Kako izdelati toplotno črpalko zrak-voda: sheme naprave in samostojna montaža

Zaradi rednega naraščanja cen toplotnih nosilcev postajajo alternativne metode ogrevanja vse bolj iskane. Na primer, praktična toplotna črpalka zrak-voda, ki za ogrevanje izkorišča energijo zraka. Naprava ne zahteva dragih potrošnih materialov, je enostavna za uporabo in varna.

Zaradi visoke cene tovarniško sestavljenega agregata se pri mnogih pojavi zanimanje za samostojno izdelavo tega sistema. Mi vam bomo povedali, kaj bo potreboval domači mojster za izdelavo domače toplotne črpalke. Pri nas boste izvedeli, s katerimi tehničnimi sredstvi se je treba založiti.

Značilnosti toplotnega sistema zrak-voda

Toplotna črpalka, ki ji je posvečen ta članek, se v nasprotju z drugimi različicami podobne naprave (zlasti voda-voda in zemlja-voda) ponaša z vrsto prednosti:

• prihrani elektriko;
• za namestitev niso potrebna obsežna zemeljska dela, vrtanje vrtin, pridobivanje posebnih dovoljenj;
• če sistem priključimo na sončne celice, lahko zagotovimo njegovo popolno avtonomnost.

Tehtna prednost toplotnega sistema, ki črpa energijo vetra in jo prenaša vodi, je v stoodstotni okoljski varnosti.

Preden se lotimo konstruiranja črpalke, je treba ugotoviti, v katerih primerih se sistem izkaže za maksimalno učinkovit in kdaj je njegova uporaba neprimerna.

Toplotni črpalni sistem, ki črpa energijo iz zračne mase, se lahko uporablja za ogrevanje vseh vrst toplotnih nosilcev, ki se uporabljajo na območju SND: vode, zraka, pare

Specifika uporabe in delovanja

Toplotna črpalka produktivno deluje izključno v temperaturnem območju od -5 do +7 stopinj. Pri temperaturi zraka nad +7 bo sistem proizvajal več toplote, kot je potrebno, pri vrednosti pod -5 pa premalo za ogrevanje. To je povezano s tem, da koncentrirani freon v konstrukciji zavre pri temperaturi -55 stopinj.

Teoretično lahko sistem proizvaja toploto tudi pri 30-stopinjskem mrazu, vendar je ne bo dovolj za ogrevanje, saj je toplotna moč neposredno odvisna od razlike med vreliščem hladilnega sredstva in temperaturo zraka.

Zato ta sistem ne bo primeren za prebivalce severnih regij, kjer mraz nastopi prej, v hišah južnih območij pa bo lahko učinkovito deloval več hladnih mesecev.

Če so v prostoru nameščeni standardni radiatorji, bo toplotna črpalka delovala manj učinkovito. Naprava zrak-voda se najbolje kombinira s konvektorji in drugimi radiatorji z veliko površino ter s sistemi talnega ogrevanja in vodnimi toplimi stenami.

Prav tako mora biti sam prostor dobro izoliran od zunaj in imeti vgrajena večkomorna okna, ki zagotavljajo boljšo toplotno izolacijo kot običajna lesena ali plastična okna.

Toplotna črpalka najbolje sodeluje z vodnim sistemom talnega ogrevanja, ki ne zahteva segrevanja toplotnega nosilca nad 40–45 °C.

Samodelna toplotna črpalka bo lahko učinkovito ogrevala hiše s površino do 100 m² in zajamčeno zagotavljala moč 5 kW. Zavedati se je treba, da freona ni mogoče dovolj kakovostno napolniti v konstrukcijo, izdelano v domačih pogojih, zato je treba računati na temperaturo vrelišča do -22 °C.

Naprava domače izdelave je idealna za oskrbo s toploto garaže, rastlinjaka, pomožnih prostorov, majhnega zasebnega bazena in drugih. Sistem se običajno uporablja kot dodatno ogrevanje.

Električni kotel ali druga tradicionalna oprema za kurilno sezono bo v vsakem primeru potrebna. Med hudimi zmrzali (-15–30 stopinj) toplotno črpalko priporočamo izklopiti, da se izognete porabi električne energije, saj v tem obdobju njena učinkovitost znaša največ 10 %.

Toplotne črpalke zagotavljajo dovolj energije za ogrevanje vode v pokritih zasebnih bazenih (+)

Načelo delovanja sistema

Delovna snov v konstrukciji je zrak. Skozi zunanjo enoto, ki je nameščena zunaj, kisik po ceveh vstopa v uparjalnik, kjer sodeluje s hladilnim sredstvom.

Freon pod vplivom temperature postane plinast (ker vre pri –55 stopinjah) in v segretem stanju pod tlakom vstopi v kompresor. Naprava stisne plin, s čimer poveča njegovo temperaturo.

Vroč freon vstopi v krog akumulacijskega rezervoarja (kondenzatorja), kjer se toplota oddaja vodi, ki jo lahko nato uporabimo za ogrevanje in STV. V kondenzatorju freon izgubi le del svoje toplote in je še vedno v plinastem stanju.

Pri prehodu skozi dušilko se hladilno sredstvo razprši, zaradi česar se njegova temperatura zniža. Freon postane tekoč in v takšni obliki preide v uparjalnik. Cikel se ponovi.

Na sliki je shematično prikazana izvedba načela elementarne toplotne črpalke, ki je s kompresorjem in ekspanzijskim ventilom razdeljena na dva kroga – visokega in nizkega tlaka

Tistim, ki želijo sami izdelati toplotno črpalko iz odpadnih materialov in odslužene opreme, na primer iz starega hladilnika, bo pomagala informacija, ki je predstavljena v članku, ki ga priporočamo.

Izdelava toplotne črpalke zrak-voda

Sistem toplotne črpalke je sestavljen iz štirih glavnih elementov:

• zunanje enote;
• posode toplotnega izmenjevalnika–uparjalnika;
• bloka za kompresor;
• akumulacijske posode (kondenzatorja).

Oglejmo si značilnosti konstruiranja vsakega od blokov.

Sestavljanje zunanje enote

Za izdelavo zunanje enote boste potrebovali:

• Ohišje. Običajno ustreza blok iz split–sistema, pralnega stroja ali druge večje opreme, včasih ga izdelajo sami s privarjanjem kovinskih elementov. Pomembno je, da po sestavljanju kovino obdelate s protikorozijsko barvo v prahu.
• Ventilator. Izdelek si lahko izposodite iz starega delujočega klimatizacijskega sistema ali ga kupite posebej.

Model ventilatorja mora imeti široke plastične lopatice in po možnosti ločljiv motor, da ga je mogoče priključiti na senzor.

Za sestavo zunanje enote boste potrebovali ohišje in ventilator iz klimatskega sistema. Približne mere enote so 75×85×30 cm.

V zunanjo enoto lahko namestite uparjalnik in pomožne elemente za njegovo delovanje, vendar je bolj smiselno te dele namestiti v ločeno ohišje.

Zunanjo enoto namestite na razdalji 2–10 m od hiše. Pomembno je, da zgradite temelj in postavite nadstrešek, da zaščitite konstrukcijo pred padavinami. Prav tako je treba pred ventilatorjem pritrditi rešetko, da preprečite vdor umazanije, smeti in listov v lopatice ventilatorja in cevi.

Dodatno je priporočljivo namestiti grelnike, ki ščitijo stranske dele in plošče pred zmrzovanjem. V tem primeru dodatno ogrevanje ohišja ne bo potrebno. Mesto namestitve enote mora biti dobro prezračevano in oddaljeno od odprtega ognja.

Enota s toplotnim izmenjevalnikom-uparjalnikom

Uparjalnik lahko kupite že pripravljenega pri spletnih dobaviteljih ali ga izdelate sami. Za to boste potrebovali 80-litrski rezervoar in bakreno žico s premerom 10 mm in debelino vsaj 1 mm.

Dolžina se izračuna individualno glede na zahtevano moč. Za napravo z močjo 5 kW lahko vzamete 10 m. V uparjalniku bo potekalo ogrevanje in kroženje freona ter stik z zrakom.

Za izdelavo toplotnega izmenjevalnika je treba konstruirati serpentino. Za to žico navijete okoli debele cevi s premerom, ki ne presega širine rezervoarja. Pomembno je, da pustite konca, ki segata čez višino ohišja. Potrebna bosta za povezavo serpentine z drugimi elementi sistema – kompresorjem in akumulacijskim rezervoarjem.

Za izdelavo serpentine bakreno cev s stenami debeline približno 1 mm navijete okoli plinske jeklenke, cevi ali plastenke, napolnjene z vodo.

V ohišje vgradite 2 priključka za priklop cevi, ustvarite dve odprtini za izhod žice. Spoje zatesnite. Končano konstrukcijo pritrdite z L-nosileci.

Priporočljivo je dodatno namestiti na uparjalnik rele za odtaljevanje, saj bo v rezervoarju krožil zrak z negativno temperaturo. V tem primeru lahko kondenzat, ki se nabira v sistemu, povzroči zmrzovanje uparjalnika. Prav tako, da preprečite nastajanje vlage, lahko v sistem vgradite filter-sušilnik.

Pravila za namestitev kompresorja

Za namestitev kompresorja boste potrebovali ločeno ohišje z zvočno in vibracijsko izolacijo, saj skoraj vse različice naprave med delovanjem povzročajo hrup. Kompresor lahko vzamete rabljenega iz hladilnika ali klimatske naprave ali pa kupite nov model.

Za toplotne črpalke so primerni naslednji tipi kompresorjev:

1. Rotacijski kompresorji so najcenejši, vendar imajo vrsto pomanjkljivosti – so hrupni, imajo nizko učinkovitost in zdržijo 8–10 let.
2. Spiralne modifikacije se vgrajujejo v vse sodobne modele klimatskih naprav, hladilnikov. So vzdržljive (15–20 let), tihe, učinkovite, vendar se odlikujejo po visoki ceni.
3. Batne modele vgrajujejo pretežno v industrijske hladilnike. Izdelki imajo dober izkoristek, so vzdržljivi (15–20 let), vendar zelo hrupni in dragi.

Za toplotno črpalko je treba izbrati enofazni kompresor. Pred nakupom je pomembno izvedeti, s kakšno vrsto freona naprava deluje. Priporočljivo je kupiti model, ki deluje na R22, še bolje na R422. S hladilnim sredstvom te vrste je lažje delati kot s katero koli drugo vrsto freona.

Kompresor se s cevkami poveže z blokom uparjalnika in kondenzatorja. Zaradi naprave freon zvišuje svojo temperaturo.

Konstruiranje akumulacijske posode (kondenzatorja)

Za izdelavo kondenzatorja bo potrebno ohišje izpod 100-litrskega bojlerja ali kateri koli drug nerjavni rezervoar enake prostornine. Prav tako je potreben tuljavnik, izdelan iz bakrene cevke. Za črpalko z močjo 5 kW lahko vzamemo 12-metrsko žico. Po cevki tuljavnika bo potoval vroč freon, zaradi česar se bo voda segrevala.

Korak št. 1: Izdelava tuljavnika

Za izdelavo tuljavnika bo potrebna bakrena žica s premerom najmanj 26 mm in debelino stene od 1 mm. Treba jo je naviti na cev z manjšim prerezom, kot ga ima rezervoar.

Višina spirale mora sovpadati z višino ohišja. Pomembno je pustiti izhode cevi zunaj posode, da bi lahko priključili tuljavnik na uparjalnik in kompresor.

Korak št. 2: Priprava ohišja

Za namestitev tuljavnika je treba rezervoar prerezati. Zgoraj in spodaj bo potrebno ustvariti odprtine za izhode bakrene žice, ter izrezati dodatne predele za namestitev dveh priključkov, od katerih je eden namenjen izhodu vode, drugi pa njenemu vhodu. Po opravljenih postopkih je treba rezervoar zatesniti.

Toplotni izmenjevalnik-kompresor je mogoče kupiti ločeno v obliki že pripravljene konstrukcije. S pomočjo naprave tovarniške izdelave je mogoče povečati moč in izkoristek naprave.

Hladilno sredstvo z oznako R22 naj bi v skladu z Montrealskimi uredbami do leta 2030 umaknili iz uporabe. Za polnjenje sistema je bolje uporabiti njegov nadomestek – hladilno sredstvo R422.

Povezava zunanje enote z uparjalnikom

Za povezavo zunanje enote in uparjalnika bo potrebna napeljava dveh polietilenskih cevi PND 32. Skozi eno cev bo zrak vstopal, skozi drugo pa izstopal.

Cevi je mogoče zakopati v zemljo, potem ko v jarek dodate kateri koli pesek, ali pa jih pustiti na površini, če se zunanje ohišje nahaja nedaleč od hiše.

Povezava uparjalnika, kompresorja in rezervoarja

V tem sistemu kroži freon. Za priključitev spiral s kompresorjem in dušilnim ventilom se je treba obrniti na strokovnjake za hladilno tehniko. Tudi če ima oseba orodja in materiale, bo brez izkušenj s spajkanjem težko pravilno povezati vse elemente v enoten sistem, da bi zagotovila delovanje naprave.

Poleg tega bo potrebnih veliko dodatnih materialov – cevi različnih premerov, različnih modifikacij odtočnih pip, ventilov za izpihovanje zraka, varnostnih ventilov, ter tudi sponk za cevi, objemk, rezalk cevi za rezanje odsekov cevovoda.

Potrebne bodo tudi druge specializirane naprave, ki so na voljo v vsaki delavnici za popravilo hladilnikov in klimatskih naprav.

Kakovostno polnjenje freona se prav tako izvaja s posebno opremo. Zato je za združitev toplotnih izmenjevalcev, kompresorja in dušilnega ventila v delujoč sistem bolj priročno in ugodno obrniti na strokovnjake.

Uvedba sistemov za upravljanje naprave

Za spremljanje tlaka in temperature freona se lahko uporabi plošča z zaslonom iz katere koli klimatske naprave. Med spajkanjem se lahko s pomočjo strokovnjakov konstrukcija pravilno vgradi v napravo.

Prav tako je mogoče priključiti posebno napravo – senzor vrtenja ventilatorja. Ta uravnava hitrost vrtenja lopatic ter avtomatizira vrtljaje obtočne črpalke freona.

Dodatno je mogoče namestiti časovnik, električni zaganjalnik, napravo, ki ščiti kompresor pred pregrevanjem. Vse te dele je mogoče kupiti v popravljalnih delavnicah ali na trgu rezervnih delov.

Izračun moči toplotne črpalke zrak-voda

Za ogrevanje prostora s površino od 100 m² bo potrebna toplotna črpalka večje moči. Potrebno moč naprave je mogoče približno izračunati s pomočjo tabele:

Podatki iz tabele bodo pomagali izračunati površino spirale za izdelavo naprave določene moči.

Da bi določili, kakšna mora biti moč kompresorja, kakšnih premerov naj bodo cevi in drugi pomembni podatki pri konstruiranju toplotne črpalke zrak-voda, se je treba obrniti na enega od načinov:

• Uporabiti spletne kalkulatorje, objavljene na spletnih straneh proizvajalcev toplotnih izmenjevalcev.
• Uporabiti programsko opremo CoolPack 1,46, Copeland.
• Povabiti strokovnjaka, ki bo opravil potrebne meritve in izračune.

Površino kondenzatorske spirale (PZK) je mogoče izračunati po formuli:

PZK = M/0,8ΔT,

kjer je M moč naprave v kW; 0,8 je koeficient toplotne prevodnosti pri stiku vode in bakra; ΔT je temperaturna razlika med vstopnim in izstopnim zrakom v sistemu.

Zgoraj navedeni parametri toplotne črpalke bodo ustrezali prostoru do 100 kvadratnih metrov. Moč naprave – 5 kW. Če kupite posebne toplotne izmenjevalnike, je povsem mogoče povečati moč naprave na 10–15 kW.

Na sliki je prikazan sistem, v katerem so toplotni izmenjevalniki, kompresor in dušilka združeni v enem rezervoarju. V konstrukciji so uporabljeni tovarniški toplotni izmenjevalniki (+)

Vzdrževanje domače naprave

Za kakovostno delovanje toplotna črpalka potrebuje dodatno vzdrževanje. Če napravo uporabljate pozimi (upoštevajoč, da v ohišju ni nameščen dodatni grelec), bo treba enoto občasno odtaliti, saj se bo na njeni površini oblikovala ledena skorja.

Prav tako je treba občasno:

• Čistiti lopatice ventilatorja pred naplavinami – listi, prah, umazanija, sneg itd.
• Mazati kompresor v skladu z njegovimi navodili.
• Menjati olje v kompresorju in ventilatorju.

Poleg tega je za normalno delovanje sistema treba redno preverjati celovitost bakrenega cevovoda, napajalnega kabla, ki napaja kompresor, ventilator in druge naprave.

Zaključki in koristen video na to temo

Z načelom delovanja in zgradbo toplotne črpalke, ki predeluje energijo vetra, seznanja naslednji videoposnetek:

Doma izdelana toplotna črpalka sistema zrak-voda je ena izmed učinkovitih in poceni naprav za dodatno ogrevanje stanovanja. Izdelati in namestiti ta sistem lahko vsak, ki želi.

Prosimo, napišite komentarje v spodnjem bloku. Morda imate zanimive informacije in fotografije na temo članka? Postavljajte vprašanja, delite svoje mnenje in koristne nasvete za obiskovalce spletnega mesta.