Jak vyrobit tepelné čerpadlo pro vytápění domu svépomocí: princip fungování a schémata montáže

První varianty tepelných čerpadel mohly pouze částečně uspokojit potřeby tepelné energie. Moderní typy jsou účinnější a mohou být použity pro topné systémy. Právě proto se mnoho majitelů domů pokouší sestavit tepelné čerpadlo svépomocí.

Vysvětlíme, jak vybrat optimální variantu tepelného čerpadla s ohledem na geodata pozemku, na kterém se plánuje instalovat. V článku je podrobně popsán princip činnosti systémů využívajících “zelenou energii” a jsou uvedeny rozdíly. S našimi radami se bezpochyby rozhodnete pro účinný typ.

Pro zdatné kutily uvádíme technologii montáže tepelného čerpadla. Předložené informace doplňují názorná schémata, výběr fotografií a podrobný video návod ve dvou částech.

Co je tepelné čerpadlo a jak funguje?

Pod pojmem tepelné čerpadlo se rozumí sada určitého zařízení. Hlavní funkcí tohoto zařízení je sběr tepelné energie a její přeprava ke spotřebiteli. Zdrojem takové energie může být jakékoli těleso nebo prostředí o teplotě +1 °C a více.

V našem okolí je dostatek zdrojů nízkoteplotního tepla. Jsou to průmyslové odpady podniků, tepelných a jaderných elektráren, kanalizační odpadní vody atd. Pro provoz tepelných čerpadel v oblasti vytápění domu jsou zapotřebí tři samostatně se obnovující přírodní zdroje – vzduch, voda, země.

Tepelná čerpadla “čerpají” energii z procesů, které pravidelně probíhají v životním prostředí. Průběh procesů nikdy nekončí, proto jsou zdroje podle lidských měřítek považovány za nevyčerpatelné.

Tři uvedení potenciální dodavatelé energie jsou přímo spojeni s energií slunce, které svým ohřevem uvádí do pohybu vzduch s větrem a předává tepelnou energii zemi. Právě výběr zdroje je hlavním kritériem, podle kterého se klasifikují systémy tepelných čerpadel.

Princip činnosti tepelných čerpadel je založen na schopnosti těles nebo prostředí předávat tepelnou energii jinému tělesu nebo prostředí. Příjemci a dodavatelé energie v systémech tepelných čerpadel obvykle pracují v páru.

Takto rozlišujeme následující typy tepelných čerpadel:

• Vzduch – voda.
• Země – voda.
• Voda – vzduch.
• Voda – voda.
• Země – vzduch.
• Voda – voda
• Vzduch – vzduch.

První slovo přitom určuje typ prostředí, ze kterého systém odebírá nízkoteplotní teplo. Druhé označuje druh nosiče, kterému je tato tepelná energie předávána. Například u tepelných čerpadel voda – voda se teplo odebírá z vodního prostředí a jako teplonosné médium se používá kapalina.

Tepelná čerpadla jsou podle konstrukčního typu parokompresní zařízení. Odebírají teplo z přírodních zdrojů, zpracovávají je a dopravují ke spotřebitelům (+)

Moderní tepelná čerpadla využívají tři hlavní zdroje tepelné energie. Těmi jsou – země, voda a vzduch. Nejjednodušší z těchto možností je vzduchové tepelné čerpadlo. Obliba těchto systémů souvisí s jejich poměrně jednoduchou konstrukcí a snadnou instalací.

Nicméně navzdory této oblibě mají tyto varianty poměrně nízký výkon. K tomu je jejich účinnost nestabilní a závislá na sezónních výkyvech teplotního režimu.

S poklesem teploty jejich výkon výrazně klesá. Tyto varianty tepelných čerpadel lze považovat za doplněk ke stávajícímu hlavnímu zdroji tepelné energie.

Varianty zařízení využívajícího teplo zeminy jsou považovány za efektivnější. Zemina přijímá a akumuluje tepelnou energii nejen od Slunce, je neustále ohřívána energií zemského jádra.

To znamená, že zemina je jakýmsi tepelným akumulátorem, jehož výkon je prakticky neomezený. Navíc teplota zeminy, zejména v určité hloubce, je stálá a pohybuje se v nepatrných mezích.

Oblast použití energie vyráběné tepelnými čerpadly:

Stálost teploty zdroje je důležitým faktorem stabilního a efektivního provozu tohoto typu energetického zařízení. Podobnými vlastnostmi disponují systémy, ve kterých je vodní prostředí hlavním zdrojem tepelné energie. Kolektor takových čerpadel se umisťuje buď do vrtu, kde se nachází ve vodonosné vrstvě, nebo do vodní nádrže.

Průměrná roční teplota takových zdrojů, jako je zemina a voda, se pohybuje od +7 °C do +12 °C. Tato teplota je zcela dostačující k zajištění efektivního provozu systému.

Nejefektivnější jsou považována tepelná čerpadla, která získávají tepelnou energii ze zdrojů se stabilními teplotními ukazateli, tj. z vody a zeminy

Základní konstrukční prvky tepelných čerpadel

Aby zařízení na získávání energie fungovalo podle principů tepelného čerpadla, musí jeho konstrukce obsahovat 4 základní agregáty, a to:

• Kompresor.
• Výparník.
• Kondenzátor.
• Expanzní ventil.

Důležitým konstrukčním prvkem tepelného čerpadla je kompresor. Jeho hlavní funkcí je zvyšování tlaku a teploty par vznikajících v důsledku varu chladiva. Pro klimatizační techniku a tepelná čerpadla se používají zejména moderní spirálové kompresory.

Jako pracovní látka, která zajišťuje přímý přenos tepelné energie, se používají kapaliny s nízkým bodem varu. Obvykle se používá amoniak a freony (+)

Tyto kompresory jsou určeny pro provoz při teplotách pod nulou. Na rozdíl od jiných typů produkují spirálové kompresory málo hluku a fungují jak při nízkých teplotách varu plynu, tak při vysokých teplotách kondenzace. Nespornou výhodou jsou jejich kompaktní rozměry a nízká měrná hmotnost.

Prakticky veškerá energie tepelného čerpadla je vynakládána na přepravu tepelné energie zvenčí dovnitř místnosti. Na provoz systémů je tedy potřeba asi 1 energetická jednotka při výrobě 4 – 6 jednotek (+)

Výparník jako konstrukční prvek představuje nádobu, ve které dochází k přeměně kapalného chladiva na páru. Chladivo cirkulující v uzavřeném okruhu prochází výparníkem. V něm se chladivo ohřívá a mění se v páru. Vznikající pára je pod nízkým tlakem směrována ke kompresoru.

V kompresoru jsou páry chladiva vystaveny působení tlaku a jejich teplota stoupá. Kompresor přečerpává pod velkým tlakem ohřátou páru ke kondenzátoru.

Kompresor stlačuje médium cirkulující v okruhu, v důsledku čehož se zvyšuje jeho teplota a tlak. Poté stlačené médium vstupuje do výměníku tepla (kondenzátoru), kde se ochlazuje a předává teplo vodě nebo vzduchu.

Dalším konstrukčním prvkem systému – je kondenzátor. Jeho funkcí je předávání tepelné energie vnitřnímu okruhu topného systému.

Sériové výrobky vyráběné průmyslovými podniky jsou vybaveny deskovými výměníky tepla. Hlavním materiálem pro takové kondenzátory je legovaná ocel nebo měď.

Pro vlastní výrobu výměníku tepla se hodí měděná trubka o průměru půl palce. Tloušťka stěn trubek používaných k výrobě výměníku tepla by měla být nejméně 1 mm.

Termoregulační, neboli škrticí ventil se instaluje na začátku té části hydraulického okruhu, kde se cirkulující médium o vysokém tlaku přeměňuje na médium s nízkým tlakem. Přesněji řečeno, škrtící ventil ve dvojici s kompresorem rozděluje okruh tepelného čerpadla na dvě části: jednu s vysokými parametry tlaku, druhou – s nízkými.

Při průchodu expanzním škrtícím ventilem se kapalina cirkulující v uzavřeném okruhu částečně odpařuje, v důsledku čehož klesá tlak i teplota. Poté vstupuje do výměníku tepla, který je v kontaktu s okolním prostředím. Tam zachycuje energii prostředí a přenáší ji zpět do systému.

Pomocí škrtícího ventilu se reguluje průtok chladiva směrem k výparníku. Při výběru ventilu je třeba zohlednit parametry systému. Ventil musí těmto parametrům odpovídat.

Při průchodu termoregulačním ventilem se kapalné teplonosné médium částečně odpařuje a teplota proudu klesá (+)

Výběr typu tepelného čerpadla

Hlavním ukazatelem tohoto vytápěcího systému je výkon. Na výkonu budou především záviset finanční náklady na nákup zařízení a volba toho či onoho zdroje nízkoteplotního tepla. Čím vyšší je výkon systému tepelného čerpadla, tím vyšší je cena komponentů.

V první řadě se jedná o výkon kompresoru, hloubku vrtů pro geotermální sondy nebo plochu pro umístění horizontálního kolektoru. Správné termodynamické výpočty jsou jakousi zárukou, že systém bude efektivně fungovat.

Při přítomnosti vodní plochy v blízkosti soukromého pozemku bude nejrentabilnější a nejvýkonnější volbou tepelné čerpadlo voda-voda

Nejprve je třeba prostudovat pozemek, který je plánován pro instalaci čerpadla. Ideální podmínkou bude přítomnost vodní plochy na tomto pozemku. Použití varianty typu voda-voda výrazně sníží objem zemních prací.

Využití tepla země naopak vyžaduje velké množství prací spojených s výkopem zeminy. Systémy, které jako nízkopotenciální teplo využívají vodní prostředí, jsou považovány za nejefektivnější.

Zařízení tepelného čerpadla, které získává tepelnou energii z půdy, vyžaduje provedení značného množství zemních prací. Kolektor se ukládá pod úroveň sezónního zamrzání.

Tepelnou energii půdy lze využít dvěma způsoby. První zahrnuje vrtání studní o průměru 100-168 mm. Hloubka těchto vrtů může v závislosti na parametrech systému dosahovat 100 m a více.

Do těchto vrtů se umísťují speciální sondy. Při druhém způsobu se používá kolektor z trubek. Tento kolektor je umístěn pod zemí v horizontální rovině. Pro tuto variantu je potřeba dostatečně velká plocha.

Pro pokládku kolektoru jsou ideální plochy s vlhkou půdou. Samozřejmě, vrtání studní vyjde dráž než horizontální umístění kolektoru. Nicméně ne každý pozemek má volné plochy. Na jeden kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 30 až 50 m² plochy.

Stavba pro odběr tepelné energie pomocí jedné hluboké studny může vyjít o něco levněji než hloubení jámy. Ale výraznou výhodou je výrazná úspora místa, což je důležité pro majitele malých pozemků.

V případě, že se na pozemku nachází vysoce uložená hladina podzemní vody, lze tepelné výměníky umístit do dvou studní vzdálených od sebe asi 15 m.

Odběr tepelné energie v těchto systémech probíhá čerpáním podzemní vody v uzavřeném okruhu, jehož části jsou umístěny ve studních. Tento systém potřebuje instalaci filtru a pravidelné čištění výměníku tepla.

Nejjednodušší a nejlevnější schéma tepelného čerpadla je založeno na získávání tepelné energie ze vzduchu. Kdysi se stalo základem pro zařízení chladniček, později byly podle jeho principů vyvinuty klimatizace.

Nejjednodušší tepelné čerpadlo získává energii z vzdušné hmoty. V létě se podílí na vytápění, v zimě na klimatizaci. Nevýhodou systému je, že při vlastní výrobě má jednotka nedostatečný výkon.

Účinnost různých typů tohoto zařízení není stejná. Nejnižší hodnoty mají čerpadla využívající vzduchové prostředí. Navíc tyto hodnoty přímo závisí na povětrnostních podmínkách.

Pozemní typy tepelných čerpadel mají stabilní hodnoty. Koeficient účinnosti těchto systémů se pohybuje v rozmezí 2,8–3,3. Nejvyšší účinnost mají systémy voda-voda. To souvisí především se stabilitou teploty zdroje.

Je třeba poznamenat, že čím hlouběji je kolektor čerpadla umístěn ve vodní nádrži, tím stabilnější bude teplota. K dosažení výkonu systému 10 kW je potřeba asi 300 metrů potrubí.

Hlavním parametrem charakterizujícím účinnost tepelného čerpadla je jeho transformační koeficient. Čím vyšší je transformační koeficient, tím je tepelné čerpadlo považováno za účinnější.

Transformační koeficient tepelného čerpadla se vyjadřuje jako poměr hodnot tepelného toku a elektrického výkonu spotřebovaného kompresorem.

Sestavení tepelného čerpadla svépomocí

Když znáte schéma činnosti a konstrukci tepelného čerpadla, je docela možné sestavit a namontovat sami systém alternativního vytápění. Před zahájením prací je nutné vypočítat všechny hlavní parametry budoucího systému. Pro výpočet parametrů budoucího čerpadla můžete použít software určený k optimalizaci chladicích systémů.

Nejjednodušší variantou na stavbu je systém vzduch-voda. Nevyžaduje složité práce na uspořádání vnějšího okruhu, který je vlastní vodním a zemním typům tepelných čerpadel. K montáži budou potřeba pouze dva kanály, jedním bude přiváděn vzduch, druhým odváděn odpadní vzduch.

Nejjednodušší je vlastníma rukama zařídit tepelné čerpadlo s odebíráním tepla z vzdušné hmoty. Venku instalovaný ventilátor vhání vzduch k výparníku.

Kromě ventilátoru je nutné si opatřit kompresor potřebného výkonu. Pro takové zařízení se docela hodí kompresor, kterým jsou vybaveny běžné split-systémy. Není nutné kupovat nové zařízení.

Lze jej sejmout ze starého zařízení nebo použít součástky staré lednice. Je vhodné použít spirálový typ. Tyto varianty kompresorů kromě dostatečné účinnosti vytvářejí vysoký tlak, který zajišťuje zvýšení teploty.

Pro zařízení kondenzátoru bude potřeba nádoba a měděná trubka. Z trubky se udělá spirála. K její výrobě se použije jakékoliv válcové těleso potřebného průměru. Navinutím měděné trubky na něj lze snadno a rychle vyrobit tento konstrukční prvek.

Hotová spirála se montuje do předem rozpůlené nádoby. K výrobě nádoby je lepší použít materiály odolné vůči korozi. Po vložení spirály se půlky nádrže svaří.

Plocha spirály se vypočítá podle následujícího vzorce:

MT/0,8 RT,

kde:

• MT – výkon tepelné energie, kterou systém vydává.
• 0,8 – součinitel tepelné vodivosti při interakci vody s materiálem spirály.
• RT – rozdíl teplot vody na vstupu a na výstupu.

Při výběru měděné trubky pro vlastní výrobu spirály je třeba věnovat pozornost tloušťce stěn. Měla by být alespoň 1 mm. V opačném případě se trubka při navíjení deformuje. Trubka, kterou se přivádí chladivo, je umístěna v horní části nádoby.

Výměník tepla z měděné trubky se vyrábí navíjením měděné trubky na předmět válcového tvaru. Čím větší je plocha povrchu spirály, tím vyšší je výkon čerpadla.

Výparník tepelného čerpadla lze provést ve dvou variantách – jako nádobu s umístěnou spirálou a jako trubku v trubce. Vzhledem k tomu, že teplota kapaliny ve výparníku je nízká, lze nádobu vyrobit z plastového sudu. Do této nádoby se umístí okruh, který je vyroben z měděné trubky.

Na rozdíl od kondenzátoru musí spirála výparníku odpovídat průměru a výšce zvolené nádoby. Druhá varianta výparníku: trubka v trubce. V této variantě je trubka s chladivem umístěna v plastové trubce většího průměru, kterou cirkuluje voda.

Délka takové trubky závisí na plánovaném výkonu čerpadla. Může být od 25 do 40 metrů. Taková trubka se svinuje do spirály.

Termoregulační ventil patří k uzavírací a regulační armatuře potrubí. Jako uzavírací prvek v TRV se používá jehla. Poloha uzavíracího prvku ventilu je určena teplotou ve výparníku.

Tento důležitý prvek systému má poměrně složitou konstrukci. Jeho součástí jsou:

• Termočlánek.
• Membrána.
• Kapilární trubka.
• Termobalon.

Tyto prvky mohou při vysoké teplotě selhat. Proto by měl být ventil během pájení systému izolován pomocí azbestové tkaniny. Regulační ventil musí odpovídat výkonu výparníku.

Po provedení prací na výrobě hlavních konstrukčních částí nastává zodpovědný okamžik montáže celé konstrukce do jednoho bloku. Nejzodpovědnějším krokem je proces plnění chladiva nebo teplonosné látky do systému.

Samostatné provedení takové operace pravděpodobně není v silách běžného člověka. Zde se budete muset obrátit na profesionály, kteří se zabývají opravou a údržbou klimatizačních zařízení.

Pracovníci v této oblasti mají obvykle potřebné vybavení. Kromě plnění chladiva mohou také otestovat chod systému. Samostatné plnění chladiva může vést nejen k poškození konstrukce, ale také k vážným zraněním. Kromě toho je pro spuštění systému také zapotřebí speciální vybavení.

Při spouštění systému dochází ke špičkovému startovacímu proudu, který činí zpravidla asi 40 A. Proto není možné spustit systém bez startovacího relé. Po prvním spuštění je nutné seřízení ventilu a tlaku chladiva.

K výběru chladiva je třeba přistupovat s veškerou vážností. Vždyť právě tato látka je v podstatě považována za hlavního “nosiče” užitečné tepelné energie. Z existujících moderních chladiv jsou nejoblíbenější freony. Jsou to deriváty uhlovodíkových sloučenin, ve kterých je část atomů uhlíku nahrazena jinými prvky.

V důsledku sestavení jednotlivých prvků tepelného čerpadla musí vzniknout uzavřený okruh, ve kterém cirkuluje pracovní médium.

V důsledku provedení těchto prací vznikla soustava s uzavřeným okruhem. V něm bude cirkulovat chladivo, zajišťující odběr a přenos tepelné energie z výparníku do kondenzátoru. Při připojování tepelných čerpadel k systému vytápění domu je třeba zohlednit, že teplota vody na výstupu z kondenzátoru nepřesahuje 50 – 60 stupňů.

Vzhledem k nízké teplotě tepelné energie vyráběné tepelným čerpadlem je třeba jako spotřebič tepla volit specializovaná topná tělesa. Může to být podlahové vytápění nebo objemné nízkoteplotní radiátory z hliníku nebo oceli s velkou vyzařovací plochou.

Domácí varianty tepelných čerpadel je nejvhodnější považovat za pomocné zařízení, které podporuje a doplňuje činnost hlavního zdroje.

Každým rokem se konstrukce tepelných čerpadel zdokonalují. U průmyslových vzorů určených pro domácí použití se používají účinnější teplosměnné plochy. Výsledkem je neustálý růst výkonu systémů.

Nezanedbatelným faktorem, který stimuluje rozvoj této technologie výroby tepelné energie, je ekologická složka. Tyto systémy jsou kromě své účinnosti také šetrné k životnímu prostředí. Absence otevřeného plamene činí jejich provoz zcela bezpečným.

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Jak vyrobit nejjednodušší domácí tepelné čerpadlo s výměníkem tepla z PEX trubky:

Video #2. Pokračování instruktáže:

Jako alternativní systémy vytápění se již dlouho používají tepelná čerpadla. Tyto systémy jsou spolehlivé, mají dlouhou životnost a, což je důležité, jsou šetrné k životnímu prostředí. Začínají být vážně považována za další krok na cestě k vývoji účinných a bezpečných topných systémů.

Chcete položit otázku nebo popsat zajímavý způsob stavby tepelného čerpadla, který není v článku uveden? Napište prosím komentář do bloku níže.