Як зробити геотермальний тепловий насос для опалення будинку

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.

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:

1. 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.
2. 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.
3. Проходячи крізь внутрішній теплообмінник-конденсор, газ знову обертається на рідину і віддає накопичену енергію теплоносієві (воді) або повітрю приміщення напряму.
4. На останньому етапі рідкий хладон надходить всередину ресивера – відокремлювача вологи, потім в дросельний клапан. Тиск речовини знову падає, фреон готовий повторно проходити цикл.

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.

Різновиди опалювальних установок

Відповідно до загальноприйнятої класифікації, ТН діляться на типи за джерелом отримуваної енергії та видом теплоносія, якому вона передається:

1. 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.
2. Конструкція агрегатів «повітря-вода» ідентична, але тепло спрямовується на підігрів води чи антифризу, що циркулює системою опалення житлового будинку.
3. 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.
4. 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.

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:

1. В установці доведеться використовувати мінімум дорогих деталей, тому досягти високого значення COP не вдасться. За коефіцієнтом продуктивності наш апарат закономірно програє заводським моделям.
2. Відповідно, робити чисто повітряний ТН безглуздо, простіше користуватися інверторним кондиціонером в режимі обігріву.
3. 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.
4. Без контурів підлогового опалення обійтися не вдасться. Теплоносій, нагрітий до 30–35 градусів, несумісний з радіаторною мережею, хіба що в південних регіонах.

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.

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).

Якщо вам трошки пощастить, то навіть не доведеться випускати фреон і перепаювати трубки. Як переробити кондиціонер в тепловий насос:

1. Зніміть верхній кожух агрегата і відкрутіть зовнішній теплообмінник від піддону. Акуратно відсуньте радіатор, не перегинаючи трубки з холодоагентом.
2. Зніміть зовнішню крильчатку з загального валу.
3. Виготовте металевий бак за довжиною зовнішнього теплообмінника, ширину зробіть на 10–15 см більшою. В бічні стінки вріжте штуцери подачі проточної води.
4. Щоб радіатор не обмерзав, збільште площу теплообміну, додавши по краях пластини з міді чи алюмінію (залежно від матеріалу теплообмінника).
5. Занурте радіатор в бак, бажано – без розрізання фреонових трубок. Зробіть герметичну кришку і ущільніть вводи контуру.
6. 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.

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:

1. Зверніться до будь-якого відомого виробника пластинчастих теплообмінників, наприклад, Alfa Laval, Kaori тощо. Можна вийти на офіційний сайт бренду.
2. Заповніть форму підбору теплообмінника чи подзвоніть менеджеру і замовте підбір агрегату, перерахувавши параметри середовищ (антифризу, фреону) – температуру на вході і виході, теплове навантаження.
3. 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.

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).

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:

1. 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.
2. Використовуючи відрізок пластикової труби Ø150–250 мм як сердечник, намотайте саморобні двотрубні контури і виведіть кінці, як це робиться нижче на відео.
3. Встановіть обидва кожухотрубних теплообмінники на місці штатного радіатора, мідні трубки підпаяйте до відповідних відводів. «Гарячий» теплообмінник-конденсатор краще підключити до сервісних портів.
4. Встановіть заводські датчики, які вимірюють температуру холодоагенту. Утепліть голі ділянки трубок і самі теплообмінні пристрої.
5. 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:

1. Прокопайте між свердліннями неглибоку траншею для укладання підвідних трубопроводів.
2. В кожен отвір опустіть по 2 петлі з поліетиленових труб і залийте ями бетоном.
3. Зведіть магістралі до точки з’єднання і змонтуйте загальний колектор, використовуючи фітинги ПНД.
4. Прокладені в землі трубопроводи ізолюйте утеплювачем та засипте грунтом.

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.

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.