Jak vyrobit tepelné čerpadlo vzduch-voda: schémata zařízení a samostatná montáž

V souvislosti s pravidelným zvyšováním nákladů na nosiče tepla se stávají žádanými alternativní metody vytápění. Například praktické tepelné čerpadlo vzduch-voda, které k vytápění využívá energii vzduchu. Instalace nevyžaduje nákladný spotřební materiál, je pohodlná a bezpečná.

Vzhledem k nemalé ceně tovární montáže zařízení mnozí projevují zájem o vlastní sestavení tohoto systému. My vám řekneme, co bude domácí kutil potřebovat k výrobě domácího tepelného čerpadla. U nás se dozvíte, jakými technickými prostředky je třeba se zásobit.

Specifika tepelného systému vzduch-voda

Tepelné čerpadlo, kterému je věnován tento článek, má na rozdíl od jiných modifikací podobného zařízení (konkrétně voda-voda a země-voda) řadu výhod:

• šetří elektřinu;
• pro instalaci nejsou potřeba rozsáhlé zemní práce, vrtání studní, získávání zvláštních povolení;
• pokud systém připojíte k solárním panelům, můžete zajistit jeho úplnou nezávislost.

Významnou výhodou tepelného systému, který odebírá energii větru a předává ji vodě, je stoprocentní ekologická bezpečnost.

Než začnete s konstrukcí čerpadla, je nutné zjistit, v jakých případech se systém projevuje maximálně efektivně a kdy je jeho použití nevhodné.

Tepelná čerpací soustava, která získává energii z vzduchové hmoty, může být použita k ohřevu všech druhů nosičů tepla používaných na území SNS: vody, vzduchu, páry

Specifika použití a provozu

Tepelné čerpadlo pracuje produktivně výhradně v teplotním rozmezí od -5 do +7 stupňů. Při teplotě vzduchu nad +7 bude systém vyrábět více tepla, než je potřeba, a při hodnotě pod -5 stupňů nebude tepla dostatek pro vytápění. To souvisí s tím, že koncentrovaný freon v konstrukci vře při teplotě -55 stupňů.

Teoreticky může systém vyrábět teplo i při 30stupňovém mrazu, ale nebude ho dost pro vytápění, protože tepelný výkon přímo závisí na rozdílu teploty varu chladiva a teploty vzduchu.

Proto obyvatelům severních oblastí, kde nastupuje chladno dříve, tento systém nevyhovuje, zatímco v domech v jižních oblastech může efektivně sloužit několik chladných měsíců.

Pokud jsou v místnosti instalována standardní otopná tělesa, bude tepelné čerpadlo pracovat méně efektivně. Zařízení vzduch-voda se nejlépe kombinuje s konvektory a jinými radiátory s velkou plochou, stejně jako s systémy „podlahové vytápění“, „teplé stěny“ vodního typu.

Samotná místnost by měla být také dobře zateplena zvenčí, mít vestavěná vícekomorová okna, která zajišťují lepší tepelnou izolaci než běžná dřevěná nebo plastová.

Tepelné čerpadlo nejlépe spolupracuje s vodním systémem „podlahové vytápění“, který nevyžaduje ohřev teplonosné látky nad 40 – 45 °C.

Domácí tepelné čerpadlo může efektivně vytápět domy o ploše až 100 m² a zaručeně dodávat výkon 5 kW. Je třeba si uvědomit, že freon nelze dostatečně kvalitně naplnit do konstrukce vytvořené v domácích podmínkách, proto je třeba počítat s teplotou jeho varu až -22 stupňů.

Zařízení domácí montáže se skvěle hodí pro zásobování teplem garáže, skleníku, vedlejších místností, malého soukromého bazénu atd. Systém se obvykle používá jako doplňkové vytápění.

Elektrokotel nebo jiné tradiční zařízení pro topnou sezónu bude stejně potřeba. Během silných mrazů (-15 až -30 stupňů) doporučujeme tepelné čerpadlo vypnout, aby se předešlo plýtvání elektrickou energií, neboť v tomto období je jeho účinnost nejvýše 10%.

Tepelná čerpadla dodávají dostatečné množství energie pro ohřev vody v krytých soukromých bazénech (+)

Princip činnosti systému

Pracovní látkou v konstrukci je vzduch. Přes venkovní jednotku, instalovanou venku, vzduch potrubím vstupuje do výparníku, kde interaguje s chladivem.

Freon působením teploty přechází do plynného skupenství (protože se vaří již při -55 stupních) a v ohřátém stavu pod tlakem vstupuje do kompresoru. Zařízení stlačuje plyn, čímž zvyšuje jeho teplotu.

Horký freon vstupuje do okruhu akumulační nádrže (kondenzátoru), kde dochází k předání tepla vodě, kterou lze následně použít k zajištění vytápění a TUV. V kondenzátoru freon ztrácí pouze část svého tepla a stále je v plynném stavu.

Při průchodu expanzním ventilem se chladivo rozstřikuje, v důsledku čehož klesá jeho teplota. Freon se stává kapalným a v tomto stavu přechází do výparníku. Cyklus se opakuje.

Na obrázku je schematicky znázorněna realizace principu elementárního tepelného čerpadla, rozděleného kompresorem a expanzním ventilem na dva okruhy – vysokého a nízkého tlaku

Těm, kteří si chtějí sami sestavit tepelné čerpadlo z odpadových materiálů a vyřazených spotřebičů, například ze staré ledničky, pomůže informace uvedená v námi doporučeném článku.

Konstrukce tepelného čerpadla vzduch-voda

Systém tepelného čerpadla se skládá ze čtyř hlavních prvků:

• venkovní jednotky;
• nádrže výměníku-výparníku;
• bloku pro kompresor;
• akumulační nádrže (kondenzátoru).

Podívejme se na specifika konstrukce každého z bloků.

Montáž venkovní jednotky

K vytvoření venkovní jednotky budete potřebovat:

• Korpus. Tradičně se hodí blok z pod split-systému, pračky, jiného rozměrného zařízení, někdy se sestavuje samostatně pomocí přivařování kovových prvků. Důležité je po sestavení ošetřit kov antikorozní barvou práškového typu.
• Ventilátor. Výrobek lze vypůjčit ze starého fungujícího klimatizačního systému nebo zakoupit samostatně.

Model ventilátoru by měl mít široké plastové lopatky a, ideálně, s odpojitelným motorem, aby bylo možné jej připojit k senzoru.

Pro montáž venkovní jednotky bude potřeba skříň a ventilátor z klimatizačního systému. Přibližné parametry jednotky – 75x85x30 cm

Do venkovní jednotky lze nainstalovat výparník a pomocné prvky pro jeho provoz, ale je vhodnější umístit tyto díly do samostatné skříně.

Venkovní jednotka se instaluje ve vzdálenosti 2-10 m od domu. Je důležité pod ni postavit základ a umístit přístřešek, aby byla konstrukce chráněna před srážkami. Dále je nutné upevnit mřížku před ventilátorem, aby se do lopatek ventilátoru a trubek nedostaly nečistoty, odpadky, listí.

Dále je vhodné nainstalovat ohřívače, které chrání bočnice a panely před námrazou. V tomto případě nebude nutné dodatečné prohřívání skříně. Místo pro instalaci jednotky musí být dobře větrané a ve vzdálenosti od zdrojů otevřeného ohně.

Jednotka s výměníkem tepla-výparníkem

Výparník lze zakoupit hotový, využít služeb dodavatelů na internetu, nebo si ho vytvořit samostatně. K tomu bude potřeba 80litrová nádrž a měděný drát o průměru 10 mm a tloušťce nejméně 1 mm.

Délka se vypočítává individuálně s ohledem na požadovaný výkon. Pro zařízení 5 kW lze vzít 10 m. Ve výparníku bude probíhat ohřev a cirkulace freonu, stejně jako kontakt se vzduchem.

Pro vytvoření výměníku tepla je třeba zkonstruovat spirálu. K tomu se drát omotá kolem silnostěnné trubky s průměrem nepřesahujícím šířku nádrže. Je důležité ponechat konce přesahující výšku skříně. Budou potřeba pro připojení spirály k ostatním prvkům systému – kompresoru a akumulační nádrži.

Pro vytvoření spirály se měděná trubka se stěnami asi 1 mm omotá kolem plynové láhve, trubky nebo plastové láhve naplněné vodou

Do skříně se vyříznou 2 šroubení pro připojení potrubí, vytvoří se dva konektory pro výstup drátu. Spoje se utěsní. Hotovou konstrukci upevní pomocí L-profilů.

Doporučuje se dodatečně nainstalovat na výparník relé odmrazování, protože v nádrži bude probíhat cirkulace vzduchu s teplotou pod bodem mrazu. V tomto případě může kondenzát hromadící se v systému vést k namrzání výparníku. Aby se zabránilo tvorbě vlhkosti, lze do systému zavést filtr-sušič.

Pravidla instalace kompresoru

Pro instalaci kompresoru bude potřeba samostatná skříň s protihlukovou a vibroizolací, protože prakticky všechny modifikace zařízení při provozu hlučí. Kompresor lze vzít použitý z lednice, klimatizace nebo zakoupit nový model.

Pro tepelná čerpadla jsou vhodné následující typy kompresorů:

1. Rotorové kompresory jsou nejlevnější, ale mají řadu nevýhod – hlučí, mají malou účinnost a slouží 8-10 let.
2. Spirálové modifikace se instalují do všech moderních modelů klimatizací a chladniček. Jsou odolné (15-20 let), tiché, účinné, ale vyznačují se vysokou cenou.
3. Pístové modely se převážně instalují do průmyslových chladniček. Výrobky mají dobrou účinnost, jsou odolné (15-20 let), ale extrémně hlučné a drahé.

Pro tepelné čerpadlo je nutné vybrat kompresor jednofázové modifikace. Před nákupem je důležité zjistit, s jakým typem freonu zařízení pracuje. Je vhodné zakoupit model pracující s R22, lépe s R422. S chladivem tohoto typu se pracuje snadněji než s jakýmkoli jiným typem freonu.

Kompresor se propojuje trubkami s blokem výparníku a kondenzátoru. Díky zařízení freon zvyšuje svou teplotu.

Konstrukce akumulační nádrže (kondenzátoru)

Pro výrobu kondenzátoru bude potřeba těleso z 100litrového bojleru nebo jakákoli jiná nerezová nádrž stejného objemu. Dále je nutný had vyrobený z měděné trubky. Pro čerpadlo o výkonu 5 kW lze použít 12metrový drát. Trubkou hadu bude procházet horký freon, díky čemuž dochází k ohřevu vody.

Krok č. 1: Vytvoření hadu

Pro výrobu hadu bude potřeba měděný drát o průměru nejméně 26 mm a tloušťce stěny od 1 mm. Je třeba jej navinout na trubku s menším průřezem, než má nádrž.

Výška spirály by se měla shodovat s výškou tělesa. Je důležité ponechat vývody trubky mimo nádrž, aby bylo možné had připojit k výparníku a kompresoru.

Krok č. 2: Příprava tělesa

Pro instalaci hadu je nutné nádrž rozříznout. Nahoře a dole bude třeba vytvořit otvory pro vývody měděného drátu a také vyříznout další oddíly pro instalaci 2 fitinků, z nichž jeden je určen pro výstup vody a druhý pro její vstup. Po provedených úkonech je třeba nádrž utěsnit.

Tepelný výměník-kompresor lze zakoupit samostatně jako hotovou konstrukci. Pomocí zařízení z tovární montáže lze zvýšit výkon a účinnost zařízení.

Chladivo s označením R22 má být podle Montrealských nařízení do roku 2030 vyřazeno z oběhu. Pro naplnění systému je lepší použít jeho náhradu – chladivo R422

Spojení venkovní jednotky s výparníkem

Pro spojení venkovní jednotky a výparníku bude potřeba vést 2 polyethylenové trubky PND 32. Jednou trubkou bude vzduch procházet, druhou bude vycházet.

Trubky lze zakopat do země, po předchozím dosypání jakéhokoli písčitého materiálu do výkopu, nebo je ponechat na povrchu, pokud je venkovní těleso umístěno nedaleko od domu.

Spojení výparníku, kompresoru a nádrže

V tomto systému cirkuluje freon. Pro připojení spirál s kompresorem a škrtícím ventilem je nutné obrátit se na specialisty v oboru chladicí techniky. Člověku bez zkušeností s pájecími pracemi, i při dostupnosti nástrojů a materiálů, bude obtížné správně spojit všechny prvky do jednoho systému, aby byla zajištěna funkce konstrukce.

Navíc bude potřeba mnoho dalších materiálů – trubek různých průměrů, různých modifikací odvodňovacích ventilů, ventilů pro odvzdušnění, pojistných ventilů, dále také spon na trubky, svorek, řezaček trubek pro řezání úseků potrubí.

Budou potřeba i další specializovaná zařízení, která jsou k dispozici v každé dílně na opravu ledniček a klimatizací.

Kvalitní plnění freonem se rovněž provádí pomocí speciálního vybavení. Proto je pro spojení výměníků tepla, kompresoru a škrtícího ventilu do funkčního systému výhodnější a pohodlnější obrátit se na odborníky.

Zavedení řídicích systémů zařízení

Pro sledování tlaku a teploty freonu lze použít desku s displejem z jakékoli klimatizace. Během pájecích prací s pomocí odborníků lze konstrukci správně začlenit do zařízení.

Rovněž je možné připojit speciální zařízení – snímač otáček ventilátoru. Ten reguluje rychlost otáčení lopatek a také automatizuje otáčky oběhového čerpadla freonu.

Dodatečně lze nainstalovat časovač, elektrický spouštěč, zařízení chránící kompresor před přehřátím. Všechny tyto díly lze zakoupit v opravnách nebo na trhu s náhradními díly.

Výpočet výkonu tepelného čerpadla vzduch-voda

Pro vytápění místnosti o ploše od 100 m² bude zapotřebí tepelné čerpadlo s vyšším výkonem. Potřebný výkon zařízení lze přibližně vypočítat pomocí tabulky:

Údaje v tabulce pomohou vypočítat plochu spirály pro vytvoření zařízení o daném výkonu

Aby bylo možné určit, jaký výkon by měl mít kompresor, jaké průměry trubek použít a další důležité údaje při konstrukci tepelného čerpadla vzduch-voda, je třeba se obrátit na jeden z následujících způsobů:

• Použít online kalkulačky umístěné na stránkách výrobců výměníků tepla.
• Použít software CoolPack 1,46, Copeland.
• Pozvat odborníka, který provede potřebná měření a výpočty.

Plochu spirály kondenzátoru (PZK) lze vypočítat podle vzorce:

PZK = M/0,8DT,

kde M je výkon zařízení v kW; 0,8 je součinitel tepelné vodivosti při kontaktu vody a mědi; DT je rozdíl teplot mezi vstupujícím a vystupujícím vzduchem v systému.

Parametry tepelného čerpadla uvedené výše budou vhodné pro místnost do 100 m². Výkon zařízení – 5 kW. Pokud si pořídíte speciální výměníky tepla, je možné zvýšit výkon zařízení až na 10-15 kW.

Na obrázku je znázorněn systém, ve kterém jsou výměníky tepla, kompresor a škrticí ventil spojeny v jedné nádrži. V konstrukci jsou použity tovární výměníky tepla (+).

Údržba domácího zařízení

Pro kvalitní provoz potřebuje tepelné čerpadlo dodatečnou údržbu. Pokud zařízení používáte v zimě (s ohledem na to, že v krytu není instalováno přídavné vytápění), bude nutné blok pravidelně odmrazovat, protože se na jeho povrchu bude tvořit ledová krusta.

Rovněž je nutné pravidelně:

• Čistit lopatky ventilátoru od nečistot – listí, prachu, špíny, sněhu atd.
• Provádět mazání kompresoru podle jeho návodu.
• Měnit olej v kompresoru a ventilátoru.

Kromě toho je pro normální fungování systému nutné pravidelně kontrolovat neporušenost měděného potrubí, silového kabelu napájejícího kompresor, ventilátor a další zařízení.

Závěry a užitečné video k tématu

S principem činnosti a zařízením tepelného čerpadla zpracovávajícího energii větru vás seznámí následující video:

Vlastnoručně vyrobené tepelné čerpadlo systému vzduch-voda je jedním z účinných a levných zařízení pro dodatečné vytápění domácnosti. Vyrobit a nainstalovat tento systém může každý, kdo má zájem.

Pište prosím komentáře do bloku níže. Možná máte zajímavé informace a fotografie k tématu článku? Pokládejte otázky, sdílejte svůj vlastní názor a rady užitečné pro návštěvníky webu.