Ako vyrobiť tepelné čerpadlo na vykurovanie domu svojpomocne: princíp činnosti a schémy montáže

Prvé varianty tepelných čerpadiel mohli len čiastočne uspokojiť potreby tepelnej energie. Moderné druhy sú efektívnejšie a môžu sa používať pre systémy vykurovania. Práve preto sa mnohí majitelia domov pokúšajú namontovať tepelné čerpadlo vlastnými rukami.

Povieme vám, ako vybrať optimálny variant tepelného čerpadla s ohľadom na geo-údaje pozemku, na ktorom sa plánuje inštalovať. V navrhovanom článku je podrobne opísaný princíp fungovania systémov využívajúcich “zelenú energiu”, sú uvedené rozdiely. S ohľadom na naše rady si bezpochyby vyberiete efektívny typ.

Pre samostatných majstrov uvádzame technológiu montáže tepelného čerpadla. Predložené informácie dopĺňajú názorné schémy, výbery fotografií a podrobný videoinštruktáž v dvoch častiach.

Čo je to tepelné čerpadlo a ako funguje?

Pod pojmom tepelné čerpadlo sa rozumie súbor určitého zariadenia. Hlavnou funkciou tohto zariadenia je zber tepelnej energie a jej doprava k spotrebiteľovi. Zdrojom takejto energie sa môže stať akékoľvek teleso alebo prostredie s teplotou od +1 °C a viac.

V prostredí okolo nás je viac než dosť zdrojov nízkoteplotného tepla. Sú to priemyselné odpady podnikov, tepelných a jadrových elektrární, kanalizačné vody a pod. Na prevádzku tepelných čerpadiel v oblasti vykurovania domu sú potrebné tri samostatne sa obnovujúce prírodné zdroje – vzduch, voda, zem.

Tepelné čerpadlá “čerpajú” energiu z procesov, ktoré sa pravidelne vyskytujú v okolitom prostredí. Priebeh procesov sa nikdy nezastaví, preto sú zdroje podľa ľudských kritérií uznávané za nevyčerpateľné.

Traja uvedení potenciálni dodávatelia energie priamo súvisia s energiou slnka, ktoré ohrievaním uvádza do pohybu vzduch s vetrom a odovzdáva tepelnú energiu zemi. Práve výber zdroja je hlavným kritériom, podľa ktorého sa klasifikujú tepelné čerpacie systémy.

Princíp fungovania tepelných čerpadiel je založený na schopnosti telies alebo prostredí prenášať tepelnú energiu inému telesu alebo prostrediu. Prijímatelia a dodávatelia energie v tepelných čerpacích systémoch zvyčajne pracujú v pároch.

Takto rozlišujeme nasledujúce druhy tepelných čerpadiel:

• Vzduch – voda.
• Zem – voda.
• Voda – vzduch.
• Voda – voda.
• Zem – vzduch.
• Voda – voda
• Vzduch – vzduch.

Pričom prvé slovo určuje typ prostredia, od ktorého systém odoberá nízkoteplotné teplo. Druhé označuje druh nosiča, ktorému sa táto tepelná energia odovzdáva. Takže v tepelných čerpadlách voda – voda, teplo sa odoberá z vodného prostredia a ako teplonosné médium sa používa kvapalina.

Tepelné čerpadlá sú podľa konštrukčného typu parokompresné zariadenia. Odoberajú teplo z prírodných zdrojov, spracúvajú ho a dopravujú k spotrebiteľom (+)

Moderné tepelné čerpadlá využívajú tri hlavné zdroje tepelnej energie. Sú to – zem, voda a vzdušné prostredie. Najjednoduchší z týchto variantov je vzduchové tepelné čerpadlo. Popularita takýchto systémov súvisí s ich pomerne jednoduchou konštrukciou a jednoduchosťou montáže.

Avšak napriek takej popularite majú tieto varianty pomerne nízky výkon. Navyše účinnosť je nestabilná a závislá od sezónnych výkyvov teplotného režimu.

So znižovaním teploty ich výkon výrazne klesá. Takéto varianty tepelných čerpadiel možno považovať za doplnok k existujúcemu hlavnému zdroju tepelnej energie.

Varianty zariadení využívajúcich teplo zeme sa považujú za efektívnejšie. Zem získava a akumuluje tepelnú energiu nielen od Slnka, neustále sa ohrieva energiou zemského jadra.

To znamená, že zem je svojím spôsobom tepelným akumulátorom, ktorého výkon je prakticky neobmedzený. Navyše teplota zeme, najmä v určitej hĺbke, je stála a pohybuje sa v nepatrných medziach.

Oblasť použitia energie vyrábanej tepelnými čerpadlami:

Stálosť teploty zdroja je dôležitým faktorom stabilnej a efektívnej prevádzky tohto druhu energetického zariadenia. Podobnými charakteristikami disponujú systémy, v ktorých je vodné prostredie hlavným zdrojom tepelnej energie. Kolektor takýchto čerpadiel sa umiestňuje buď do vrtu, kde sa nachádza vo vodonosnej vrstve, alebo do vodnej nádrže.

Priemerná ročná teplota takých zdrojov, ako je zem a voda, sa pohybuje od +7º do +12º C. Taká teplota je úplne dostatočná na zabezpečenie efektívnej prevádzky systému.

Za najefektívnejšie sa považujú tepelné čerpadlá, ktoré získavajú tepelnú energiu zo zdrojov so stabilnými teplotnými ukazovateľmi, t.j. z vody a zeme

Základné prvky konštrukcie tepelných čerpadiel

Aby zariadenie na získavanie energie fungovalo podľa princípov práce tepelného čerpadla, v jeho konštrukcii musia byť prítomné 4 základné agregáty, a to:

• Kompresor.
• Výparník.
• Kondenzátor.
• Škrtiaci ventil.

Dôležitým konštrukčným prvkom tepelného čerpadla je kompresor. Jeho hlavná funkcia – zvyšovanie tlaku a teploty pár vznikajúcich v dôsledku varu chladiva. Pre klimatizačnú techniku a tepelné čerpadlá sa používajú moderné špirálové kompresory.

Ako pracovné teleso, ktoré priamo prenáša tepelnú energiu, sa používajú kvapaliny s nízkou teplotou varu. Zvyčajne sa používa amoniak a freóny (+)

Takéto kompresory sú navrhnuté na prevádzku pri mínusových teplotách. Na rozdiel od iných druhov, špirálové kompresory produkujú málo hluku a pracujú ako pri nízkych teplotách varu plynu, tak aj pri vysokých teplotách kondenzácie. Nespornou výhodou sú ich kompaktné rozmery a nízka merná hmotnosť.

Prakticky všetka energia tepelného čerpadla sa vynakladá na prepravu tepelnej energie zvonku dovnútra miestnosti. Na prevádzku systémov sa spotrebuje približne 1 energetická jednotka pri produkcii 4 – 6 jednotiek (+)

Výparník ako konštrukčný prvok predstavuje nádobu, v ktorej dochádza k premene kvapalného chladiva na paru. Chladivo cirkulujúce v uzavretom okruhu prechádza cez výparník. V ňom sa chladivo ohrieva a mení na paru. Vznikajúca para pod nízkym tlakom smeruje ku kompresoru.

V kompresore sú pary chladiva vystavené pôsobeniu tlaku a ich teplota stúpa. Kompresor prečerpáva pod veľkým tlakom ohriatu paru smerom ku kondenzátoru.

Kompresor stláča médium cirkulujúce v okruhu, v dôsledku čoho sa zvyšuje jeho teplota a tlak. Následne stlačené médium vstupuje do výmenníka tepla (kondenzátora), kde sa ochladzuje, pričom odovzdáva teplo vode alebo vzduchu.

Ďalší konštrukčný prvok systému – kondenzátor. Jeho funkcia spočíva v odovzdávaní tepelnej energie vnútornému okruhu vykurovacieho systému.

Sériové vzorky vyrábané priemyselnými podnikmi sú vybavené doskovými výmenníkmi tepla. Základným materiálom pre takéto kondenzátory je legovaná oceľ alebo meď.

Na samostatnú výrobu výmenníka tepla postačí medená rúrka s priemerom pol palca. Hrúbka stien rúrok použitých na výrobu výmenníka tepla by mala byť najmenej 1 mm.

Termoregulačný, alebo inak škrtiaci ventil, sa inštaluje na začiatku tej časti hydraulického okruhu, kde sa cirkulujúce médium s vysokým tlakom premieňa na médium s nízkym tlakom. Presnejšie povedané, škrtiaci ventil v páre s kompresorom delia okruh tepelného čerpadla na dve časti: jednu s vysokými parametrami tlaku, druhú – s nízkymi.

Pri prechode cez expanzný škrtiaci ventil sa kvapalina cirkulujúca v uzavretom okruhu čiastočne odparí, v dôsledku čoho klesne tlak aj teplota. Potom vstupuje do výmenníka tepla, ktorý je v kontakte s okolitým prostredím. Tam zachytáva energiu prostredia a prenáša ju späť do systému.

Pomocou škrtiaceho ventilu sa reguluje prietok chladiva smerom k výparníku. Pri výbere ventilu je potrebné zohľadniť parametre systému. Ventil musí týmto parametrom zodpovedať.

Pri prechode cez termoregulačný ventil sa kvapalné teplonosné médium čiastočne odparí a teplota prúdu sa zníži (+)

Výber typu tepelného čerpadla

Hlavným ukazovateľom tohto vykurovacieho systému je výkon. Od výkonu budú v prvom rade závisieť aj finančné náklady na nákup zariadenia a výber toho či onoho zdroja nízkoteplotného tepla. Čím vyšší je výkon systému tepelného čerpadla, tým vyššia je cena komponentov.

V prvom rade sa myslí výkon kompresora, hĺbka vrtov pre geotermálne sondy, alebo plocha na umiestnenie horizontálneho kolektora. Správne termodynamické výpočty sú akousi zárukou, že systém bude efektívne fungovať.

Ak sa v blízkosti osobného pozemku nachádza vodná plocha, najrentabilnejšou a najvýkonnejšou voľbou bude tepelné čerpadlo voda-voda

Na začiatok je potrebné preskúmať pozemok, ktorý je plánovaný na inštaláciu čerpadla. Ideálnou podmienkou bude prítomnosť vodnej plochy na tomto pozemku. Použitie variantu typu voda-voda výrazne zníži objem zemných prác.

Využitie tepla zeme naopak predpokladá veľké množstvo prác spojených s výkopom zeminy. Systémy, ktoré ako nízkopotenciálne teplo využívajú vodné prostredie, sa považujú za najefektívnejšie.

Zariadenie tepelného čerpadla, ktoré získava tepelnú energiu z pôdy, si vyžaduje vykonanie značného množstva zemných prác. Kolektor sa ukladá pod úroveň sezónneho zamrznutia.

Tepelnú energiu pôdy je možné využiť dvoma spôsobmi. Prvý predpokladá vŕtanie vrtov s priemerom 100-168 mm. Hĺbka takýchto vrtov môže v závislosti od parametrov systému dosahovať 100 m a viac.

Do týchto vrtov sa umiestňujú špeciálne sondy. Pri druhom spôsobe sa používa kolektor z rúr. Takýto kolektor je umiestnený pod zemou v horizontálnej rovine. Pre tento variant je potrebná dostatočne veľká plocha.

Na uloženie kolektora sú ideálne pozemky s vlhkou pôdou. Prirodzene, vŕtanie studní je drahšie ako horizontálne uloženie kolektora. Avšak nie každý pozemok má voľnú plochu. Na jeden kW výkonu tepelného čerpadla je potrebných 30 až 50 m² plochy.

Zariadenie na odber tepelnej energie jednou hlbokou studňou môže byť o niečo lacnejšie ako výkop jamy. Ale výraznou výhodou je výrazná úspora miesta, čo je dôležité pre majiteľov malých pozemkov.

V prípade, že na pozemku je vysoko uložená hladina podzemnej vody, tepelné výmenníky možno zriadiť v dvoch studniach vzdialených od seba približne 15 m.

Odber tepelnej energie v takýchto systémoch prečerpávaním podzemnej vody v uzavretom okruhu, ktorého časti sú umiestnené v studniach. Takýto systém potrebuje inštaláciu filtra a pravidelné čistenie tepelného výmenníka.

Najjednoduchšia a najlacnejšia schéma tepelného čerpadla je založená na získavaní tepelnej energie zo vzduchu. Kedysi sa stala základom pre konštrukciu chladničiek, neskôr boli podľa jej princípov vyvinuté klimatizácie.

Najjednoduchší systém tepelného čerpadla získava energiu zo vzduchu. V lete sa podieľa na vykurovaní, v zime na klimatizácii. Nevýhodou systému je, že pri svojpomocnom zhotovení má zariadenie nedostatočný výkon.

Účinnosť rôznych typov tohto zariadenia nie je rovnaká. Najnižšie hodnoty majú čerpadlá využívajúce vzdušné prostredie. Navyše tieto hodnoty priamo závisia od poveternostných podmienok.

Zemné druhy tepelných čerpadiel majú stabilné hodnoty. Koeficient účinnosti týchto systémov sa pohybuje v rozmedzí 2,8 až 3,3. Najvyššiu účinnosť majú systémy voda-voda. To súvisí predovšetkým so stabilitou teploty zdroja.

Treba poznamenať, že čím hlbšie je kolektor čerpadla umiestnený vo vodnej nádrži, tým stabilnejšia bude teplota. Na dosiahnutie výkonu systému 10 kW je potrebných približne 300 metrov potrubia.

Hlavným parametrom charakterizujúcim účinnosť tepelného čerpadla je jeho koeficient premeny. Čím vyšší je koeficient premeny, tým je tepelné čerpadlo účinnejšie.

Koeficient premeny tepelného čerpadla sa vyjadruje pomerom ukazovateľov tepelného toku a elektrického výkonu spotrebovaného na prácu kompresora.

Montáž tepelného čerpadla vlastnými silami

Pri znalosti schémy a konštrukcie tepelného čerpadla je celkom možné samostatne zostaviť a namontovať systém alternatívneho vykurovania. Pred začatím prác je potrebné vypočítať všetky hlavné parametre budúceho systému. Na výpočet parametrov budúceho čerpadla môžete použiť softvér určený na optimalizáciu chladiacich systémov.

Najjednoduchšou možnosťou na stavbu je systém vzduch-voda. Nevyžaduje zložité práce na usporiadaní vonkajšieho okruhu, ktorý je vlastný vodným a zemným druhom tepelných čerpadiel. Na montáž budú potrebné iba dva kanály, jedným z nich bude privádzaný vzduch, druhým odvádzaná odpadová hmota.

Najjednoduchšie je vlastnoručne zhotoviť tepelné čerpadlo s odberom tepla zo vzdušnej hmoty. Ventilátor umiestnený vonku vháňa vzduch k výparníku.

Okrem ventilátora je potrebné zaobstarať kompresor s požadovaným výkonom. Pre takýto agregát sa celkom hodí kompresor, ktorým sú vybavené bežné split systémy. Nie je potrebné kupovať nový agregát.

Môžete ho zložiť zo starého zariadenia alebo použiť komponenty starej chladničky. Je vhodné použiť špirálový typ. Tieto varianty kompresorov okrem dostatočnej účinnosti vytvárajú vysoký tlak, ktorý zabezpečuje zvýšenie teploty.

Na zhotovenie kondenzátora bude potrebná nádoba a medená rúra. Z rúry sa vyrobí špirála. Na jej výrobu sa používa akékoľvek valcové teleso potrebného priemeru. Navinutím medenej rúry naň možno ľahko a rýchlo vyrobiť tento konštrukčný prvok.

Hotová špirála sa namontuje do vopred rozrezanej nádoby na polovice. Na výrobu nádoby je lepšie použiť materiály odolné voči korózii. Po vložení špirály sa polovice nádrže zvaria.

Plocha špirály sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

MT/0,8 RT

kde:

• MT – výkon tepelnej energie, ktorú systém dodáva
• 0,8 – koeficient tepelnej vodivosti pri interakcii vody s materiálom špirály
• RT – rozdiel teplôt vody na vstupe a na výstupe

Pri výbere medenej rúry na samostatnú výrobu špirály je potrebné venovať pozornosť hrúbke stien. Musí byť aspoň 1 mm. V opačnom prípade sa rúra pri navíjaní zdeformuje. Rúra, ktorou vstupuje chladivo, je umiestnená v hornej časti nádoby.

Výmenník tepla z medenej rúrky sa vyrába navíjaním medenej rúrky na valcovitý predmet. Čím väčšia je plocha povrchu špirály, tým vyšší je výkon čerpadla.

Výparník tepelného čerpadla je možné vyhotoviť v dvoch variantoch – ako nádobu so špirálou umiestnenou v nej a ako rúru v rúre. Keďže teplota kvapaliny vo výparníku je nízka, nádobu je možné vyrobiť z plastového suda. Do tejto nádoby sa vloží okruh, ktorý je vyrobený z medenej rúry.

Na rozdiel od kondenzátora musí špirála výparníka zodpovedať priemeru a výške zvolenej nádoby. Druhý variant výparníka: rúra v rúre. V tomto variante je rúrka s chladivom umiestnená v plastovej rúre väčšieho priemeru, v ktorej cirkuluje voda.

Dĺžka takejto rúry závisí od plánovaného výkonu čerpadla. Môže byť od 25 do 40 metrov. Takúto rúru zvinú do špirály.

Termoregulačný ventil patrí medzi uzatváraciu a regulačnú armatúru potrubia. Ako uzatvárací prvok v TRV sa používa ihla. Poloha uzatváracieho prvku ventilu je podmienená teplotou vo výparníku.

Tento dôležitý prvok systému má pomerne zložitú konštrukciu. Jeho súčasťou sú:

• Termoelement.
• Membrána.
• Kapilárna rúrka.
• Termobalón.

Tieto prvky sa môžu pri vysokej teplote poškodiť. Preto by mal byť ventil počas spájkovania systému izolovaný pomocou azbestovej tkaniny. Regulačný ventil musí zodpovedať výkonu výparníka.

Po vykonaní prác na výrobe hlavných konštrukčných častí nastáva zodpovedný moment zostavenia celej konštrukcie do jedného bloku. Najzodpovednejšou etapou je proces napúšťania chladiva alebo teplonosnej kvapaliny do systému.

Samostatné vykonanie takejto operácie je pre bežného človeka pravdepodobne nad jeho sily. Tu sa bude potrebné obrátiť na profesionálov, ktorí sa zaoberajú opravou a údržbou klimatizačných zariadení.

Pracovníci v tejto oblasti majú spravidla potrebné vybavenie. Okrem plnenia chladiva môžu otestovať fungovanie systému. Samostatné napúšťanie chladiva môže viesť nielen k poškodeniu konštrukcie, ale aj k ťažkým zraneniam. Okrem toho je na spustenie systému potrebné aj špeciálne vybavenie.

Pri spustení systému vzniká špičkové štartovacie zaťaženie, ktoré spravidla dosahuje približne 40 A. Preto spustenie systému bez štartovacieho relé nie je možné. Po prvom spustení je potrebná regulácia ventilu a tlaku chladiva.

K výberu chladiva je potrebné pristupovať s plnou vážnosťou. Veď práve táto látka je v podstate považovaná za hlavného “prenášača” užitočnej tepelnej energie. Z existujúcich moderných chladív sú najobľúbenejšie freóny. Sú to deriváty uhľovodíkových zlúčenín, v ktorých je časť atómov uhlíka nahradená inými prvkami.

Po zložení jednotlivých prvkov tepelného čerpadla vznikne uzavretý okruh, v ktorom cirkuluje pracovné médium.

V dôsledku vykonania týchto prác vznikol systém s uzavretým okruhom. V ňom bude cirkulovať chladivo, zabezpečujúc odber a prenos tepelnej energie z výparníka do kondenzátora. Pri pripájaní tepelných čerpadiel k systému vykurovania domu treba brať do úvahy, že teplota vody na výstupe z kondenzátora nepresahuje 50 – 60 stupňov.

Vzhľadom na nízku teplotu tepelnej energie vyrábanej tepelným čerpadlom je potrebné ako spotrebiteľ tepla vybrať špecializované vykurovacie zariadenia. Môže to byť podlahové kúrenie alebo objemové nízkoinerčné radiátory z hliníka alebo ocele s veľkou plochou vyžarovania.

Domáce verzie tepelných čerpadiel je najvhodnejšie považovať za pomocné zariadenie, ktoré podporuje a dopĺňa prácu hlavného zdroja.

Každým rokom sa konštrukcie tepelných čerpadiel zdokonaľujú. V priemyselných vzorkách určených na domáce použitie sa používajú efektívnejšie teplovýmenné plochy. V dôsledku toho sa výkonnosť systémov neustále zvyšuje.

Dôležitým faktorom, ktorý stimuluje rozvoj takejto technológie výroby tepelnej energie, je ekologická zložka. Takéto systémy sú nielen pomerne účinné, ale aj neznečisťujú životné prostredie. Absencia otvoreného plameňa robí jeho prácu absolútne bezpečnou.

Závery a užitočné video k téme

Video č. 1. Ako vyrobiť najjednoduchšie domáce tepelné čerpadlo s výmenníkom tepla z PE-X rúry:

Video č. 2. Pokračovanie inštruktáže:

Tepelné čerpadlá sa už pomerne dlho používajú ako alternatívne systémy vykurovania. Tieto systémy sa vyznačujú spoľahlivosťou, dlhou životnosťou a, čo je dôležité, sú neškodné pre životné prostredie. Začínajú byť vážne považované za ďalší krok na ceste vývoja efektívnych a bezpečných vykurovacích systémov.

Chcete položiť otázku alebo povedať o zaujímavom spôsobe stavby tepelného čerpadla, ktorý nie je v článku spomenutý? Napíšte, prosím, komentáre do bloku umiestneného nižšie.