Kā izgatavot siltumsūkni mājas apkurei pašrocīgi: darbības princips un montāžas shēmas

Pirmie siltumsūkņu varianti varēja tikai daļēji apmierināt siltumenerģijas vajadzības. Mūsdienu veidi ir efektīvāki un var tikt izmantoti apkures sistēmās. Tieši tāpēc daudzi māju īpašnieki mēģina pašrocīgi uzstādīt siltumsūkni.

Mēs pastāstīsim, kā izvēlēties optimālo siltumsūkņa variantu, ņemot vērā tā zemes gabala ģeodatus, uz kura to plānots uzstādīt. Piedāvātajā rakstā detalizēti aprakstīts “zaļās enerģijas” sistēmu darbības princips, uzskaitītas atšķirības. Ņemot vērā mūsu padomus, jūs bez šaubām izvēlēsieties efektīvu tipu.

Pašrocīgiem meistariem mēs sniedzam siltumsūkņa montāžas tehnoloģiju. Izskatāmo informāciju papildina uzskatāmas shēmas, fotoattēlu izlases un izvērsts video instruktāžas divās daļās.

Kas ir siltumsūknis un kā tas darbojas?

Ar terminu siltumsūknis tiek saprasts noteikta aprīkojuma komplekts. Šī aprīkojuma galvenā funkcija ir siltumenerģijas savākšana un tās transportēšana līdz patērētājam. Šādas enerģijas avots var būt jebkurš ķermenis vai vide, kuras temperatūra ir no +1° un vairāk grādiem.

Apkārtējā vidē mums ir vairāk nekā pietiekami daudz zema temperatūras siltuma avotu. Tie ir rūpniecības uzņēmumu atkritumi, termoelektrostaciju un atomelektrostaciju atkritumi, kanalizācijas notekūdeņi utt. Siltumsūkņu darbībai mājas apkures jomā ir nepieciešami trīs pašatjaunojošies dabas avoti – gaiss, ūdens, zeme.

Siltumsūkņi “smel” enerģiju no procesiem, kas regulāri notiek apkārtējā vidē. Procesu plūsma nekad neapstājas, tāpēc avoti tiek uzskatīti par neizsmeļamiem pēc cilvēku kritērijiem.

Trīs uzskaitītie potenciālie enerģijas piegādātāji ir tieši saistīti ar saules enerģiju, kas, sildot, iekustina gaisu ar vēju un nodod siltumenerģiju zemei. Tieši avota izvēle ir galvenais kritērijs, pēc kā tiek klasificētas siltumsūkņu sistēmas.

Siltumsūkņu darbības princips balstās uz spēju ķermeņiem vai vidēm nodot siltumenerģiju citam ķermenim vai videi. Enerģijas saņēmēji un piegādātāji siltumsūkņu sistēmās parasti darbojas pārī.

Tā izšķir šādus siltumsūkņu veidus:

• Gaiss – ūdens.
• Zeme – ūdens.
• Ūdens – gaiss.
• Ūdens – ūdens.
• Zeme – gaiss.
• Ūdens – ūdens
• Gaiss – gaiss.

Turklāt pirmais vārds nosaka vides veidu, no kuras sistēma atņem zemas temperatūras siltumu. Otrais norāda uz nesēja veidu, kuram šī siltumenerģija tiek nodota. Tā, siltumsūkņos ūdens – ūdens, siltums tiek atņemts no ūdens vides, un kā siltumnesējs tiek izmantots šķidrums.

Siltumsūkņi pēc konstruktīvā tipa ir tvaika kompresijas iekārtas. Tie iegūst siltumu no dabas avotiem, apstrādā un transportē to patērētājiem (+)

Mūsdienīgi siltumsūkņi izmanto trīs galvenos siltumenerģijas avotus. Tie ir – augsne, ūdens un gaisa vide. Vienkāršākais no šiem variantiem ir gaisa siltumsūknis. Šādu sistēmu popularitāte ir saistīta ar to diezgan vienkāršo konstrukciju un montāžas vienkāršību.

Tomēr, neskatoties uz šādu popularitāti, šiem paveidiem ir diezgan zema produktivitāte. Turklāt lietderības koeficients ir nestabils un atkarīgs no temperatūras režīma sezonālajām svārstībām.

Pazeminoties temperatūrai, to produktivitāte ievērojami krītas. Šādus siltumsūkņu variantus var uzskatīt par papildinājumu esošajam galvenajam siltumenerģijas avotam.

Iekārtu varianti, kas izmanto augsnes siltumu, tiek uzskatīti par efektīvākiem. Augsne saņem un uzkrāj siltumenerģiju ne tikai no Saules, tā tiek pastāvīgi apsildīta ar Zemes kodola enerģiju.

Tas ir, augsne ir sava veida siltuma akumulators, kura jauda praktiski ir neierobežota. Turklāt augsnes temperatūra, it īpaši noteiktā dziļumā, ir nemainīga un svārstās nenozīmīgās robežās.

Siltumsūkņu saražotās enerģijas pielietojuma joma:

Avota temperatūras noturība ir svarīgs šāda veida enerģētiskā aprīkojuma stabilas un efektīvas darbības faktors. Līdzīgas īpašības piemīt sistēmām, kur ūdens vide ir galvenais siltumenerģijas avots. Šādu sūkņu kolektors tiek novietots vai nu akā, kur tas nonāk ūdens nesējslānī, vai arī ūdenstilpē.

Tādu avotu kā augsne un ūdens vidējā gada temperatūra svārstās no +7º līdz +12º C. Šāda temperatūra ir pilnīgi pietiekama, lai nodrošinātu sistēmas efektīvu darbību.

Par visefektīvākajiem tiek uzskatīti siltumsūkņi, kas iegūst siltumenerģiju no avotiem ar stabilu temperatūras rādītājiem, t.i., no ūdens un augsnes

Siltumsūkņu konstrukcijas pamatelementi

Lai enerģijas ieguves iekārta darbotos saskaņā ar siltumsūkņa darbības principiem, tās konstrukcijā jābūt 4 pamata agregātiem, proti:

• Kompresors.
• Iztvaicētājs.
• Kondensators.
• Droseļvārsts.

Svarīgs siltumsūkņa konstrukcijas elements ir kompresors. Tā galvenā funkcija – paaugstināt spiedienu un temperatūru tvaikiem, kas rodas dzesētāja vārīšanās rezultātā. Klimata tehnikā un it īpaši siltumsūkņos tiek izmantoti moderni spirālveida kompresori.

Kā darba ķermenis, kas veic tiešu siltumenerģijas pārnesi, tiek izmantoti šķidrumi ar zemu viršanas temperatūru. Parasti izmanto amonjaku un freonus (+)

Šādi kompresori ir paredzēti darbībai zem nulles temperatūrās. Atšķirībā no citiem veidiem, spirālveida kompresori rada maz trokšņa un darbojas gan zemās gāzes viršanas temperatūrās, gan augstās kondensācijas temperatūrās. Neapšaubāma priekšrocība ir to kompaktie izmēri un nelielais īpatnējais svars.

Praktiski visa siltumsūkņa enerģija tiek iztērēta siltumenerģijas transportēšanai no ārpuses telpā. Tātad sistēmu darbībai tiek patērēta aptuveni 1 enerģijas vienība, saražojot 4 – 6 vienības (+)

Iztvaicētājs kā konstruktīvs elements ir tvertne, kurā šķidrais dzesētājs pārvēršas tvaikā. Dzesētājs, cirkulējot pa slēgtu kontūru, iet caur iztvaicētāju. Tajā dzesētājs uzsilst un pārvēršas tvaikā. Radušais tvaiks zemā spiedienā tiek virzīts uz kompresoru.

Kompresorā dzesētāja tvaiki tiek pakļauti spiediena iedarbībai, un to temperatūra paaugstinās. Kompresors zem augsta spiediena pārsūknē uzkarsēto tvaiku uz kondensatoru.

Kompresors saspiež pa kontūru cirkulējošo vidi, kā rezultātā paaugstinās tās temperatūra un spiediens. Tad saspiestā vide nonāk siltummainī (kondensatorā), kur tā atdziest, nododot siltumu ūdenim vai gaisam.

Nākamais sistēmas konstruktīvais elements – kondensators. Tā funkcija ir nodot siltumenerģiju apkures sistēmas iekšējam kontūram.

Sērijveida paraugi, ko ražo rūpniecības uzņēmumi, tiek aprīkoti ar plākšņu siltummaiņiem. Galvenais materiāls šādiem kondensatoriem ir leģētais tērauds vai varš.

Pašražošanai siltummainim der vara caurule ar puscollas diametru. Siltummainim izmantojamo cauruļu sieniņu biezumam jābūt vismaz 1 mm.

Termoregulējošais jeb droseles vārsts tiek uzstādīts hidrauliskā kontūra daļas sākumā, kur augsta spiediena cirkulējošā vide pārvēršas zemā spiediena vidē. Precīzāk, drosele kopā ar kompresoru sadala siltumsūkņa kontūru divās daļās: vienā ar augstiem spiediena parametriem, otrā – ar zemiem.

Izejot caur izplešanās droseles vārstu, pa slēgtu kontūru cirkulējošais šķidrums daļēji iztvaiko, kā rezultātā spiediens kopā ar temperatūru pazeminās. Tad tas nonāk siltummainī, kas savienots ar apkārtējo vidi. Tur tas uztver vides enerģiju un pārnes to atpakaļ sistēmā.

Ar droseļvārsta palīdzību tiek regulēta dzesēšanas līdzekļa plūsma uz iztvaicētāju. Izvēloties vārstu, jāņem vērā sistēmas parametri. Vārstam jāatbilst šiem parametriem.

Šķērsojot termoregulācijas vārstu, šķidrais siltumnesējs daļēji iztvaiko, un plūsmas temperatūra pazeminās (+)

Siltumsūkņa tipa izvēle

Šīs apkures sistēmas galvenais rādītājs ir jauda. No jaudas pirmām kārtām būs atkarīgi finansiālie izdevumi par iekārtu iegādi un viena vai otra zema temperatūras siltuma avota izvēle. Jo lielāka ir siltumsūkņa sistēmas jauda, jo augstākas ir sastāvdaļu izmaksas.

Pirmām kārtām tas attiecas uz kompresora jaudu, ģeotermālo zondu aku dziļumu vai platību horizontālā kolektora izvietošanai. Pareizi termodinamiskie aprēķini ir sava veida garantija, ka sistēma darbosies efektīvi.

Ja privātā zemesgabala tuvumā atrodas ūdenstilpe, visrentablākā un produktīvākā izvēle ir ūdens-ūdens siltumsūknis

Vispirms jāizpēta zemesgabals, kas paredzēts sūkņa uzstādīšanai. Ideāls nosacījums ir ūdenstilpes esamība šajā gabalā. Izmantojot ūdens-ūdens tipa variantu, ievērojami samazināsies rakšanas darbu apjoms.

Zemes siltuma izmantošana, gluži pretēji, paredz lielu darbu apjomu, kas saistīti ar grunts izrakšanu. Sistēmas, kas kā zema potenciāla siltumu izmanto ūdens vidi, tiek uzskatītas par visefektīvākajām.

Siltumsūkņa iekārta, kas iegūst siltumenerģiju no grunts, ietver ievērojamu rakšanas darbu veikšanu. Kolektors tiek ierīkots zem sezonālās sasalšanas līmeņa

Grunts siltumenerģiju var izmantot divos veidos. Pirmais veids ir urbšana ar diametru 100–168 mm. Šādu urbumu dziļums atkarībā no sistēmas parametriem var sasniegt 100 m un vairāk.

Šajos urbumos ievieto īpašas zondes. Otrajā veidā izmanto kolektoru no caurulēm. Šāds kolektors tiek izvietots zem zemes horizontālā plaknē. Šim variantam nepieciešams pietiekami liels laukums.

Kolektora ieguldīšanai ideāli tiek uzskatīti zemesgabali ar mitru grunti. Protams, urbšana izmaksās dārgāk nekā horizontāla kolektora izvietošana. Taču ne katrā zemesgabalā ir brīva platība. Uz vienu kilovatu siltumsūkņa jaudas nepieciešams 30 līdz 50 m² platības.

Izbūve ar vienu dziļu urbumu siltumenerģijas iegūšanai var izrādīties nedaudz lētāka nekā bedres rakšana. Tomēr būtisks pluss ir ievērojama vietas ekonomija, kas ir svarīga mazu zemes gabalu īpašniekiem.

Ja uz zemes gabala ir augsti esošs gruntsūdens horizonts, siltummaiņus var ierīkot divos urbumos, kas atrodas aptuveni 15 m attālumā viens no otra.

Siltumenerģijas ieguve šādās sistēmās notiek, sūknējot gruntsūdeni pa slēgtu kontūru, kura daļas atrodas urbumos. Šādai sistēmai nepieciešama filtra uzstādīšana un periodiska siltummaiņa tīrīšana.

Vienkāršākā un lētākā siltumsūkņa shēma balstās uz siltumenerģijas iegūšanu no gaisa. Savulaik tā kļuva par pamatu ledusskapju ierīcei, vēlāk pēc tās principiem tika izstrādāti gaisa kondicionieri.

Vienkāršākā siltumsūkņa sistēma iegūst enerģiju no gaisa masas. Vasarā tā piedalās apkures nodrošināšanā, ziemā - gaisa kondicionēšanā. Sistēmas mīnuss ir tas, ka pašu spēkiem izgatavotam agregātam ir nepietiekama jauda.

Dažādu šī aprīkojuma veidu efektivitāte nav vienāda. Vismazākos rādītājus uzrāda sūkņi, kas izmanto gaisa vidi. Turklāt šie rādītāji ir tieši atkarīgi no laikapstākļiem.

Zemes tipa siltumsūkņiem ir stabili rādītāji. Šo sistēmu efektivitātes koeficients svārstās robežās no 2,8 līdz 3,3. Vislielākā efektivitāte ir ūdens-ūdens sistēmām. Tas ir saistīts, pirmkārt, ar avota temperatūras stabilitāti.

Jāatzīmē, ka jo dziļāk ūdenstilpnē atrodas sūkņa kolektors, jo stabilāka būs temperatūra. Lai iegūtu sistēmas jaudu 10 kW, nepieciešami aptuveni 300 metri cauruļvada.

Par galveno parametru, kas raksturo siltumsūkņa darbības efektivitāti, tiek uzskatīts tā pārveidošanas koeficients. Jo augstāks ir pārveidošanas koeficients, jo efektīvāks tiek uzskatīts siltumsūknis.

Siltumsūkņa pārveidošanas koeficients tiek izteikts kā siltuma plūsmas rādītāju attiecība pret elektrisko jaudu, kas iztērēta kompresora darbam.

Siltumsūkņa montāža pašrocīgi

Zinot siltumsūkņa darbības shēmu un uzbūvi, ir pilnīgi iespējams pašu spēkiem samontēt un uzstādīt alternatīvu apkures sistēmu. Pirms darba uzsākšanas ir jāaprēķina visi nākotnes sistēmas galvenie parametri. Lai aprēķinātu nākotnes sūkņa parametrus, var izmantot programmatūru, kas paredzēta dzesēšanas sistēmu optimizācijai.

Vienkāršākais būvējamais variants ir gaiss-ūdens sistēma. Tā neprasa sarežģītus darbus ārējās kontūras izveidē, kas ir raksturīga ūdens un zemes siltumsūkņu šķirnēm. Uzstādīšanai nepieciešami tikai divi kanāli, pa vienu no kuriem tiks padots gaiss, pa otru – izvadīta atstrādātā masa.

Visvienkāršāk ir pašu spēkiem izveidot siltumsūkni ar siltuma iegūšanu no gaisa masas. Ārā uzstādīts ventilators pievada gaisu iztvaicētājam.

Papildus ventilatoram jāiegādājas vajadzīgās jaudas kompresors. Šādam agregātam pilnībā der parastās splitsistēmās izmantotais kompresors. Nav obligāti jāpērk jauns agregāts.

To var noņemt no veca aprīkojuma vai izmantot vecā ledusskapja komplektējošās daļas. Vēlams izmantot spirālveida tipu. Šie kompresoru varianti papildus pietiekamai efektivitātei rada augstu spiedienu, kas nodrošina temperatūras paaugstināšanos.

Kondensatora iekārtošanai būs nepieciešams trauks un vara caurule. No caurules tiek izgatavots spoles elements. Tā izgatavošanai izmanto jebkuru vajadzīgā diametra cilindrisku priekšmetu. Aptrinot uz tā vara cauruli, var viegli un ātri izgatavot šo konstrukcijas elementu.

Gatavais spoles elements tiek montēts iepriekš pārgrieztā uz pusēm tvertnē. Tvertnes izgatavošanai labāk izmantot korozijas procesiem izturīgus materiālus. Pēc spoles ievietošanas tvertnes pusītes tiek sametinātas.

Spoles laukums tiek aprēķināts pēc šādas formulas:

MT/0,8 RT,

kur:

• MT – siltumenerģijas jauda, ko izdod sistēma.
• 0,8 – siltumvadītspējas koeficients, ūdenim mijiedarbojoties ar spoles materiālu.
• RT – ūdens temperatūras starpība pie ieejas un izejas.

Izvēloties vara cauruli pašrocīgai spoles izgatavošanai, jāpievērš uzmanība sieniņu biezumam. Tam jābūt vismaz 1 mm. Pretējā gadījumā tinot caurule deformēsies. Caurule, pa kuru tiek veikta aukstumaģenta ieeja, tiek novietota tvertnes augšējā daļā.

Siltummainis no vara caurulītes tiek izgatavots, aptinot vara caurulīti ap cilindriskas formas priekšmetu. Jo lielāka ir spoles virsmas laukums, jo augstāka ir sūkņa veiktspēja.

Siltumsūkņa iztvaicētāju var izpildīt divos variantos – kā tvertni ar tajā esošo spoli un kā cauruli caurulē. Tā kā šķidruma temperatūra iztvaicētājā ir neliela, tvertni var izgatavot no plastmasas mucas. Šajā tvertnē tiek ievietota kontūra, kas izgatavota no vara caurules.

Atšķirībā no kondensatora, iztvaicētāja spoles spirālei jāatbilst izvēlētās tvertnes diametram un augstumam. Otrais iztvaicētāja variants: caurule caurulē. Šādā variantā caurule ar aukstumaģentu tiek izvietota lielāka diametra plastmasas caurulē, pa kuru cirkulē ūdens.

Šādas caurules garums ir atkarīgs no plānotā sūkņa jaudas. Tas var būt no 25 līdz 40 metriem. Šādu cauruli satin spirālē.

Termoregulējošais vārsts pieder pie noslēgšanas un regulēšanas cauruļvadu armatūras. Kā noslēgšanas elements TRV tiek izmantota adata. Vārsta noslēgšanas elementa stāvokli nosaka temperatūra iztvaicētājā.

Šis svarīgais sistēmas elements ir diezgan sarežģītas konstrukcijas. Tās sastāvā ietilpst:

• Termoelements.
• Diafragma.
• Kapilārā caurule.
• Termobalons.

Šie elementi var kļūt nederīgi augstā temperatūrā. Tāpēc sistēmas lodēšanas darbu laikā vārsts jāizolē, izmantojot azbesta audumu. Regulējošajam vārstam jāatbilst iztvaicētāja veiktspējai.

Pēc galveno konstrukcijas daļu izgatavošanas darbu veikšanas iestājas atbildīgais brīdis, kad visa konstrukcija tiek salikta vienā blokā. Visatbildīgākais posms ir aukstumaģenta iesūknēšanas process vai siltumnesēja iesūknēšana sistēmā.

Šādas darbības patstāvīga veikšana diez vai ir pa spēkam vienkāršam cilvēkam. Šeit nāksies vērsties pie profesionāļiem, kas nodarbojas ar klimata iekārtu remontu un apkopi.

Šīs jomas darbiniekiem parasti ir nepieciešamais aprīkojums. Papildus aukstumaģenta uzpildei viņi var pārbaudīt sistēmas darbību. Patstāvīga aukstumaģenta iesūknēšana var izraisīt ne tikai konstrukcijas bojājumus, bet arī smagus ievainojumus. Turklāt sistēmas palaišanai arī ir nepieciešams īpašs aprīkojums.

Palaižot sistēmu, rodas maksimālā palaišanas slodze, kas parasti ir aptuveni 40 A. Tāpēc sistēmas palaišana bez palaišanas releja nav iespējama. Pēc pirmās palaišanas ir nepieciešama vārsta un aukstumaģenta spiediena regulēšana.

Aukstumaģenta izvēlei jāpieiet ar visu nopietnību. Galu galā tieši šī viela pēc būtības tiek uzskatīta par galveno lietderīgās siltumenerģijas “pārnēsātāju”. No esošajiem mūsdienu aukstumaģentiem vislielāko popularitāti bauda freoni. Tie ir ogļūdeņražu savienojumu atvasinājumi, kuros daļa oglekļa atomu tiek aizstāta ar citiem elementiem.

Siltumsūkņa atsevišķu elementu salikšanas rezultātā jāizveidojas slēgtam kontūram, pa kuru cirkulē darba vide.

Veicot šos darbus, ir izveidojusies sistēma ar slēgtu kontūru. Tajā cirkulēs aukstumaģents, nodrošinot siltumenerģijas atlasi un pārnešanu no iztvaicētāja uz kondensatoru. Pieslēdzot siltumsūkņus mājas siltumapgādes sistēmai, jāņem vērā, ka ūdens temperatūra pie kondensatora izejas nepārsniedz 50 – 60 grādus.

Sakarā ar siltumsūkņa ražotās siltumenerģijas zemo temperatūru, par siltuma patērētāju jāizvēlas specializētas apkures ierīces. Tā var būt siltā grīda vai arī tilpuma zemu inerces radiatori no alumīnija vai tērauda ar lielu izstarošanas laukumu.

Pašdarinātas siltumsūkņu versijas vispiemērotāk ir apsvērt kā palīgaprīkojumu, kas atbalsta un papildina galvenā avota darbību.

Ar katru gadu siltumsūkņu konstrukcijas pilnveidojas. Rūpnieciskajos paraugos, kas paredzēti mājsaimniecības lietošanai, tiek izmantotas efektīvākas siltuma pārneses virsmas. Rezultātā sistēmu veiktspēja pastāvīgi pieaug.

Ne mazāk svarīgs faktors, kas stimulē šādas siltumenerģijas ražošanas tehnoloģijas attīstību, ir vides komponents. Šādas sistēmas papildus tam, ka ir diezgan efektīvas, nepiesārņo vidi. Atklātas liesmas neesamība padara tās darbību pilnīgi drošu.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Video #1. Kā izgatavot vienkāršāko pašdarinātu siltumsūkni ar siltummaini no PEX caurules:

Video #2. Instrukcijas turpinājums:

Kā alternatīvas apkures sistēmas jau ilgāku laiku tiek izmantoti siltumsūkņi. Šīs sistēmas ir uzticamas, ar ilgu kalpošanas laiku un, kas ir svarīgi, nekaitīgas videi. Tās sāk nopietni apsvērt kā nākamo soli efektīvu un drošu apkures sistēmu attīstības ceļā.

Vai vēlaties uzdot jautājumu vai pastāstīt par interesantu siltumsūkņa būvēšanas veidu, kas nav minēts rakstā? Lūdzu, rakstiet komentārus zemāk esošajā blokā.