Изготовление теплового насоса своими руками для отопления дома

Особенности оборудования

В семидесятые годы в Америке примечательный изобретатель Евгений Френетт показал миру свое создание – тепловой насос Френетта, названный в честь своего открывателя.

Примечателен он в первую очередь тем, что КПД превышает 100%. Некоторые верят и в 700 и 1000 процентов, но скептики, оперирующие физическими законами, не поддерживают их — это, все-таки, преувеличение.

Сфера применения насоса Френетта не ограничивается жилыми помещениями. Его с успехом применяют на производстве.

В свое время этот прибор был очень популярен, поэтому энтузиасты изучали его схему, все больше совершенствуя конструкцию теплового насоса.

Основной принцип все так же не изменился: создатель устройства предлагал простое, но гениальное в своей простоте изобретение. Все основывается на выделении тепла вследствие трения.

Когда он представлял впервые тепловой насос Френетта, схема была такова:

• Два цилиндра отличного размера: меньший в большем. В небольшом промежутке между ними масло.
• Малый мотор оборудован с одной стороны вентилятором, с другой – двигателем (электромотор).
• Внешний корпус подразумевал пазы для воздуха, а оптимизировал работу установки термостат.

Теперь разберемся, как примерно функционировал данный агрегат, который по своей конструкции отличается от большинства привычных и знакомых нам климатических устройств.

За счет вращения малого цилиндра разогревается масло. Вентилятор распространяет теплый воздух в помещении.

Несмотря на то, что эта система называется тепловым насосом, с правильным представлением этого термина машина Френетта совпадает только в роли обогревателя.

Тепловой насос должен работать по обратному принципу Карно, преобразуя низкий потенциал окружающей среды в высокий потенциал энергии тепла. Здесь же такого нет.

Многие пытались преображать изобретение, в том числе и сам его создатель. Поэтому можно обнаружить разные виды насоса Френетта.

Конструктивные отличия от вышеописанных нюансов, например, могут быть следующими:

Барабан с цилиндрами находится в горизонтальном положении, по центру проходит вал, конец которого выступает наружу. Вентилятора нет, обычно его заменяет радиатор или же теплоноситель подается сразу в систему

Важно обеспечить герметичность установки. Вид из двух барабанов с крыльчаткой между ними. Разогретое масло выбрасывается из крыльчатки в зазор между ротором и корпусом насоса, обеспечивая максимальную производительность.
Нестандартный вид насоса Френетта, разработка хабаровских ученых

Масло заменено на воду, основа – грибовидный элемент. Образующийся при нагревании и кипении пар движется по каналам со скоростью до 135 метров в минуту. Эта конструкция способна существовать без подвода энергии извне. Применяют его только в промышленных целях

Разогретое масло выбрасывается из крыльчатки в зазор между ротором и корпусом насоса, обеспечивая максимальную производительность.
Нестандартный вид насоса Френетта, разработка хабаровских ученых. Масло заменено на воду, основа – грибовидный элемент. Образующийся при нагревании и кипении пар движется по каналам со скоростью до 135 метров в минуту. Эта конструкция способна существовать без подвода энергии извне. Применяют его только в промышленных целях.

Что такое тепловые насосы?

Прежде чем переходить к главной теме, надо познакомиться с этим видом инновационного оборудования, которое, на самом деле, было изобретено уже довольно давно. Идея использования тепла земли принадлежит Уильяму Томсону, лорду Кельвину. Теория была ученым разработана в далеком 1852 году, а реализовал он ее в 1855. Однако широкого применения геотермальные насосы в то время не нашли. Зато в конце прошлого века (в 70-х годах), когда человечество осознало, что ресурсы планеты совсем не безграничны, об этой идее вспомнили. Разработку «старой новой» технологии начали в Европе.

Знакомство с установками

Сначала надо отметить, что точного понятия, определяющего геотермальный насос, добывающий тепловую энергию, не существует. Некоторые утверждают, что называть так можно только оборудование, которые работает глубоко в грунте. Другие полагают, что любой водный источник тоже располагается в земле, поэтому и для него название корректно. Третьи считают, что то, что на планете Земля бесплатно, вполне может иметь приставку «гео-». И последние тоже, кажется, правы. По крайней мере, иногда четких границ между типами геотермального оборудования не проводят.

С обычными насосами такие установки имеют немного общего. Назвали их так потому, что они «сосут» бесплатное тепло — из воздуха, воды или земли. Если рассматривать только геотермальное оборудование, то его можно считать самым эффективным: оно забирает тепловую энергию из самой теплой среды — непосредственно из грунта.

Наверное, не все знают, что на расстоянии всего 7-12 метров от поверхности земли температура практически постоянна, и довольно высока. Она составляет как минимум 10°. Задача геотермальных насосов и состоит в том, чтобы добыть тепло, транспортировать его в дом с минимальными потерями, а потом пустить в дело.

Установки, особенно самодельные, имеют разную эффективность, которая всецело зависит от компонентов конструкции. Условия эксплуатации также играют не самую последнюю роль. Максимально производительным будет оборудование, которое работает совместно с отопительным контуром, имеющим температуру около 35°.

По этой причине одна из самых популярных областей его использования — теплые водяные полы. Есть геотермальные насосы, нагревающие теплоноситель до 55-60°, но это заводские модели. Однако даже они максимально эффективны при более низких температурах (при тех же 35°).

Принцип работы геотермальных насосов

Тепловая энергия есть в любой среде. Задача тепловых насосов — передача ее от источника с низким потенциалом теплоносителю. Земля дает возможность получить тепло как летом, так и в зимний период. Принцип действия геотермальных установок основан на явлении тепловой инерции. Температура земли на глубине от 6-7 метров или ниже соответствует среднегодовым показателям воздуха в местности. При этом она остается практически неизменной в течение календарного года.

Как работает геотермальное оборудование? В трубопровод, который находится в грунте, поступает теплоноситель. Забирая тепловую энергию, он нагревается на несколько градусов. Затем жидкость следует в теплообменник либо испаритель, где передает тепло контуру обогревательной системы. Принцип работы геотермальных систем очень похож на функционирование холодильного оборудования, поэтому они в летнюю жару могут выполнять другую работу — эффективно охлаждать помещения дома, заменяя кондиционеры.

Хладагент, циркулирующий во внешнем контуре, нагревается в испарителе, затем превращается в газ и двигается в компрессор. Там вещество сжимается благодаря возросшему давлению, температура его еще повышается. Горячий газ следует в конденсатор, затем отдает тепло теплоносителю отопительной системы. Затем хладагент снова трансформируется в жидкость, возвращается в исходную точку. Цикл продолжается.

Тепловые насосы для отопления дома: типовые разновидности

Самый удобный способ классификации тепловых насосов предполагает разделение подобных агрегатов по типу среды, в которой проложен первичный контур, питающий теплом испаритель.

И согласно этому способу классификации тепловые насосы делятся на следующие разновидности:

• Геотермальные агрегаты (земля-вода).
• Гидротермальные насосы (вода-вода).
• Аэротермальные установки (воздух-вода).

Причем все виды тепловых насосов эксплуатируют общий принцип работы, но среда «обитания» первичного контура накладывает свой отпечаток и на функционирование, и на обустройство агрегата. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы обустройства каждой разновидности тепловых насосов.

Установка «земля-вода»

Тепловой насос «земля-вода»

Первичный контур геотермального насоса заглубляют в грунт до отметки 5-6 метров. Причем такой монтаж практикуют при обустройстве систем с горизонтальным теплообменником. А в случае монтажа  вертикального первичного контура практикуется и 150-метровое заглубление, в особую скважину.

При этом минимальный объем работ характерен именно для вертикального размещения первичного контура. Поскольку при горизонтальном размещении необходимо распределить трубы теплообменника  по слишком большой площади (50 квадратный метров на каждую 1000 Ватт энергетической отдачи теплового насоса).

Ну а в качестве теплоносителя геотермальный тепловой насос использует совершенно безвредный соляной раствор, незамерзающий даже при отрицательных температурах.

Насос «вода-вода»

Первичный контур гидротермального насоса можно инсталлировать в естественный или искусственный водоем, обычный или сточный колодец, реку или рукотворный канал.

Тепловой насос «вода-вода»

Причем испаритель и  труба с теплоносителем погружаются в воду, как минимум, на 1,5-2 метра. Ведь поверхностные слои могут замерзнуть, повредив и функциональность, и целостность элементов теплового насоса.

Словом, для геотермального насоса придется подобрать «правильный» водоем. А вот сама инсталляция первичного контура происходит достаточно просто – полимерную трубу с тем же соляным раствором «топят» на нужной глубине, используя особы грузила.

И такой способ размещения первичного контура превращает обустройство насосной станции «вода-вода» в чрезвычайно простую и нетрудоемкую операцию. Поэтому, если поблизости есть подходящий водоем, то лучшим вариантом теплового насоса будет именно гидротермальный агрегат.

Агрегат «воздух вода»

Тепловой насос воздух-вода

По сути, это тот же кондиционер, правда, много больших размеров. Первичный контур с испарителем размещается «на воздухе», за пределами жилища, в специальном корпусе.

Причем для обеспечения работоспособности насоса в зимнее время этот корпус очень часто объединяют с вытяжным каналом вентиляционной системы жилища.

Словом, основное достоинство данной системы – простота монтажа, а вот эффективность работы насосов «воздух-вода» весьма сомнительна. Ну а в наших широтах они попросту не могут конкурировать с геотермальными или гидротермальными установками.

Тепловой насос «воздух-вода» для дома

Особенностью систем «воздух-вода» является сильная зависимость температур теплоносителя в системе отопления от температуры источника — наружного воздуха. Эффективность подобного оборудования постоянно изменяется как в сезонном отношении, так и в погодных условиях. В этом проявляется существенное отличие аэротермальных систем от геотермальных комплексов, чья работа стабильна в течение всего срока службы и не зависит от внешних условий.

Кроме того, тепловые насосы типа «воздух-вода» способны как обогревать, так и охлаждать воздух в помещениях, что делает их востребованными в регионах с относительно холодными зимами и жарким летом. В целом, использование подобных систем наиболее эффективно в относительно теплых районах, а для северных областей требуется дополнительные средства обогрева (обычно используются электронагреватели).

Как работают тепловые насосы воздух-вода?

В основе работы теплового насоса типа «воздух-вода» положен принцип Карно. Говоря более понятным языком, используется конструкция фреонового холодильника. Хладагент (фреон) циркулирует в замкнутой системе, проходя последовательно стадии:

• испарения, сопровождающегося сильным охлаждением
• подогрева от тепла поступающего наружного воздуха
• сильного сжатия, при котором его температура становится высокой
• конденсации с переходом в жидкое состояние
• прохода через дроссель с резким падением давления и испарением

Для нормальной циркуляции хладагента необходимо иметь два отделения — испаритель и конденсатор. В первом температура низкая (отрицательная), для нагрева используется тепловая энергия из воздуха окружающей среды. Второе отделение служит для конденсирования хладагента и передачи тепловой энергии в теплоноситель системы отопления.

Роль поступающего извне воздуха — передача тепла в испаритель, где температура очень низкая и требует повышения для предстоящего сжатия. Тепловая энергия воздуха имеется даже при отрицательных температурах и сохраняется до тех пор, пока не произойдет понижение температуры до абсолютного нуля. Низкопотенциальные источники тепловой энергии позволяют получать высокую эффективность системы, но при сильном понижении наружной температуры до -20°C или – 25°C система останавливается и требует подключения дополнительного источника обогрева.

Достоинства и недостатки

Достоинствами тепловых насосов «воздух-вода» являются:

• простота установки, отсутствие земляных работ
• источник тепловой энергии — воздух — имеется везде, он доступен и совершенно бесплатен. Для работы системы требуется только электропитание для циркуляционного оборудования, компрессора и вентилятора
• тепловой насос можно конструктивно объединить с вентиляцией, что позволить существенно повысить эффективность работы обеих систем
• отопительная система безвредна для окружающей среды и не опасна в эксплуатационном отношении
• работа системы практически бесшумна, может управляться при помощи систем автоматики

Недостатками теплового насоса «воздух-вода» являются:

• ограниченность применения. Бытовые модели ТН требуют подключения дополнительных систем отопления уже при -7°C, промышленные образцы способны держать температуру до -25°C, что для большинства регионов России слишком мало
• зависимость эффективности системы от температуры наружного воздуха делает работу системы нестабильной и требует постоянной перенастройки режимов функционирования
• для питания вентиляторов, компрессоров и прочих устройств требуется подключение к стабильному источнику электроэнергии

Планируя использование подобной системы отопления и ГВС, необходимо учитывать эти особенности.

Расчет мощности установки

Порядок расчета мощности установки сводится к определению площади дома, подлежащей обогреву, подсчету необходимого количества тепловой энергии и подбору оборудования, соответствующего полученным значениям. Излагать подробную методику расчета нет смысла, поскольку она чрезвычайно сложна, требует знания многих параметров, коэффициентов и прочих значений. Кроме того, нужен опыт выполнения подобных расчетов, иначе результат окажется совершенно ошибочным.

Для решения проблемы рекомендуется использовать онлайн-калькулятор, найденный в сети. Пользоваться им легко, надо лишь подставить в окошечки свои данные и получить ответ. Если появились сомнения, расчет можно продублировать на другом ресурсе, чтобы получить сбалансированные данные.

Принцип работы устройства

Тем, кто соприкасался с вопросами экономически выгодного отопления, название “тепловой насос” хорошо знакомо. Особенно в сочетании с терминами типа “земля-вода”, “вода-вода”, или “воздух-вода” и т.п.

Такой тепловой насос с устройством Френетта не имеет практически ничего общего. Кроме названия и конечного результата в виде тепловой энергии, которую в итоге используют для обогрева.

Тепловые насосы, работающие на принципе Карно, очень популярны и как экономически выгодный способ организации отопления, и как экологически безопасная система.

Работа такого комплекса устройств связана с накоплением низкопотенциальной энергии, содержащейся в природных ресурсах (земле, воде, воздухе), и преобразованием ее в тепловую энергию с высоким потенциалом.

Изобретение Евгения Френетта устроено и работает совершенно иначе.

из Генерирующую тепло систему, разработанную Е. Френеттом, нельзя безоговорочно отнести к классу тепловых насосов. По конструктивным и технологическим признакам это обогреватель Агрегат не использует гео- или гелио-источники энергии в своей работе. Находящийся внутри него масляный теплоноситель разогревается от силы трения, создаваемой вращающимися металлическими дисками Рабочий орган насоса – маслонаполненный цилиндр, внутри которого расположена ось вращения. Это стальной стержень, оснащенный установленными примерно через 6 см параллельными дисками Центробежная сила выталкивает разогретый теплоноситель в присоединенный к прибору змеевик. Нагретое масло выходит из прибора в верхней точке соединения. Остывший теплоноситель возвращается обратно снизу Внешний вид теплового насоса ФренеттаРазогрев прибора во время работыОсновные конструктивные составляющиеРеальные размеры одной из моделей

Принцип действия этого прибора основан на использовании тепловой энергии, которая выделяется при трении. В основе конструкции – металлические поверхности, расположенные не вплотную друг к другу, а на некотором расстоянии. Пространство между ними заполняют жидкостью.

Части устройства вращаются относительно друг друга с помощью электромотора, жидкость, находящаяся внутри корпуса и контактирующая с вращающимися элементами, разогревается.

Полученное тепло можно использовать для нагрева теплоносителя. Некоторые источники рекомендуют использовать эту жидкость непосредственно для отопительной системы. Чаще всего к самодельному насосу Френетта присоединяют обычный радиатор.

В качестве теплоносителя системы отопления специалисты настоятельно рекомендуют использовать масло, а не воду.

В процессе работы насоса эта жидкость имеет свойство разогреваться очень сильно. Вода в таких условиях может просто закипеть. Горячий пар в замкнутом пространстве создает избыточное давление, а это обычно приводит к разрыву труб или корпуса. Использовать масло в такой ситуации намного безопаснее, поскольку его температура кипения значительно выше.

Для изготовления теплового насоса Френетта потребуется двигатель, радиатор, несколько труб, стальной дисковый затвор, стальные диски, металлический или пластиковый стержень, металлический цилиндр и гаечный набор (+)

Бытует мнение, что КПД такого теплогенератора превышает 100% и даже может составлять 1000%. С точки зрения физики и математики это не совсем корректное утверждение.

КПД отражает потери энергии, затраченные не на обогрев, а собственно на работу прибора. Скорее, феноменальные утверждения о невероятно высоком КПД насоса Френетта отражают его эффективность, которая действительно впечатляет. Затраты электроэнергии на работу прибора ничтожны, а вот количество полученного в результате тепла весьма ощутимы.

Нагрев теплоносителя до таких же температур с помощью ТЭНа для отопления, например, потребовал бы значительно большего количества электроэнергии, возможно, в десятки раз больше. Бытовой обогреватель при таком расходе электричества даже не нагрелся бы.

Почему же такими приборами не оборудованы все подряд жилые и промышленные помещения? Причины могут быть разными.

Во-первых, вода – более простой и удобный теплоноситель, чем масло. Она не нагревается до таких высоких температур, и устранить последствия протечек воды проще, чем убрать разлитое масло.

Во-вторых, к моменту изобретения насоса Френетта централизованная система отопления уже существовала и успешно функционировала. Ее демонтаж для замены на теплогенераторы обошелся бы слишком дорого и доставил бы массу неудобств, поэтому такой вариант никто всерьез даже не рассматривал. Как говорится, лучшее – враг хорошего.

Как сориентироваться при выборе теплового насоса

Для выбора конкретного вида теплового насоса для отопления дома с хорошей ценой, нужно определиться со следующими параметрами:

• Сумма, с которой вы готовы расстаться для покупки оборудования;
• Тип местности, где находится дом, который вы собираетесь обеспечить альтернативным методом отопления. От расположения ставков или грунтовых вод зависит тип установки;
• Нужно определиться, есть ли у вас возможность, для бурения скважины под тепловой насос;
• Главный нюанс, это точный расчёт необходимой мощности для полноценного отопления дома;

Как рассчитать мощность необходимого оборудования

В первую очередь нужно просчитать точную кубатуру вашего здания, применив следующую формулу: V = Высота потолка х Ширина здания х Длина здания.

Для более точного определения необходимой мощности, нужно рассчитать разницу температур между улицей и микроклиматом в середине здания: Т = Твнутри — Тснаружи = нужный градус цельсия.

Конечная формула включает в себя учёт всех выше перечисленных параметров: Q = V x T, кВт.

Что такое тепловой насос для отопления частного дома? Как работает?

Специальное устройство, которое способно извлекать тепло из окружающей среды называется тепловой насос.

Применяются такие приборы в качестве основного или дополнительного метода обогрева помещений. Некоторые устройства также работают на пассивное охлаждение здания — при этом насос применяется как для летнего охлаждения, так и для зимнего обогрева.

В качестве топлива используется энергия окружающей среды. Такой обогреватель извлекает тепло из воздуха, воды, грунтовых вод и так далее, поэтому это устройство относят к классу возобновляемых источников энергии.

Важно! Для работы таких насосов требуется подключение к электросети. В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства

Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло)

В состав всех тепловых аппаратов входит испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный клапан. В зависимости от источника тепла различают водяные, воздушные и другие устройства. Принцип действия очень похож на принцип работы холодильника (только холодильник выбрасывает горячий воздух, а насос поглощает тепло).

Большинство приспособлений работают как при положительных, так и при отрицательных температурах, однако КПД устройства напрямую зависит от внешних условий (т. е. чем выше температура окружающей среды, тем мощнее будет устройство). В общем случае прибор работает следующий образом:

1. Тепловой насос вступает в контакт с окружающими условиями. Обычно аппарат извлекает тепло из земли, воздуха или воды (в зависимости от типа устройства).
2. Внутри прибора установлен специальный испаритель, который заполнен хладагентом.
3. При контакте с внешней средой хладагент закипает и испаряется.
4. После этого хладагент в виде пара поступает в компрессор.
5. Там он сжимается — благодаря этому серьёзно повышается его температура.
6. После этого разогретый газ поступает в систему отопления, что приводит к нагреванию основного теплоносителя, который и используется для отопления помещений.
7. Хладагент понемногу охлаждается. В конце он превращается обратно в жидкость.
8. Потом жидкий хладагент поступает в специальный клапан, который серьёзно понижает его температуру.
9. В конце хладагент вновь попадает в испаритель, после чего цикл нагрева повторяется.

Фото 1. Принцип работы теплового насоса типа грунт-вода. Синим цветом показан холодный теплоноситель, красным — горячий.

Преимущества:

• Экологичность. Такие устройства относятся к возобновляемым источникам энергии, которые не загрязняют атмосферу своими выбросами (тогда как в случае использования природного газа образуются вредные парниковые испарения, а для производства электроэнергии часто применяется сжигание угля, из-за чего также загрязняется воздух).
• Хорошая альтернатива газу. Тепловой насос идеально подойдёт для отопления помещений в случаях, когда использование газа затруднительно по тем или иным причинам (например, когда дом находится вдали ото всех основных инженерных сетей). Насос также выгодно отличается от газового отопления тем, что для установки такого прибора не требуется получать государственное разрешение (но при бурении глубокой скважины его все же придётся получить).
• Недорогой дополнительный источник тепла. Насос идеально подойдёт в качестве дешёвого вспомогательного источника питания (оптимальный вариант — применение газа зимой и насоса — весной и осенью).

Недостатки:

1. Тепловые ограничения в случае использования водяных насосов. Все тепловые аппараты хорошо функционируют при положительных температурах, тогда как в случае работы при отрицательных температурах многие насосы перестают работать. В основном это связано с тем, что при этом вода замерзает, что делает невозможным её применение как источника тепла.
2. Могут появиться проблемы с устройствами, которые в качестве тепла используют воду. Если для нагрева применяется вода, то потребуется найти её стабильный источник. Чаще всего для этого следует пробурить скважину, благодаря чему расходы на монтаж устройства могут возрасти.

Внимание! Насосы обычно стоят в 5—10 раз дороже газового котла, следовательно использование таких приборов в целях экономии в ряде случаев может быть нецелесообразно (чтобы насос окупился, потребуется подождать несколько лет)