Kako izdelati toplotno črpalko za ogrevanje hiše z lastnimi rokami: princip delovanja in sheme montaže

Prve različice toplotnih črpalk so lahko le delno zadovoljile potrebe po toplotni energiji. Sodobne različice so učinkovitejše in se lahko uporabljajo za ogrevalne sisteme. Zato mnogi lastniki hiš poskušajo namestiti toplotno črpalko z lastnimi rokami.

Povedali vam bomo, kako izbrati optimalno različico toplotne črpalke ob upoštevanju geopodatkov parcele, na kateri jo nameravate namestiti. V članku, ki ga predlagamo v pregled, je podrobno opisan princip delovanja sistemov za uporabo “zelene energije”, naštete so razlike. Ob upoštevanju naših nasvetov boste brez dvoma izbrali učinkovit tip.

Za samostojne mojstre navajamo tehnologijo sestavljanja toplotne črpalke. Informacije, predstavljene v pregled, dopolnjujejo nazorne sheme, izbori fotografij in obsežno video navodilo v dveh delih.

Kaj je toplotna črpalka in kako deluje?

Pod izrazom toplotna črpalka razumemo nabor določene opreme. Glavna funkcija te opreme je zbiranje toplotne energije in njen prevoz do porabnika. Vir takšne energije je lahko katero koli telo ali medij, ki ima temperaturo od +1 stopinje in več.

V okolju, ki nas obdaja, je virov nizkotemperaturne toplote več kot dovolj. To so industrijski odpadki podjetij, toplotnih in jedrskih elektrarn, kanalizacijski iztoki itd. Za delovanje toplotnih črpalk na področju ogrevanja doma so potrebni trije samostojno obnovljivi naravni viri – zrak, voda, zemlja.

Toplotne črpalke “črpajo” energijo iz procesov, ki redno potekajo v okolju. Procesi se nikoli ne ustavijo, zato so viri po človeških merilih priznani kot neizčrpni.

Trije našteti potencialni dobavitelji energije so neposredno povezani z energijo sonca, ki s segrevanjem poganja zrak z vetrom in prenaša toplotno energijo na zemljo. Prav izbira vira je glavno merilo, po katerem klasificiramo sisteme toplotnih črpalk.

Načelo delovanja toplotnih črpalk temelji na sposobnosti teles ali medijev, da prenašajo toplotno energijo drugemu telesu ali mediju. Prejemniki in dobavitelji energije v sistemih toplotnih črpalk običajno delujejo v paru.

Tako ločimo naslednje vrste toplotnih črpalk:

• Zrak – voda.
• Zemlja – voda.
• Voda – zrak.
• Voda – voda.
• Zemlja – zrak.
• Voda – voda
• Zrak – zrak.

Pri tem prva beseda določa vrsto okolja, od katerega sistem odvzema nizkotemperaturno toploto. Druga označuje vrsto nosilca, kateremu se ta toplotna energija prenaša. Tako pri toplotnih črpalkah voda – voda toploto odvzemamo vodnemu okolju, kot toplotni nosilec pa se uporablja tekočina.

Toplotne črpalke so po konstrukcijski vrsti parokompresijske naprave. Toploto črpajo iz naravnih virov, jo obdelujejo in prenašajo do porabnikov (+)

Sodobne toplotne črpalke uporabljajo tri glavne vire toplotne energije. To so – zemlja, voda in zračno okolje. Najenostavnejša med temi možnostmi je zračna toplotna črpalka. Priljubljenost takih sistemov je povezana z njihovo dokaj preprosto konstrukcijo in enostavnostjo montaže.

Vendar kljub takšni priljubljenosti imajo te različice dokaj nizko zmogljivost. Poleg tega je izkoristek nestabilen in odvisen od sezonskih nihanj temperaturnega režima.

Z znižanjem temperature njihova zmogljivost znatno pade. Take različice toplotnih črpalk lahko obravnavamo kot dodatek k obstoječemu glavnemu viru toplotne energije.

Različice opreme, ki uporablja toploto zemlje, veljajo za učinkovitejše. Zemlja prejema in shranjuje toplotno energijo ne le od Sonca, temveč se nenehno ogreva tudi zaradi energije zemeljskega jedra.

Se pravi, so tla nekakšen toplotni akumulator, katerega moč je praktično neomejena. Poleg tega je temperatura tal, zlasti na določeni globini, stalna in niha v majhnih mejah.

Področje uporabe energije, ki jo proizvajajo toplotne črpalke:

Stalnost temperature vira je pomemben dejavnik stabilnega in učinkovitega delovanja te vrste energetske opreme. Podobne značilnosti imajo sistemi, v katerih je vodno okolje glavni vir toplotne energije. Kolektor takšnih črpalk se nahaja bodisi v vodnjaku, kjer se znajde v vodonosnem sloju, bodisi v vodnem telesu.

Povprečna letna temperatura takšnih virov, kot so tla in voda, se giblje od +7º do +12º C. Takšna temperatura je povsem zadostna za zagotovitev učinkovitega delovanja sistema.

Za najučinkovitejše veljajo toplotne črpalke, ki pridobivajo toplotno energijo iz virov s stabilnimi temperaturnimi značilnostmi, to je iz vode in tal.

Osnovni elementi konstrukcije toplotnih črpalk

Da bi naprava za pridobivanje energije delovala v skladu z načeli delovanja toplotne črpalke, morajo biti v njeni konstrukciji prisotne 4 glavne enote, in sicer:

• Kompresor.
• Uparjalnik.
• Kondenzator.
• Dušilni ventil.

Pomemben element konstrukcije toplotne črpalke je kompresor. Njegova glavna funkcija – zvišanje tlaka in temperature hlapov, ki nastanejo pri vrenju hladilnega sredstva. Za klimatsko tehniko in toplotne črpalke se zlasti uporabljajo sodobni spiralni kompresorji.

Kot delovna tekočina, ki neposredno prenaša toplotno energijo, se uporabljajo tekočine z nizkim vreliščem. Praviloma se uporabljajo amoniak in freoni (+)

Takšni kompresorji so zasnovani za delovanje pri temperaturah pod ničlo. Za razliko od drugih vrst spiralni kompresorji proizvajajo malo hrupa in delujejo tako pri nizkih temperaturah vrenja plina kot pri visokih temperaturah kondenzacije. Njihova kompaktna velikost in majhna lastna teža veljata za nedvomno prednost.

Skoraj vsa energija toplotne črpalke se porabi za transport toplotne energije od zunaj v notranjost prostora. Tako se za delovanje sistemov porabi približno 1 energetska enota pri proizvodnji 4 – 6 enot (+)

Izparilnik kot konstrukcijski element predstavlja posodo, v kateri poteka pretvorba tekočega hladilnega sredstva v paro. Hladilno sredstvo, ki kroži po zaprtem krogu, prehaja skozi izparilnik. V njem se hladilno sredstvo segreje in spremeni v paro. Nastala para pod nizkim tlakom se usmerja proti kompresorju.

V kompresorju so hlapi hladilnega sredstva izpostavljeni delovanju tlaka in njihova temperatura naraste. Kompresor črpa segreto paro pod visokim tlakom proti kondenzatorju.

Kompresor stisne medij, ki kroži po krogu, zaradi česar se njegova temperatura in tlak povečata. Nato stisnjeni medij vstopi v toplotni izmenjevalnik (kondenzator), kjer se ohladi in pri tem prenaša toploto vodi ali zraku.

Naslednji konstrukcijski element sistema – kondenzator. Njegova funkcija je oddajanje toplotne energije notranjemu krogu ogrevalnega sistema.

Serijski primerki, ki jih izdelujejo industrijska podjetja, so opremljeni s ploščatimi toplotnimi izmenjevalniki. Glavni material za takšne kondenzatorje je legirano jeklo ali baker.

Za samostojno izdelavo toplotnega izmenjevalnika je primerna bakrena cev s premerom pol palca. Debelina sten cevi, uporabljenih za izdelavo toplotnega izmenjevalnika, mora biti najmanj 1 mm.

Termoregulacijski ali drugače dušilni ventil se namesti na začetku tistega dela hidravličnega kroga, kjer se medij z visokim tlakom pretvori v medij z nizkim tlakom. Natančneje, dušilka v paru s kompresorjem delita krog toplotne črpalke na dva dela: enega z visokimi parametri tlaka, drugega – z nizkimi.

Pri prehodu skozi ekspanzijski dušilni ventil tekočina, ki kroži po zaprtem krogu, delno izhlapi, zaradi česar tlak skupaj s temperaturo padeta. Nato vstopi v toplotni izmenjevalnik, ki je povezan z okolico. Tam zajame energijo okolice in jo prenese nazaj v sistem.

S pomočjo dušilnega ventila se uravnava tok hladilnega sredstva proti uparjalniku. Pri izbiri ventila je treba upoštevati parametre sistema. Ventil mora ustrezati tem parametrom.

Pri prehodu skozi termoregulacijski ventil se tekoči nosilec toplote delno izhlapi, temperatura toka pa se zniža (+)

Izbira vrste toplotne črpalke

Glavni kazalnik tega ogrevalnega sistema je moč. Od moči so v prvi vrsti odvisni tudi finančni stroški za nakup opreme in izbira enega ali drugega vira nizkotemperaturne toplote. Višja kot je moč sistema toplotne črpalke, višji so stroški komponent.

V prvi vrsti se upošteva moč kompresorja, globina vrtin za geotermalne sonde oziroma površina za namestitev horizontalnega kolektorja. Pravilni termodinamični izračuni so nekakšno jamstvo, da bo sistem učinkovito deloval.

Ob prisotnosti vodnega telesa v bližini osebne parcele bo najbolj rentabilna in produktivna izbira toplotna črpalka voda-voda.

Za začetek je treba preučiti parcelo, ki je predvidena za namestitev črpalke. Idealna okoliščina bo prisotnost vodnega telesa na tej parceli. Uporaba variante tipa voda-voda bo znatno zmanjšala obseg zemeljskih del.

Uporaba zemeljske toplote nasprotno zahteva veliko dela, povezanega z izkopom zemljine. Sistemi, ki kot nizkotemperaturno toploto uporabljajo vodno okolje, veljajo za najbolj učinkovite.

Naprava toplotne črpalke, ki črpa toplotno energijo iz zemlje, zahteva izvedbo obsežnih zemeljskih del. Kolektor se položi pod globino sezonskega zmrzovanja.

Toplotno energijo zemlje lahko uporabimo na dva načina. Prvi vključuje vrtanje vrtin s premerom 100–168 mm. Globina takih vrtin je lahko, odvisno od parametrov sistema, do 100 m in več.

V te vrtine se namestijo posebne sonde. Pri drugem načinu se uporabi kolektor iz cevi. Tak kolektor se postavi pod zemljo v vodoravni ravnini. Za to varianto je potrebno dovolj veliko območje.

Za polaganje kolektorja se za idealna štejejo območja z vlažno zemljo. Seveda je vrtanje vrtin dražje od vodoravne postavitve kolektorja. Vendar pa nimajo vse parcele dovolj prostora. Za en kW moči toplotne črpalke je potrebnih od 30 do 50 m² površine.

Gradnja za odvzem toplotne energije z eno globoko vrtino se lahko izkaže za nekoliko cenejšo od kopanja jame. Vendar je pomembna prednost v znatnem prihranku prostora, kar je pomembno za lastnike majhnih zemljišč.

V primeru, da je na zemljišču visok nivo podtalnice, lahko toplotne izmenjevalce namestite v dve vrtini, ki sta oddaljeni približno 15 m druga od druge.

V takšnih sistemih se toplotna energija odvzema s črpanjem podtalnice po zaprtem krogu, katerega deli so v vrtinah. Tak sistem potrebuje namestitev filtra in redno čiščenje toplotnega izmenjevalca.

Najenostavnejša in najcenejša shema toplotne črpalke temelji na pridobivanju toplotne energije iz zraka. Nekoč je postala osnova za izdelavo hladilnikov, pozneje pa so po njenih načelih razvili klimatske naprave.

Najenostavnejši toplotni črpalni sistem pridobiva energijo iz zračne mase. Poleti sodeluje pri ogrevanju, pozimi pri klimatizaciji. Slabost sistema je, da ima pri samostojni izvedbi enota nezadostno moč.

Učinkovitost različnih vrst te opreme ni enaka. Najnižje vrednosti imajo črpalke, ki uporabljajo zračni medij. Poleg tega so te vrednosti neposredno odvisne od vremenskih razmer.

Zemeljske vrste toplotnih črpalk imajo stabilne vrednosti. Koeficient učinkovitosti teh sistemov se giblje med 2,8 in 3,3. Največjo učinkovitost imajo sistemi voda-voda. To je povezano predvsem s stabilnostjo temperature vira.

Opozoriti je treba, da globlje kot je kolektor črpalke v vodnem telesu, bolj stabilna bo temperatura. Za doseganje moči sistema 10 kW je potrebnih približno 300 metrov cevovoda.

Glavni parameter, ki označuje učinkovitost delovanja toplotne črpalke, je njen pretvorni koeficient. Višji kot je pretvorni koeficient, učinkovitejša se šteje toplotna črpalka.

Pretvorni koeficient toplotne črpalke se izraža z razmerjem med toplotnim tokom in električno močjo, porabljeno za delo kompresorja.

Sestavljanje toplotne črpalke z lastnimi močmi

Če poznate shemo delovanja in zgradbo toplotne črpalke, je povsem mogoče samostojno sestaviti in namestiti sistem alternativnega ogrevanja. Pred začetkom del je treba izračunati vse glavne parametre prihodnjega sistema. Za izračun parametrov prihodnje črpalke lahko uporabite programsko opremo, namenjeno optimizaciji sistemov za hlajenje.

Najpreprostejša možnost za izdelavo je sistem zrak–voda. Ne zahteva zahtevnih del za izdelavo zunanjega kroga, ki je značilen za vodne in zemeljske različice toplotnih črpalk. Za montažo potrebujete le dva kanala, po enem se dovaja zrak, po drugem pa odvaja izrabljena masa.

Najlažje je z lastnimi rokami izdelati toplotno črpalko, ki zajema toploto iz zračne mase. Zunaj nameščen ventilator potiska zrak k uparjalniku.

Poleg ventilatorja morate nabaviti kompresor ustrezne moči. Za tak agregat je povsem primeren kompresor, s katerim so opremljeni običajni split sistemi. Ni nujno, da kupite novo napravo.

Lahko ga vzamete iz stare opreme ali uporabite dele starega hladilnika. Priporočljivo je uporabiti spiralno različico. Te različice kompresorjev poleg zadostne učinkovitosti ustvarjajo visok tlak, ki omogoča zvišanje temperature.

Za izdelavo kondenzatorja potrebujete posodo in bakreno cev. Iz cevi se izdela spiralo. Za njeno izdelavo se uporabi katero koli valjasto telo potrebnega premera. Z navijanjem bakrene cevi nanj lahko hitro in enostavno izdelate ta konstrukcijski element.

Končana spirala se vgradi v posodo, ki je predhodno prerezana na pol. Za izdelavo posode je bolje uporabiti materiale, odporne proti koroziji. Po namestitvi spirale se polovici rezervoarja zvarita.

Površina spirale se izračuna po naslednji formuli:

MT/0,8 RT,

kjer:

• MT – moč toplotne energije, ki jo oddaja sistem.
• 0,8 – koeficient toplotne prevodnosti pri interakciji vode z materialom spirale.
• RT – razlika temperatur vode na vstopu in izstopu.

Pri izbiri bakrene cevi za samostojno izdelavo spirale morate biti pozorni na debelino sten. Ta ne sme biti manjša od 1 mm. V nasprotnem primeru se bo cev pri navijanju deformirala. Cev, po kateri vstopa hladilno sredstvo, se namesti v zgornji del posode.

Toplotni izmenjevalnik iz bakrene cevi se izdela z navijanjem bakrene cevi na predmet valjaste oblike. Večja kot je površina spirale, višja je zmogljivost črpalke.

Uparjalnik toplotne črpalke lahko izdelate v dveh različicah – v obliki posode z vgrajeno spiralo in v obliki cevi v cevi. Ker je temperatura tekočine v uparjalniku nizka, lahko posodo izdelate iz plastičnega soda. V to posodo se namesti krog, ki je izdelan iz bakrene cevi.

Za razliko od kondenzatorja mora spirala uparjalnega tuljava ustrezati premeru in višini izbrane posode. Druga različica uparjalnika: cev v cevi. V tej različici je cevka s hladilnim sredstvom nameščena v plastični cevi večjega premera, po kateri kroži voda.

Dolžina takšne cevi je odvisna od načrtovane moči črpalke. Lahko je od 25 do 40 metrov. Takšno cev zvijemo v spiralo.

Termoregulacijski ventil spada med zaporno-regulacijsko cevovodno opremo. Kot zaporni element v TRV se uporablja igla. Položaj zapornega elementa ventila je določen s temperaturo v uparjalniku.

Ta pomemben element sistema ima precej zapleteno konstrukcijo. Sestavljajo jo:

• Termoelement.
• Diafragma.
• Kapilarna cevka.
• Termobalon.

Ti elementi lahko postanejo neuporabni pri visoki temperaturi. Zato je treba med spajkanjem sistema ventil izolirati z azbestno tkanino. Regulacijski ventil mora ustrezati zmogljivosti uparjalnika.

Po izdelavi glavnih konstrukcijskih delov nastopi odgovoren trenutek sestavljanja celotne konstrukcije v enoten blok. Najbolj odgovorna faza je postopek polnjenja hladilnega sredstva ali toplotnega nosilca v sistem.

Samostojno izvajanje takšne operacije verjetno ni v moči navadnega uporabnika. Tu se bo treba obrniti na strokovnjake, ki se ukvarjajo s popravilom in vzdrževanjem klimatske opreme.

Delavci na tem področju imajo praviloma potrebno opremo. Poleg polnjenja hladilnega sredstva lahko testirajo delovanje sistema. Samostojno polnjenje hladilnega sredstva lahko povzroči ne samo okvaro konstrukcije, ampak tudi hude poškodbe. Poleg tega je za zagon sistema potrebna tudi posebna oprema.

Pri zagonu sistema pride do konične zagonske obremenitve, ki znaša praviloma približno 40 A. Zato zagon sistema brez zagonskega releja ni mogoč. Po prvem zagonu je potrebno nastaviti ventil in tlak hladilnega sredstva.

K izbiri hladilnega sredstva je treba pristopiti z vso resnostjo. Navsezadnje se ta snov v bistvu šteje za glavnega “prenašalca” koristne toplotne energije. Med obstoječimi sodobnimi hladilnimi sredstvi so najbolj priljubljeni freoni. To so derivati ogljikovodikovih spojin, v katerih je del ogljikovih atomov zamenjan z drugimi elementi.

Kot rezultat sestavljanja posameznih elementov toplotne črpalke mora nastati zaprt krog, po katerem kroži delovna snov.

Kot rezultat teh del je nastal sistem z zaprtim krogom. V njem bo krožilo hladilno sredstvo, ki zagotavlja odvzem in prenos toplotne energije od uparjalnika do kondenzatorja. Pri priključitvi toplotnih črpalk na sistem ogrevanja hiše je treba upoštevati, da temperatura vode na izhodu iz kondenzatorja ne presega 50 – 60 stopinj.

Zaradi nizke temperature toplotne energije, ki jo proizvaja toplotna črpalka, je treba za porabnika toplote izbrati specializirane ogrevalne naprave. To so lahko talno ogrevanje ali pa obsežni nizko-inercijski radiatorji iz aluminija ali jekla z veliko sevalno površino.

Domače izvedbe toplotnih črpalk je najbolj smiselno obravnavati kot pomožno opremo, ki podpira in dopolnjuje delovanje glavnega vira.

Izvedbe toplotnih črpalk se vsako leto izboljšujejo. V industrijskih modelih, namenjenih gospodinjski uporabi, se uporabljajo učinkovitejše toplotnoprenosne površine. Posledično zmogljivost sistemov nenehno narašča.

Pomemben dejavnik, ki spodbuja razvoj tovrstne tehnologije proizvodnje toplotne energije, je okoljska komponenta. Takšni sistemi poleg tega, da so precej učinkoviti, ne onesnažujejo okolja. Odsotnost odprtega plamena naredi njegovo delovanje popolnoma varno.

Zaključki in koristen video na to temo

Video #1. Kako narediti najpreprostejšo domačo toplotno črpalko s toplotnim izmenjevalnikom iz PE cevi:

Video #2. Nadaljevanje navodil:

Toplotne črpalke se že precej časa uporabljajo kot alternativni ogrevalni sistemi. Ti sistemi so zanesljivi, imajo dolgo življenjsko dobo in, kar je pomembno, so okolju prijazni. Resno jih začenjajo obravnavati kot naslednji korak na poti razvoja učinkovitih in varnih ogrevalnih sistemov.

Želite postaviti vprašanje ali povedati o zanimivem načinu gradnje toplotne črpalke, ki ni omenjen v članku? Prosimo, napišite komentarje v spodnjem polju.