Jak zrobić pompę ciepła powietrze-woda: schematy urządzenia i samodzielny montaż

Ze względu na regularny wzrost kosztów nośników energii coraz bardziej popularne stają się alternatywne metody ogrzewania. Na przykład praktyczna pompa ciepła powietrze-woda, która wykorzystuje energię powietrza do ogrzewania. Instalacja nie wymaga drogich materiałów eksploatacyjnych, jest wygodna w użytkowaniu i bezpieczna.

Ze względu na niemałą cenę fabrycznego montażu agregatu wiele osób interesuje się samodzielnym zbudowaniem tego systemu. Opowiemy, co będzie potrzebne domowemu majsterkowiczowi do wykonania domowej pompy ciepła. U nas dowiesz się, jakimi środkami technicznymi należy się zaopatrzyć.

Specyfika systemu grzewczego powietrze-woda

Pompa ciepła, której poświęcony jest ten artykuł, w odróżnieniu od innych modyfikacji podobnego urządzenia (w szczególności woda-woda i grunt-woda), posiada szereg zalet:

• oszczędza energię elektryczną;
• do instalacji nie będą potrzebne prace ziemne na dużą skalę, wiercenie studni, uzyskiwanie specjalnych zezwoleń;
• jeśli podłączy się system do paneli słonecznych, można zapewnić jego pełną autonomię.

Poważną zaletą systemu grzewczego, który pozyskuje energię wiatru i przekazuje ją wodzie, jest stuprocentowe bezpieczeństwo ekologiczne.

Przed przystąpieniem do konstruowania pompy należy ustalić, w jakich przypadkach system działa najefektywniej, a kiedy jego użycie jest niecelowe.

System pompy ciepła, pozyskujący energię z masy powietrza, może być wykorzystywany do podgrzewania wszystkich rodzajów nośników ciepła stosowanych na terenie WNP: wody, powietrza, pary

Specyfika zastosowania i działania

Pompa ciepła działa wydajnie wyłącznie w zakresie temperatur od -5 do +7 stopni. Przy temperaturze powietrza powyżej +7 system będzie wytwarzać więcej ciepła niż potrzeba, a przy wartości poniżej -5 – niewystarczająco do ogrzewania. Wynika to z faktu, że stężony freon znajdujący się w konstrukcji wrze w temperaturze -55 stopni.

Teoretycznie system może wytwarzać ciepło nawet przy 30-stopniowym mrozie, ale nie będzie go wystarczająco dużo do ogrzewania, ponieważ wydajność cieplna zależy bezpośrednio od różnicy między temperaturą wrzenia czynnika chłodniczego a temperaturą powietrza.

Dlatego mieszkańcom regionów północnych, gdzie zimy przychodzą wcześniej, ten system nie będzie odpowiedni, natomiast w domach w regionach południowych może skutecznie służyć przez kilka zimnych miesięcy.

Jeśli w pomieszczeniu zainstalowane są standardowe grzejniki, pompa ciepła będzie działać mniej wydajnie. Najlepiej urządzenie powietrze-woda współpracuje z konwektorami i innymi grzejnikami o dużej powierzchni, a także z systemami «ogrzewanie podłogowe», «ściany grzewcze» wodnego typu.

Ponadto samo pomieszczenie powinno być dobrze ocieplone od zewnątrz, posiadać wbudowane okna wielokomorowe, zapewniające lepszą izolację termiczną niż zwykłe drewniane lub plastikowe.

Pompa ciepła najlepiej współpracuje z wodnym systemem «ogrzewanie podłogowe», który nie wymaga podgrzewania czynnika grzewczego powyżej 40 – 45°C.

Domowej roboty pompa ciepła będzie w stanie efektywnie ogrzewać domy o powierzchni do 100 m² i gwarantować moc 5 kW. Należy rozumieć, że czynnika chłodniczego nie można wystarczająco dobrze zatankować w konstrukcji wykonanej w warunkach domowych, dlatego należy liczyć się z temperaturą wrzenia do -22 stopni.

Urządzenie zmontowane w warunkach domowych idealnie nadaje się do ogrzewania garażu, szklarni, pomieszczeń gospodarczych, niewielkiego prywatnego basenu itp. System jest zwykle używany jako dodatkowe ogrzewanie.

Elektrokocioł lub inne tradycyjne urządzenie na sezon grzewczy będzie potrzebne w każdym przypadku. Podczas silnych mrozów (-15-30 stopni) zaleca się wyłączanie pompy ciepła, aby uniknąć strat energii elektrycznej, ponieważ w tym okresie jej efektywność wynosi nie więcej niż 10%.

Pompy ciepła dostarczają wystarczającą ilość energii do ogrzewania wody w krytych basenach prywatnych (+).

Zasada działania systemu

Czynnikiem roboczym w konstrukcji jest powietrze. Przez jednostkę zewnętrzną, montowaną na zewnątrz, tlen rurami dostaje się do parownika, gdzie wchodzi w interakcję z czynnikiem chłodniczym.

Freon pod wpływem temperatury staje się gazowy (ponieważ wrze w temperaturze -55 stopni) i w postaci podgrzanej pod ciśnieniem trafia do sprężarki. Urządzenie spręża gaz, zwiększając tym samym jego temperaturę.

Gorący freon trafia do obiegu zbiornika akumulacyjnego (kondensatora), gdzie następuje oddawanie ciepła wodzie, którą następnie można wykorzystać do organizacji ogrzewania i CWU. W kondensatorze freon traci tylko część swojego ciepła i nadal znajduje się w stanie gazowym.

Przechodząc przez zawór dławiący, czynnik chłodniczy jest rozpylany, w wyniku czego jego temperatura spada. Freon staje się cieczą i w tej postaci przechodzi do parownika. Cykl się powtarza.

Na rysunku schematycznie pokazano realizację zasady elementarnej pompy ciepła, podzielonej sprężarką i rozprężaczem na dwa obiegi – wysokiego i niskiego ciśnienia.

Chcącym samodzielnie zbudować pompę ciepła z materiałów odpadowych i wyeksploatowanego sprzętu, na przykład ze starej lodówki, pomoże informacja zawarta w polecanym przez nas artykule.

Budowa pompy ciepła powietrze-woda

System pompy ciepła składa się z czterech podstawowych elementów:

• jednostki zewnętrznej;
• zbiornika wymiennika ciepła-parownika;
• bloku dla sprężarki;
• zbiornika akumulacyjnego (kondensatora).

Omówimy cechy konstrukcyjne każdego z bloków.

Montaż jednostki zewnętrznej

Do stworzenia jednostki zewnętrznej potrzebne będą:

• Obudowa. Tradycyjnie nadaje się blok z systemu split, pralki lub innego dużego urządzenia, czasami buduje się samodzielnie poprzez przyspawanie elementów metalowych. Ważne jest, aby po montażu pokryć metal antykorozyjną farbą proszkową.
• Wentylator. Produkt można zapożyczyć ze starego działającego systemu klimatyzacji lub zakupić osobno.

Model wentylatora powinien mieć szerokie plastikowe łopatki i, najlepiej, z odłączanym silnikiem, aby umożliwić podłączenie go do czujnika.

Do montażu zewnętrznego bloku potrzebna będzie obudowa i wentylator z systemu klimatyzacji. Przybliżone wymiary bloku – 75x85x30 cm

W zewnętrznym bloku można zamontować parownik i elementy pomocnicze do jego pracy, ale bardziej celowe jest umieszczenie tych części w oddzielnej obudowie.

Zewnętrzny blok montuje się w odległości 2-10 m od domu. Ważne jest wykonanie pod niego fundamentu i zamontowanie daszka, aby chronić konstrukcję przed opadami. Konieczne jest również zamocowanie kratki przed wentylatorem, aby zapobiec przedostawaniu się brudu, śmieci, liści do łopatek wentylatora i rur.

Dodatkowo zaleca się zamontowanie nagrzewnic chroniących boki i panele przed oblodzeniem. W takim przypadku dodatkowe ogrzewanie obudowy nie będzie potrzebne. Miejsce montażu bloku powinno być dobrze wentylowane i znajdować się z dala od źródeł otwartego ognia.

Blok z wymiennikiem ciepła-parownikiem

Parownik można nabyć w postaci gotowej, korzystając z usług dostawców w sieci, lub wykonać samodzielnie. Do tego potrzebny będzie zbiornik 80-litrowy i drut miedziany o średnicy 10 mm i grubości co najmniej 1 mm.

Długość oblicza się indywidualnie w zależności od wymaganej mocy. Dla urządzenia o mocy 5 kW można przyjąć 10 m. W parowniku będzie zachodzić nagrzewanie i cyrkulacja freonu, a także kontakt z powietrzem.

Aby stworzyć wymiennik ciepła, należy skonstruować wężownicę. W tym celu drut owija się wokół grubościennej rury o średnicy nieprzekraczającej szerokości zbiornika. Ważne jest pozostawienie odcinków wystających poza wysokość obudowy. Będą one potrzebne do połączenia wężownicy z innymi elementami systemu – kompresorem i zbiornikiem akumulacyjnym.

Do wykonania wężownicy miedzianą rurkę o ściankach około 1 mm owija się wokół butli gazowej, rury lub plastikowej butelki wypełnionej wodą

W obudowie wycina się 2 króćce do podłączenia rurociągów, tworzy się dwa złącza do wyprowadzenia drutu. Połączenia uszczelnia się. Gotową konstrukcję mocuje się za pomocą wsporników w kształcie litery L.

Zaleca się dodatkowo zamontowanie na parowniku przekaźnika odszraniania, ponieważ w zbiorniku będzie zachodzić cyrkulacja powietrza o ujemnej temperaturze. W takim przypadku skropliny gromadzące się w systemie mogą doprowadzić do oblodzenia parownika. Aby wyeliminować powstawanie wilgoci, można również włączyć do systemu filtr osuszacz.

Zasady instalacji sprężarki

Do montażu kompresora potrzebna będzie oddzielna obudowa z izolacją akustyczną i wibracyjną, ponieważ praktycznie wszystkie modyfikacje urządzenia hałasują podczas pracy. Kompresor można wziąć używany z lodówki, klimatyzatora lub kupić nowy model.

Do pomp ciepła nadają się następujące rodzaje kompresorów:

1. Rotacyjne kompresory są najtańsze, ale mają szereg wad – hałasują, są mało wydajne i wytrzymują 8-10 lat.
2. Spiralne modyfikacje są instalowane we wszystkich nowoczesnych modelach klimatyzatorów i lodówek. Są trwałe (15-20 lat), ciche, wydajne, ale charakteryzują się wysokim kosztem.
3. Modele tłokowe są montowane głównie w przemysłowych lodówkach. Produkty charakteryzują się dobrą wydajnością, są trwałe (15-20 lat), ale bardzo głośne i drogie.

Dla pompy ciepła należy dobrać sprężarkę w modyfikacji jednofazowej. Przed zakupem ważne jest, aby dowiedzieć się, z jakim rodzajem freonu pracuje urządzenie. Wskazane jest nabycie modelu działającego na R22, a lepiej na R422. Z czynnikiem chłodniczym tego rodzaju pracuje się łatwiej niż z jakimkolwiek innym rodzajem freonu.

Sprężarka jest podłączona rurkami do bloku parownika i skraplacza. Dzięki urządzeniu freon podnosi swoją temperaturę.

Konstrukcja zbiornika akumulacyjnego (skraplacza)

Do wykonania skraplacza potrzebna będzie obudowa ze 100-litrowego bojlera lub inny zbiornik ze stali nierdzewnej o tej samej pojemności. Potrzebna będzie również wężownica wykonana z miedzianej rurki. Dla pompy o mocy 5 kW można wziąć 12-metrowy drut. Przez rurkę wężownicy będzie przepływał gorący freon, dzięki czemu następuje podgrzewanie wody.

Krok nr 1: Tworzenie wężownicy

Do wykonania wężownicy potrzebny będzie miedziany drut o średnicy nie mniejszej niż 26 mm i grubości ścianki od 1 mm. Należy go nawinąć na rurę o mniejszym przekroju poprzecznym niż zbiornik.

Wysokość spirali powinna odpowiadać wysokości obudowy. Ważne jest, aby pozostawić wyloty rury poza zbiornikiem, aby umożliwić podłączenie wężownicy z parownikiem i sprężarką.

Krok nr 2: Przygotowanie obudowy

Aby zamontować wężownicę, zbiornik należy przeciąć. Na górze i na dole należy wykonać otwory dla wylotów miedzianego drutu, a także wyciąć dodatkowe przegrody do montażu 2 złączek, z których jedna służy do wypływu wody, a druga do jej dopływu. Po wykonaniu tych czynności zbiornik należy uszczelnić.

Wymiennik ciepła-sprężarkę można nabyć osobno jako gotową konstrukcję. Za pomocą urządzenia fabrycznego można zwiększyć moc i wydajność instalacji.

Czynnik chłodniczy oznaczony jako R22, zgodnie z postanowieniami montrealskimi, planowane jest wycofanie z obiegu do 2030 roku. Do napełnienia systemu lepiej użyć jego zamiennika – czynnika chłodniczego R422

Połączenie jednostki zewnętrznej z parownikiem

Do połączenia jednostki zewnętrznej i parownika potrzebne będą 2 rury polietylenowe PE 32. Przez jedną rurę powietrze będzie przepływać, przez drugą – wychodzić.

Rury można zakopać w ziemi, uprzednio wsypując do rowu dowolny materiał piaszczysty, lub pozostawić na powierzchni, jeśli jednostka zewnętrzna znajduje się niedaleko domu.

Połączenie parownika, sprężarki i zbiornika

W tym systemie krąży freon. Aby podłączyć wężownice z kompresorem i zaworem dławiącym, należy skontaktować się ze specjalistami od techniki chłodniczej. Osobie bez doświadczenia w pracach lutowniczych, nawet posiadającej narzędzia i materiały, trudno będzie poprawnie połączyć wszystkie elementy w jeden system, aby zapewnić funkcjonowanie konstrukcji.

Co więcej, będzie potrzebnych wiele dodatkowych materiałów – rurek o różnych średnicach, różnych modyfikacji zaworów spustowych, zaworów do odpowietrzania, zaworów bezpieczeństwa, a także klipsów do rur, opasek zaciskowych, przecinaków do rur do wycinania odcinków rurociągu.

Potrzebne będą również inne specjalistyczne urządzenia, które są dostępne w każdym warsztacie naprawy lodówek i klimatyzatorów.

Wysokiej jakości pompowanie freonu również odbywa się przy użyciu specjalistycznego sprzętu. Dlatego, aby połączyć wymienniki ciepła, kompresor i dławik w działający system, wygodniej i bardziej opłaca się skontaktować z profesjonalistami.

Wdrożenie systemów sterowania instalacją

Do monitorowania ciśnienia i temperatury freonu można użyć płytki z wyświetlaczem z dowolnego klimatyzatora. Podczas lutowania, przy pomocy specjalistów, konstrukcję można prawidłowo zintegrować z instalacją.

Możliwe jest również podłączenie specjalnego urządzenia – czujnika obrotów wentylatora. Reguluje on prędkość obrotową łopatek, a także automatyzuje obroty pompy cyrkulacyjnej freonu.

Dodatkowo można zainstalować timer, rozrusznik elektryczny, urządzenie chroniące kompresor przed przegrzaniem. Wszystkie te elementy można nabyć w warsztatach naprawczych lub na rynku części zamiennych.

Obliczanie mocy pompy ciepła powietrze-woda

Do ogrzania pomieszczenia o powierzchni od 100 m² potrzebna będzie pompa ciepła o większej mocy. Potrzebną moc urządzenia można w przybliżeniu obliczyć, korzystając z tabeli:

Dane z tabeli pomogą obliczyć powierzchnię wężownicy do wykonania urządzenia o określonej mocy

Aby określić, jaką moc powinien mieć kompresor, rury o jakich średnicach należy zastosować oraz inne ważne dane przy projektowaniu pompy ciepła powietrze-woda, należy skorzystać z jednej z metod:

• Skorzystać z kalkulatorów online zamieszczonych na stronach producentów wymienników ciepła.
• Zastosować oprogramowanie CoolPack 1,46, Copeland.
• Zaprosić specjalistę, który dokona niezbędnych pomiarów i obliczeń.

Powierzchnię wężownicy skraplacza (PZK) można obliczyć według wzoru:

PZK = M/0,8DT,

gdzie M — moc urządzenia w kW; 0,8 — współczynnik przewodności cieplnej przy kontakcie wody i miedzi; DT — różnica temperatur między powietrzem wlotowym i wylotowym w systemie.

Parametry pompy ciepła podane powyżej będą odpowiednie dla pomieszczenia do 100 m². Moc instalacji – 5 kW. Jeśli zakupić specjalne wymienniki ciepła, to całkiem możliwe jest zwiększenie mocy instalacji do 10-15 kW.

Na rysunku przedstawiono system, w którym wymienniki ciepła, sprężarka, zawór dławiący są połączone w jednym zbiorniku. W konstrukcji zastosowano fabryczne wymienniki ciepła (+)

Obsługa domowej instalacji

Dla jakościowej pracy pompa ciepła wymaga dodatkowej konserwacji. Jeśli używać urządzenia zimą (biorąc pod uwagę, że w obudowie nie zainstalowano dodatkowego ogrzewania), to okresowo blok trzeba będzie odmrażać, ponieważ na jego powierzchni będzie tworzyć się warstwa lodu.

Należy również okresowo:

• Czyścić łopaty wentylatora z zanieczyszczeń – liści, kurzu, brudu, śniegu itp.
• Smarować sprężarkę zgodnie z jej instrukcją.
• Wymieniać olej w sprężarce i wentylatorze.

Ponadto, dla prawidłowego działania systemu należy regularnie sprawdzać integralność miedzianego rurociągu, kabla zasilającego sprężarkę, wentylator oraz inne urządzenia.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Z zasadą działania i budową pompy ciepła przetwarzającej energię wiatru zapozna następujący film:

Domowa pompa ciepła systemu powietrze-woda jest jednym z efektywnych i niedrogich urządzeń do dodatkowego ogrzewania domu. Wykonać i zainstalować ten system może każdy chętny.

Proszę pisać komentarze w znajdującym się poniżej bloku. Być może macie Państwo interesujące informacje i zdjęcia na temat artykułu? Zadawajcie pytania, dzielcie się własną opinią i przydatnymi dla odwiedzających poradami.