи бочку). Варіант цілком придатний за великої кількості витків, коли розрахований теплообмінник просто не влазить в корпус кондиціонера.
Будівництво зовнішнього контуру в грунті
На цьому етапі виконуються нескладні, але трудомісткі земляні роботи і розкладка зондів по свердловинах. Останні можна пробурити вручну або найняти бурову машину. Відстань між сусідніми свердловинами – щонайменше 5 м. Подальший порядок робіт:
- Прокопайте між свердліннями неглибоку траншею для укладання підвідних трубопроводів.
- В кожен отвір опустіть по 2 петлі з поліетиленових труб і залийте ями бетоном.
- Зведіть магістралі до точки з’єднання і змонтуйте загальний колектор, використовуючи фітинги ПНД.
- Прокладені в землі трубопроводи ізолюйте утеплювачем та засипте грунтом.
![Саморобні грунтові зонди геотермального насоса Монтаж зовнішнього контуру ТН](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Ustrojstvo-gruntovogo-teploobmennika.jpg)
Важливий нюанс. Перед бетонуванням і засипкою обов’язково перевірте герметичність контуру. Наприклад, підключіть до колектора повітряний компресор, накачайте тиск 3–4 Бар і залиште на кілька годин.
При з’єднанні магістралей орієнтуйтеся за схемою, наведеною нижче. Відводи з кранами знадобляться при заповненні системи розсолом чи етиленгліколем. Дві основні труби від колектора підведіть до саморобного теплового насоса та підключіть до «холодного» теплообмінника-випарника.
![Підключення теплового насоса «земля – вода» до системи опалення — схема Схема обв'язки теплового насоса](https://otivent.com/wp-content/uploads/2018/06/Obvjazka-teplovogo-nasosa-s-gruntovym-konturom.jpg)
Не забудьте встановити насосний агрегат, який відповідатиме за циркуляцію рідини, напрямок течії – назустріч фреону у випарнику. Середовища, що проходять через конденсор і випарник, мають рухатися назустріч одне одному. Як правильно заповнити магістралі «холодної» гілки, дивіться на відео:
Аналогічним чином конденсор під’єднується до будинкової системи теплої підлоги. Змішувальний вузол з триходовим клапаном монтувати необов’язково завдяки температурі води на подачі 30…40 °C. Якщо треба об’єднати ТН з іншими джерелами тепла (сонячні колектори, котли), використовуйте буферну ємність з кількома щтуцерами.
Заправка і запуск системи
Після монтажу та підключення агрегата до електромережі настає важливий етап – заповнення системи холодоагентом. Тут є підводний камінь: ви не знаєте, скільки фреону потрібно заправити, адже об’єм основного контуру дуже зріс за рахунок саморобного конденсатора з випарником.
Питання вирішується методом заправки за тиском і температурою перегріву хладону, яка вимірюється на вході компресора (туди фреон надходить у газоподібному стані). Детальна інструкція щодо заповнення методом вимірювання температури наведена в окремій статті.
В другій частині представленого відео розповідається, як треба заповнювати систему фреоном марки R22 за тиском і температурою перегріву холодоагенту:
Після заправки ввімкніть обидва циркуляційних насоси на першій швидкості та запускайте компресор в роботу. Показники температури розсолу і внутрішнього теплоносія контролюйте за термометрами. Під час прогріву магістралі з холодоагентом можуть обмерзати, згодом іній має розтанути.
Заключний висновок
Зробити і запустити тепловий геотермальний насос своїми руками досить непросто. Напевно знадобляться неодноразові доопрацювання, виправлення помилок, налаштування. Зазвичай, більшість неполадок в саморобних ТН виникає через неправильний монтаж чи заправку основного теплообмінного контуру. Якщо агрегат відразу відмовив (спрацювала автоматика безпеки) або не гріє теплоносій, варто викликати майстра з холодильного обладнання – він проведе діагностику і точно вкаже на проблеми.