Jak zrobić pompę ciepła do ogrzewania domu własnymi rękami: zasada działania i schematy montażu

Pierwsze warianty pomp ciepła mogły jedynie częściowo zaspokoić zapotrzebowanie na energię cieplną. Nowoczesne odmiany są bardziej efektywne i mogą być stosowane w systemach ogrzewania. Właśnie dlatego wielu właścicieli domów próbuje zamontować pompę ciepła własnymi rękami.

Opowiemy, jak wybrać optymalny wariant pompy ciepła z uwzględnieniem danych geo-działki, na której planowana jest jej instalacja. W proponowanym do rozpatrzenia artykule szczegółowo opisano zasadę działania systemów wykorzystania “zielonej energii”, wymieniono różnice. Z uwzględnieniem naszych rad, bez wątpienia, zatrzymacie się Państwo na efektywnym typie.

Dla samodzielnych majsterkowiczów przedstawiamy technologię montażu pompy ciepła. Przedstawione do rozpatrzenia informacje uzupełniają przejrzyste schematy, zestawy zdjęć oraz rozbudowany instruktaż wideo w dwóch częściach.

Czym jest pompa ciepła i jak działa?

Pod pojęciem pompy ciepła rozumie się zestaw określonego wyposażenia. Główną funkcją tego wyposażenia jest gromadzenie energii cieplnej i jej transport do odbiorcy. Źródłem takiej energii może być każde ciało lub środowisko o temperaturze od +1º i więcej stopni.

W otaczającym nas środowisku źródeł niskotemperaturowego ciepła jest więcej niż wystarczająco. Są to odpady przemysłowe zakładów, elektrowni cieplnych i atomowych, ścieki kanalizacyjne itp. Do pracy pomp ciepła w dziedzinie ogrzewania domu potrzebne są trzy samoodnawialne źródła naturalne – powietrze, woda, ziemia.

Pompy ciepła “czerpią” energię z procesów regularnie zachodzących w środowisku. Bieg procesów nigdy nie ustaje, dlatego źródła uznawane są za niewyczerpane według ludzkich kryteriów.

Trzy wymienione potencjalne źródła energii są bezpośrednio związane z energią słońca, które poprzez nagrzewanie wprawia w ruch powietrze z wiatrem i przekazuje energię cieplną ziemi. Właśnie wybór źródła jest głównym kryterium, według którego klasyfikuje się systemy pomp ciepła.

Zasada działania pomp ciepła opiera się na zdolności ciał lub ośrodków do przekazywania energii cieplnej innemu ciału lub ośrodkowi. Odbiorcy i dostawcy energii w systemach pomp ciepła pracują zazwyczaj w parze.

W związku z tym rozróżnia się następujące rodzaje pomp ciepła:

• Powietrze – woda.
• Ziemia – woda.
• Woda – powietrze.
• Woda – woda.
• Ziemia – powietrze.
• Woda – woda
• Powietrze – powietrze.

Przy tym pierwsze słowo określa typ środowiska, z którego system pobiera niskotemperaturowe ciepło. Drugie wskazuje na rodzaj nośnika, któremu ta energia cieplna jest przekazywana. Tak więc w pompach ciepła woda – woda, ciepło jest pobierane z wody, a jako czynnik grzewczy stosuje się płyn.

Pompy ciepła ze względu na typ konstrukcyjny są urządzeniami parosprężarkowymi. Wydobywają ciepło ze źródeł naturalnych, przetwarzają je i transportują do odbiorców (+)

Nowoczesne pompy ciepła wykorzystują trzy główne źródła energii cieplnej. Są to – grunt, woda i powietrze. Najprostszym z tych wariantów jest powietrzna pompa ciepła. Popularność takich systemów wiąże się z ich dość prostą konstrukcją i łatwością montażu.

Jednak pomimo takiej popularności, te odmiany mają dość niską wydajność. Ponadto ich sprawność jest niestabilna i zależna od sezonowych wahań temperatury.

Wraz ze spadkiem temperatury ich wydajność znacznie spada. Takie warianty pomp ciepła można rozpatrywać jako uzupełnienie istniejącego głównego źródła energii cieplnej.

Opcje wyposażenia wykorzystującego ciepło gruntowe są uważane za bardziej efektywne. Grunt otrzymuje i akumuluje energię cieplną nie tylko od Słońca, jest on stale podgrzewany przez energię jądra Ziemi.

Czyli grunt jest swoistym akumulatorem ciepła, którego moc jest praktycznie nieograniczona. Ponadto temperatura gruntu, zwłaszcza na pewnej głębokości, jest stała i waha się w niewielkich granicach.

Zakres zastosowania energii wytwarzanej przez pompy ciepła:

Stałość temperatury źródła jest ważnym czynnikiem stabilnej i efektywnej pracy tego rodzaju urządzeń energetycznych. Podobnymi cechami charakteryzują się systemy, w których środowisko wodne jest głównym źródłem energii cieplnej. Kolektor takich pomp umieszcza się albo w studni, gdzie znajduje się w warstwie wodonośnej, albo w zbiorniku wodnym.

Średnia roczna temperatura takich źródeł jak grunt i woda waha się od +7º do +12º C. Taka temperatura jest w zupełności wystarczająca, aby zapewnić efektywną pracę systemu.

Za najbardziej efektywne uważane są pompy ciepła, które pobierają energię cieplną ze źródeł o stabilnych wskaźnikach temperatury, tj. z wody i gruntu

Podstawowe elementy konstrukcji pomp ciepła

Aby instalacja pozyskiwania energii działała zgodnie z zasadami pracy pompy ciepła, w jej konstrukcji muszą występować 4 główne agregaty, są to:

• Sprężarka.
• Parownik.
• Skraplacz.
• Zawór dławiący.

Ważnym elementem konstrukcji pompy ciepła jest sprężarka. Jej główną funkcją jest zwiększanie ciśnienia i temperatury par powstających w wyniku wrzenia czynnika chłodniczego. W technice klimatyzacyjnej i pompach ciepła w szczególności stosuje się nowoczesne sprężarki spiralne.

Jako czynnik roboczy, bezpośrednio przenoszący energię cieplną, stosuje się ciecze o niskiej temperaturze wrzenia. Z reguły stosuje się amoniak i freony (+)

Takie sprężarki są przeznaczone do pracy w temperaturach ujemnych. W przeciwieństwie do innych rodzajów, sprężarki spiralne generują mało hałasu i działają zarówno przy niskich temperaturach wrzenia gazu, jak i przy wysokich temperaturach kondensacji. Niewątpliwą zaletą są ich kompaktowe rozmiary i niewielki ciężar właściwy.

Praktycznie cała energia pompy ciepła jest zużywana na transport energii cieplnej z zewnątrz do wnętrza pomieszczenia. I tak na pracę systemów zużywa się około 1 jednostki energii przy produkcji 4 – 6 jednostek (+)

Parownik jako element konstrukcyjny to zbiornik, w którym następuje przemiana ciekłego czynnika chłodniczego w parę. Czynnik chłodniczy, krążąc w zamkniętym obiegu, przechodzi przez parownik. W nim czynnik chłodniczy nagrzewa się i zamienia w parę. Powstająca para pod niskim ciśnieniem kierowana jest w stronę sprężarki.

W sprężarce pary czynnika chłodniczego poddawane są działaniu ciśnienia i ich temperatura wzrasta. Sprężarka tłoczy pod wysokim ciśnieniem rozgrzaną parę w stronę skraplacza.

Sprężarka spręża krążący w obiegu czynnik, w wyniku czego wzrasta jego temperatura i ciśnienie. Następnie sprężony czynnik trafia do wymiennika ciepła (skraplacza), gdzie ulega ochłodzeniu, oddając ciepło wodzie lub powietrzu.

Kolejnym elementem konstrukcyjnym systemu – skraplacz. Jego funkcja sprowadza się do oddawania energii cieplnej wewnętrznemu obiegowi systemu grzewczego.

Seryjne egzemplarze produkowane przez zakłady przemysłowe wyposażane są w płytowe wymienniki ciepła. Podstawowym materiałem dla takich skraplaczy jest stal stopowa lub miedź.

Do samodzielnego wykonania wymiennika ciepła nadaje się miedziana rurka o średnicy pół cala. Grubość ścianek rur użytych do wykonania wymiennika ciepła powinna wynosić co najmniej 1 mm.

Zawór termoregulacyjny, inaczej dławiący, instaluje się na początku tej części obiegu hydraulicznego, gdzie krążący czynnik o wysokim ciśnieniu przekształcany jest w czynnik o niskim ciśnieniu. Ściślej mówiąc, dławica w parze ze sprężarką dzielą obieg pompy ciepła na dwie części: jedną z wysokimi parametrami ciśnienia, drugą – z niskimi.

Przechodząc przez zawór dławiący rozprężny, krążąca w zamkniętym obiegu ciecz częściowo odparowuje, wskutek czego ciśnienie wraz z temperaturą spadają. Następnie trafia do wymiennika ciepła, który komunikuje się z otoczeniem. Tam przechwytuje energię otoczenia i przenosi ją z powrotem do systemu.

Za pomocą zaworu dławiącego reguluje się przepływ czynnika chłodniczego w kierunku parownika. Przy wyborze zaworu należy uwzględnić parametry systemu. Zawór musi odpowiadać tym parametrom.

Podczas przejścia przez zawór termoregulacyjny ciekły nośnik ciepła częściowo odparowuje, a temperatura strumienia obniża się (+)

Wybór typu pompy ciepła

Głównym wskaźnikiem tego systemu ogrzewania jest moc. Od mocy będą w pierwszej kolejności zależeć koszty finansowe zakupu urządzeń oraz wybór tego lub innego źródła ciepła niskotemperaturowego. Im wyższa moc systemu pompy ciepła, tym większy koszt elementów składowych.

Przede wszystkim chodzi o moc sprężarki, głębokość odwiertów dla sond geotermalnych lub powierzchnię pod poziomy kolektor. Prawidłowe obliczenia termodynamiczne są swoistą gwarancją, że system będzie działał efektywnie.

W przypadku posiadania w pobliżu prywatnej działki zbiornika wodnego najbardziej opłacalnym i wydajnym wyborem będzie pompa ciepła woda-woda

Na początek należy zbadać działkę, która jest planowana do montażu pompy. Idealnym warunkiem będzie obecność na tej działce zbiornika wodnego. Zastosowanie wariantu typu woda-woda znacznie zmniejszy zakres prac ziemnych.

Z kolei wykorzystanie ciepła ziemi wiąże się z dużą ilością prac związanych z wybieraniem gruntu. Systemy, które wykorzystują środowisko wodne jako ciepło niskopotencjalne, są uważane za najbardziej efektywne.

Urządzenie pompy ciepła, która wydobywa energię cieplną z gruntu, wymaga przeprowadzenia znacznej ilości prac ziemnych. Kolektor zakłada się poniżej poziomu sezonowego przemarzania

Energię cieplną gruntu można wykorzystać na dwa sposoby. Pierwszy polega na wierceniu odwiertów o średnicy 100-168 mm. Głębokość takich odwiertów, w zależności od parametrów systemu, może sięgać 100 m i więcej.

W tych odwiertach umieszcza się specjalne sondy. W drugim sposobie stosuje się kolektor rurowy. Taki kolektor umieszcza się pod ziemią w płaszczyźnie poziomej. Ten wariant wymaga dość dużej powierzchni.

Do ułożenia kolektora idealne są działki z wilgotnym gruntem. Oczywiście wiercenie odwiertów będzie droższe niż poziome umieszczenie kolektora. Jednak nie na każdej działce są wolne powierzchnie. Na jeden kW mocy pompy ciepła potrzeba od 30 do 50 m² powierzchni.

Budowa urządzenia do pozyskiwania energii cieplnej za pomocą jednego głębokiego odwiertu może okazać się nieco tańsza niż kopanie wykopu. Jednak znaczącą zaletą jest oszczędność miejsca, co jest ważne dla właścicieli małych działek.

W przypadku występowania na działce wysokiego poziomu wód gruntowych, wymienniki ciepła można umieścić w dwóch odwiertach oddalonych od siebie o około 15 m.

Pobór energii cieplnej w takich systemach odbywa się poprzez pompowanie wody gruntowej w zamkniętym obiegu, którego części znajdują się w odwiertach. Taki system wymaga zainstalowania filtra i okresowego czyszczenia wymiennika ciepła.

Najprostszy i najtańszy schemat pompy ciepła opiera się na pozyskiwaniu energii cieplnej z powietrza. Kiedyś stał się podstawą budowy lodówek, później według jego zasad opracowano klimatyzatory.

Najprostszy system pompy ciepła pobiera energię z mas powietrza. Latem uczestniczy w ogrzewaniu, zimą w klimatyzacji. Wadą systemu jest to, że w samodzielnym wykonaniu urządzenie ma niewystarczającą moc.

Wydajność różnych typów tego sprzętu nie jest jednakowa. Najniższymi wskaźnikami charakteryzują się pompy wykorzystujące powietrze. Ponadto wskaźniki te są bezpośrednio zależne od warunków pogodowych.

Gruntowe odmiany pomp ciepła mają stabilne wskaźniki. Współczynnik wydajności tych systemów waha się w granicach 2,8-3,3. Największą wydajnością charakteryzują się systemy woda-woda. Wynika to przede wszystkim ze stabilności temperatury źródła.

Należy zauważyć, że im głębiej w zbiorniku wodnym znajduje się kolektor pompy, tym temperatura będzie stabilniejsza. Aby uzyskać moc systemu 10 kW, potrzeba około 300 metrów rurociągu.

Podstawowym parametrem charakteryzującym efektywność pracy pompy ciepła jest jej współczynnik przekształcenia. Im wyższy współczynnik przekształcenia, tym pompa ciepła jest uważana za bardziej wydajną.

Współczynnik przekształcenia pompy ciepła wyrażany jest jako stosunek strumienia ciepła do mocy elektrycznej zużytej na pracę sprężarki.

Montaż pompy ciepła własnymi siłami

Znając schemat działania i budowę pompy ciepła, samodzielny montaż i instalacja systemu alternatywnego ogrzewania jest całkiem możliwa. Przed rozpoczęciem prac należy obliczyć wszystkie podstawowe parametry przyszłego systemu. Do obliczenia parametrów przyszłej pompy można skorzystać z oprogramowania przeznaczonego do optymalizacji systemów chłodzenia.

Najprostszym w budowie wariantem jest system powietrze-woda. Nie wymaga on skomplikowanych prac przy budowie obiegu zewnętrznego, charakterystycznego dla wodnych i gruntowych odmian pomp ciepła. Do montażu potrzebne są tylko dwa kanały – jednym będzie doprowadzane powietrze, drugim odprowadzana masa robocza.

Najłatwiej jest samodzielnie zbudować pompę ciepła pobierającą ciepło z mas powietrza. Zamontowany na zewnątrz wentylator tłoczy powietrze do parownika.

Oprócz wentylatora trzeba zaopatrzyć się w kompresor o odpowiedniej mocy. Do takiego urządzenia w zupełności wystarczy kompresor, w który wyposażone są zwykłe systemy split. Nie jest konieczne kupowanie nowego urządzenia.

Można go zdjąć ze starego urządzenia lub wykorzystać podzespoły ze starej lodówki. Wskazane jest stosowanie wersji spiralnej. Te warianty kompresorów, oprócz wystarczającej efektywności, wytwarzają wysokie ciśnienie, zapewniające wzrost temperatury.

Do budowy skraplacza potrzebny będzie zbiornik i miedziana rura. Z rury wykonuje się wężownicę. Do jej wykonania używa się dowolnego cylindrycznego przedmiotu o odpowiedniej średnicy. Nawijając na niego miedzianą rurę, można łatwo i szybko wykonać ten element konstrukcji.

Gotową wężownicę montuje się w uprzednio przeciętym na pół zbiorniku. Do wykonania zbiornika najlepiej użyć materiałów odpornych na procesy korozyjne. Po umieszczeniu w nim wężownicy, połówki zbiornika są spawane.

Powierzchnię wężownicy oblicza się według następującego wzoru:

MT/0,8 RT,

gdzie:

• MT – moc cieplna, którą system dostarcza.
• 0,8 – współczynnik przewodzenia ciepła przy oddziaływaniu wody z materiałem wężownicy.
• RT – różnica temperatur wody na wejściu i wyjściu.

Wybierając miedzianą rurę do samodzielnego wykonania wężownicy, należy zwrócić uwagę na grubość ścianek. Powinna wynosić co najmniej 1 mm. W przeciwnym razie podczas nawijania rura ulegnie deformacji. Rurę, którą doprowadzany jest czynnik chłodniczy, umieszcza się w górnej części zbiornika.

Wymiennik ciepła z miedzianej rurki wykonuje się poprzez nawijanie miedzianej rurki na przedmiot o cylindrycznym kształcie. Im większa powierzchnia wężownicy, tym wyższa wydajność pompy.

Parownik pompy ciepła można wykonać w dwóch wariantach – jako zbiornik z wężownicą wewnątrz oraz jako rura w rurze. Ponieważ temperatura cieczy w parowniku jest niska, zbiornik można wykonać z plastikowej beczki. Do tego zbiornika wkłada się obwód wykonany z miedzianej rury.

W przeciwieństwie do skraplacza, spirala wężownicy parownika musi odpowiadać średnicy i wysokości wybranego zbiornika. Drugi wariant parownika: rura w rurze. W tym wariancie rurka z czynnikiem chłodniczym umieszczana jest w plastikowej rurze o większej średnicy, przez którą krąży woda.

Długość takiej rury zależy od planowanej mocy pompy. Może wynosić od 25 do 40 metrów. Taką rurę zwija się w spiralę.

Zawór termoregulacyjny należy do armatury rurociągowej odcinająco-regulującej. Jako element zamykający w zaworze termoregulacyjnym stosuje się iglicę. Położenie elementu zamykającego zaworu jest uwarunkowane temperaturą w parowniku.

Ten ważny element systemu ma dość skomplikowaną konstrukcję. W jego skład wchodzą:

• Termoelement.
• Membrana.
• Rurka kapilarna.
• Termoballon.

Elementy te mogą ulec uszkodzeniu w wysokiej temperaturze. Dlatego podczas prac lutowania układu zawór należy izolować za pomocą tkaniny azbestowej. Zawór regulacyjny powinien odpowiadać wydajności parownika.

Po wykonaniu głównych części konstrukcyjnych nadchodzi kluczowy moment montażu całej konstrukcji w jeden blok. Najważniejszym etapem jest proces tłoczenia czynnika chłodniczego lub nośnika ciepła do układu.

Samodzielne przeprowadzenie takiej operacji raczej przekracza możliwości przeciętnego użytkownika. Tutaj trzeba będzie zwrócić się do profesjonalistów, którzy zajmują się naprawą i serwisem urządzeń klimatyzacyjnych.

Pracownicy tej branży z reguły dysponują niezbędnym sprzętem. Oprócz zatankowania czynnika chłodniczego mogą przetestować działanie systemu. Samodzielne tłoczenie czynnika chłodniczego może doprowadzić nie tylko do uszkodzenia konstrukcji, ale także do poważnych obrażeń. Ponadto do uruchomienia systemu również potrzebny jest specjalny sprzęt.

Podczas uruchamiania systemu występuje szczytowe obciążenie rozruchowe, wynoszące z reguły około 40 A. Dlatego uruchomienie systemu bez przekaźnika rozruchowego jest niemożliwe. Po pierwszym uruchomieniu konieczna jest regulacja zaworu i ciśnienia czynnika chłodniczego.

Do wyboru czynnika chłodniczego należy podejść z całą powagą. To właśnie ta substancja jest w istocie uznawana za głównego “przenośnika” użytecznej energii cieplnej. Spośród istniejących nowoczesnych czynników chłodniczych największą popularnością cieszą się freony. Są to pochodne związków węglowodorowych, w których część atomów węgla jest zastąpiona innymi pierwiastkami.

W wyniku montażu poszczególnych elementów pompy ciepła powinien powstać zamknięty obieg, przez który krąży medium robocze

W wyniku wykonania tych prac powstał system z zamkniętym obiegiem. Będzie w nim krążyć czynnik chłodniczy, zapewniając pobór i transfer energii cieplnej od parownika do skraplacza. Przy podłączaniu pomp ciepła do systemu ogrzewania domu należy uwzględnić, że temperatura wody na wyjściu ze skraplacza nie przekracza 50 – 60 stopni.

Ze względu na niską temperaturę energii cieplnej wytwarzanej przez pompę ciepła, jako odbiornik ciepła należy wybrać specjalistyczne urządzenia grzewcze. Może to być ogrzewanie podłogowe lub duże, niskoinercjalne grzejniki aluminiowe lub stalowe o dużej powierzchni promieniowania.

Samodzielnie wykonane warianty pomp ciepła najlepiej rozpatrywać jako urządzenia pomocnicze, które wspierają i uzupełniają pracę głównego źródła.

Z każdym rokiem konstrukcje pomp ciepła są udoskonalane. W przemysłowych modelach przeznaczonych do użytku domowego stosuje się bardziej efektywne powierzchnie wymiany ciepła. W rezultacie wydajność systemów stale wzrasta.

Nie bez znaczenia jest czynnik ekologiczny, który stymuluje rozwój tej technologii wytwarzania energii cieplnej. Takie systemy, oprócz tego, że są dość wydajne, nie zanieczyszczają środowiska. Brak otwartego płomienia sprawia, że ich praca jest całkowicie bezpieczna.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film #1. Jak wykonać najprostszą samodzielnie zrobioną pompę ciepła z wymiennikiem ciepła z rury PEX:

Film #2. Kontynuacja instruktażu:

Pompy ciepła są od dawna używane jako alternatywne systemy grzewcze. Systemy te charakteryzują się niezawodnością, długą żywotnością i, co ważne, są nieszkodliwe dla środowiska. Zaczynają być poważnie rozważane jako kolejny krok w rozwoju wydajnych i bezpiecznych systemów grzewczych.

Czy chce Pan zadać pytanie lub opowiedzieć o interesującym sposobie budowy pompy ciepła, nie wspomnianym w artykule? Proszę napisać komentarz w bloku poniżej.