Kaip pasidaryti šilumos siurblį namų šildymui savo rankomis: veikimo principas ir surinkimo schemos

Pirmieji šilumos siurblių variantai galėjo tik iš dalies patenkinti šiluminės energijos poreikius. Šiuolaikinės atmainos yra efektyvesnės ir gali būti naudojamos šildymo sistemose. Būtent todėl daugelis namų savininkų bando savo rankomis sumontuoti šilumos siurblį.

Mes papasakosime, kaip pasirinkti optimalų šilumos siurblio variantą atsižvelgiant į sklypo, kuriame jį planuojama įrengti, geodezinius duomenis. Siūlomame straipsnyje išsamiai aprašytas sistemų, naudojančių “žaliąją energiją”, veikimo principas, išvardyti skirtumai. Atsižvelgdami į mūsų patarimus, jūs neabejotinai apsispręsite už efektyvų tipą.

Savitoms meistrams pateikiame šilumos siurblio surinkimo technologiją. Pateiktą informaciją papildo vaizdinės schemos, nuotraukų rinkiniai ir išsamus vaizdo instruktažas, sudarytas iš dviejų dalių.

Kas yra šilumos siurblys ir kaip jis veikia?

Sąvoka šilumos siurblys reiškia tam tikros įrangos rinkinį. Pagrindinė šios įrangos funkcija yra šiluminės energijos surinkimas ir jos transportavimas vartotojui. Tokios energijos šaltiniu gali būti bet koks kūnas ar terpė, kurios temperatūra yra nuo +1° ir aukštesnė.

Mus supančioje aplinkoje žemos temperatūros šilumos šaltinių yra daugiau nei pakankamai. Tai pramoninės įmonių atliekos, šiluminės ir atominės elektrinės, kanalizacijos nuotakai ir kt. Šilumos siurblių darbui namo šildymo srityje reikia trijų savarankiškai atsinaujinančių gamtinių šaltinių – oro, vandens, žemės.

Šilumos siurbliai “semia” energiją iš procesų, kurie reguliariai vyksta aplinkoje. Procesai niekada nesibaigia, todėl šaltiniai pagal žmogiškuosius kriterijus laikomi neišsemiamais.

Trys išvardyti potencialūs energijos tiekėjai yra tiesiogiai susiję su saulės energija, kuri šildydama pajudina orą su vėju ir perduoda šiluminę energiją žemei. Būtent šaltinio pasirinkimas yra pagrindinis kriterijus, pagal kurį klasifikuojamos šilumos siurblių sistemos.

Šilumos siurblių veikimo principas grindžiamas kūnų ar terpių gebėjimu perduoti šiluminę energiją kitam kūnui ar terpei. Energijos gavėjai ir tiekėjai šilumos siurblių sistemose paprastai dirba poromis.

Taigi skiriami šie šilumos siurblių tipai:

• Oras – vanduo.
• Žemė – vanduo.
• Vanduo – oras.
• Vanduo – vanduo.
• Žemė – oras.
• Vanduo – vanduo
• Oras – oras.

Pirmas žodis apibrėžia terpės tipą, iš kurios sistema atima žemos temperatūros šilumą. Antrasis nurodo nešiklio tipą, kuriam ši šiluminė energija perduodama. Taigi, šilumos siurbliuose vanduo – vanduo, šiluma atimama iš vandeninės terpės, o kaip šilumnešis naudojamas skystis.

Šilumos siurbliai pagal konstrukcijos tipą yra garo kompresiniai įrenginiai. Jie išgauna šilumą iš gamtinių šaltinių, apdoroja ir transportuoja ją vartotojams (+)

Šiuolaikiniai šilumos siurbliai naudoja tris pagrindinius šiluminės energijos šaltinius. Tai – dirvožemis, vanduo ir oro terpė. Paprasčiausias iš šių variantų – oro šilumos siurblys. Tokių sistemų populiarumas susijęs su gana nesudėtinga jų konstrukcija ir montavimo paprastumu.

Tačiau nepaisant tokio populiarumo, šios atmainos turi gana mažą našumą. Be to, naudingumo koeficientas yra nestabilus ir priklausomas nuo sezoninių temperatūros režimo svyravimų.

Mažėjant temperatūrai, jų našumas žymiai krenta. Tokius šilumos siurblių variantus galima laikyti papildymu prie turimo pagrindinio šiluminės energijos šaltinio.

Įrenginių, naudojančių dirvos šilumą, variantai laikomi efektyvesniais. Dirva gauna ir kaupia šiluminę energiją ne tik nuo Saulės, ji nuolat šildoma Žemės branduolio energija.

Tai yra, dirva yra savotiškas šiluminis akumuliatorius, kurio galia praktiškai neribota. Be to, dirvos temperatūra, ypač tam tikrame gylyje, yra pastovi ir svyruoja nežymiais intervalais.

Šilumos siurblių gaminamos energijos taikymo sritis:

Šaltinio temperatūros pastovumas yra svarbus veiksnys, užtikrinantis stabilų ir efektyvų šio tipo energetikos įrangos darbą. Analoginėmis charakteristikomis pasižymi sistemos, kuriose vandens aplinka yra pagrindinis šiluminės energijos šaltinis. Tokių siurblių kolektorius įrengiamas arba gręžinyje, kur jis patenka į vandeningą sluoksnį, arba vandens telkinyje.

Vidutinė metinė tokių šaltinių kaip dirva ir vanduo temperatūra svyruoja nuo +7º iki +12º C. Tokios temperatūros visiškai pakanka efektyviam sistemos darbui užtikrinti.

Efektyviausiais laikomi šilumos siurbliai, išgaunantys šiluminę energiją iš šaltinių su stabiliomis temperatūros rodikliais, t. y. iš vandens ir dirvos.

Pagrindiniai šilumos siurblių konstrukcijos elementai

Tam, kad energijos gavimo įrenginys veiktų pagal šilumos siurblio veikimo principus, jo konstrukcijoje turi būti 4 pagrindiniai agregatai, tai:

• Kompresorius.
• Garintuvas.
• Kondensatorius.
• Droselinis vožtuvas.

Svarbus šilumos siurblio konstrukcijos elementas yra kompresorius. Pagrindinė jo funkcija – didinti slėgį ir temperatūrą garų, susidarančių verdant šaldymo agentui. Klimato technikoje ir ypač šilumos siurbliuose naudojami modernūs spiraliniai kompresoriai.

Kaip darbinis kūnas, tiesiogiai pernešantis šiluminę energiją, naudojami žemos virimo temperatūros skysčiai. Paprastai naudojamas amoniakas ir freonai (+)

Tokie kompresoriai yra skirti eksploatuoti esant minusinėms temperatūroms. Skirtingai nuo kitų rūšių, spiraliniai kompresoriai kelia mažai triukšmo ir veikia tiek esant žemai dujų virimo temperatūrai, tiek esant aukštai kondensacijos temperatūrai. Neginčijamu pranašumu laikomi jų kompaktiški matmenys ir mažas savitasis svoris.

Praktiškai visa šilumos siurblio energija sunaudojama šiluminei energijai pernešti iš lauko į patalpą. Taigi sistemų darbui tenka apie 1 energijos vienetą, gaminant 4 – 6 vienetus (+)

Garinimo įrenginys kaip konstrukcinis elementas yra talpa, kurioje skystasis šaltnešis virsta garais. Šaltnešis, cirkuliuodamas uždaru kontūru, eina per garinimo įrenginį. Jame šaltnešis įkaista ir virsta garais. Susidarę garai esant žemam slėgiui nukreipiami į kompresoriaus pusę.

Kompresoriuje šaltnešio garai veikiami slėgio ir jų temperatūra pakyla. Kompresorius dideliu slėgiu perpumpuoja įkaitintus garus į kondensatoriaus pusę.

Kompresorius suspaudžia kontūru cirkuliuojančią terpę, dėl ko pakyla jos temperatūra ir slėgis. Tada suspausta terpė patenka į šilumokaičio (kondensatoriaus) dalį, kur atvėsta, perduodama šilumą vandeniui arba orui.

Kitas sistemos konstrukcinis elementas – kondensatorius. Jo funkcija yra atiduoti šiluminę energiją šildymo sistemos vidiniam kontūrui.

Serijiniai pramonės įmonių gaminami pavyzdžiai yra aprūpinti plokšteliniais šilumokaičiais. Pagrindinė tokių kondensatorių medžiaga yra legiruotasis plienas arba varis.

Savarankiškai gaminant šilumokaitį tinka pusės colio skersmens varinis vamzdelis. Vamzdelių, naudojamų šilumokaičiui gaminti, sienelių storis turi būti ne mažesnis kaip 1 mm.

Termoreguliacinis, kitaip droselinis, vožtuvas montuojamas tos hidraulinio kontūro dalies pradžioje, kur aukšto slėgio cirkuliuojanti terpė paverčiama žemo slėgio terpe. Tiksliau, droselis kartu su kompresoriumi dalija šilumos siurblio kontūrą į dvi dalis: vieną su aukštais slėgio parametrais, kitą – su žemais.

Praeinant pro plėtimosi droselinį vožtuvą, uždara grandine cirkuliuojantis skystis iš dalies išgaruoja, dėl to slėgis ir temperatūra krenta. Tada patenka į šilumokaitį, kuris jungiasi su aplinka. Ten jis perima aplinkos energiją ir perneša ją atgal į sistemą.

Droseliniu vožtuvu reguliuojamas šaltnešio srautas į garintuvą. Renkantis vožtuvą reikia atsižvelgti į sistemos parametrus. Vožtuvas turi atitikti šiuos parametrus.

Praeinant pro šiluminį reguliavimo vožtuvą, skystas šilumnešis iš dalies išgaruoja, o srauto temperatūra sumažėja (+)

Šilumos siurblio tipo pasirinkimas

Pagrindinis šios šildymo sistemos rodiklis yra galia. Nuo galios pirmiausia priklausys ir finansinės išlaidos įrangos įsigijimui bei vieno ar kito žemos temperatūros šilumos šaltinio pasirinkimui. Kuo didesnė šilumos siurblio sistemos galia, tuo didesnė komponentų kaina.

Pirmiausia turima omenyje kompresoriaus galia, gręžinių gylis geoterminiams zondams arba plotas horizontaliam kolektoriui įrengti. Tikslūs termodinaminiai skaičiavimai yra tam tikra garantija, kad sistema veiks efektyviai.

Jei šalia asmeninio sklypo yra vandens telkinys, pelningiausias ir produktyviausias pasirinkimas bus šilumos siurblys vanduo-vanduo

Pradžioje reikėtų išnagrinėti sklypą, kuriame planuojama sumontuoti siurblį. Ideali sąlyga būtų, jei šiame sklype yra vandens telkinys. Naudojant vanduo-vanduo tipo variantą žymiai sumažės žemės darbų apimtis.

Žemės šilumos naudojimas priešingai reikalauja daug darbų, susijusių su grunto iškasimu. Sistemos, kurios kaip žemo potencialo šilumą naudoja vandens aplinką, laikomos efektyviausiomis.

Šilumos siurblio, išgaunančio šiluminę energiją iš grunto, įrengimas reikalauja didelio kiekio žemės darbų. Kolektorius įrengiamas žemiau sezoninio įšalimo lygio.

Grunto šiluminę energiją galima naudoti dviem būdais. Pirmasis apima gręžinių, kurių skersmuo 100-168 mm, gręžimą. Tokių gręžinių gylis, priklausomai nuo sistemos parametrų, gali siekti 100 m ir daugiau.

Į šiuos gręžinius dedami specialūs zondai. Antruoju būdu naudojamas kolektorius iš vamzdžių. Toks kolektorius įrengiamas po žeme horizontalioje plokštumoje. Šiam variantui reikalingas pakankamai didelis plotas.

Kolektoriaus įrengimui idealūs laikomi drėgno grunto sklypai. Natūralu, kad gręžinių gręžimas kainuos brangiau nei horizontalus kolektoriaus išdėstymas. Tačiau ne kiekviename sklype yra laisvų plotų. Vienam šilumos siurblio galios kW reikia nuo 30 iki 50 m² ploto.

Šiluminės energijos paėmimo įrenginys su vienu giliu gręžiniu gali būti šiek tiek pigesnis nei duobės kasimas. Tačiau svarus privalumas – didelis vietos taupymas, kas svarbu mažų sklypų savininkams.

Esant aukštai slūgsančiam gruntinio vandens horizontui, šilumokaičius galima įrengti dviejuose gręžiniuose, esančiuose maždaug 15 m atstumu vienas nuo kito.

Šiluminės energijos paėmimas tokiose sistemose vyksta pumpuojant gruntinį vandenį uždaru kontūru, kurio dalys yra gręžiniuose. Tokiai sistemai reikia įrengti filtrą ir periodiškai valyti šilumokaitį.

Paprasčiausia ir pigiausia šilumos siurblio schema pagrįsta šiluminės energijos išgavimu iš oro. Kažkada ji tapo šaldytuvų pagrindu, vėliau pagal jos principus buvo sukurti oro kondicionieriai.

Paprasčiausia šilumos siurblinė sistema energiją gauna iš oro masės. Vasarą ji dalyvauja šildyme, žiemą – kondicionavime. Sistemos trūkumas tas, kad savarankiškai pagamintas agregatas turi nepakankamą galią.

Šios įrangos skirtingų tipų efektyvumas nėra vienodas. Mažiausius rodiklius turi siurbliai, naudojantys oro terpę. Be to, šie rodikliai tiesiogiai priklauso nuo oro sąlygų.

Gruntinės šilumos siurblių rūšys turi stabilius rodiklius. Šių sistemų efektyvumo koeficientas svyruoja nuo 2,8 iki 3,3. Didžiausiu efektyvumu pasižymi sistemos „vanduo-vanduo“. Tai susiję pirmiausia su šaltinio temperatūros stabilumu.

Reikia pastebėti, kad kuo giliau vandens telkinyje yra siurblio kolektorius, tuo stabilesnė bus temperatūra. Norint gauti 10 kW sistemos galią, reikia maždaug 300 metrų vamzdyno.

Pagrindiniu parametru, apibūdinančiu šilumos siurblio darbo efektyvumą, laikomas jo transformavimo koeficientas. Kuo aukštesnis transformavimo koeficientas, tuo efektyvesniu laikomas šilumos siurblys.

Šilumos siurblio transformavimo koeficientas išreiškiamas per šilumos srauto ir kompresoriaus darbui sunaudotos elektros galios rodiklių santykį.

Šilumos siurblio surinkimas savo jėgomis

Žinant šilumos siurblio veikimo schemą ir konstrukciją, savarankiškai surinkti ir sumontuoti alternatyvią šildymo sistemą yra visiškai įmanoma. Prieš pradedant darbus, būtina apskaičiuoti visus pagrindinius būsimos sistemos parametrus. Būsimo siurblio parametrams apskaičiuoti galima naudoti programinę įrangą, skirtą vėsinimo sistemų optimizavimui.

Paprasčiausias variantas yra sistema oras-vanduo. Ji nereikalauja sudėtingų išorinio kontūro įrengimo darbų, kuris būdingas vandens ir grunto tipo šilumos siurbliams. Montavimui prireiks tik dviejų kanalų: vienu bus tiekiamas oras, kitu – šalinama panaudota masė.

Paprasčiausia savo jėgomis įrengti šilumos siurblį, kuris šilumą paima iš oro masės. Lauke sumontuotas ventiliatorius pučia orą į garintuvą.

Be ventiliatoriaus reikia įsigyti reikiamos galios kompresorių. Tokiam įrenginiui puikiai tinka kompresorius, kuriuo aprūpintos įprastos split sistemos. Nebūtina pirkti naujo įrenginio.

Galima jį nuimti nuo senos įrangos arba naudoti seno šaldytuvo komponentus. Pageidautina naudoti spiralinę rūšį. Tokie kompresoriai, be pakankamo efektyvumo, sukuria aukštą slėgį, užtikrinantį temperatūros kilimą.

Kondensatoriui įrengti reikės talpos ir varinio vamzdžio. Iš vamzdžio gaminamas gyvatukas. Jo gamybai naudojamas bet koks cilindrinis reikiamo skersmens kūnas. Apvyniojus ant jo varinį vamzdį, galima lengvai ir greitai pagaminti šį konstrukcijos elementą.

Pagamintas gyvatukas montuojamas į iš anksto perpjautą pusiau talpą. Talpai gaminti geriau naudoti korozijai atsparias medžiagas. Įdėjus gyvatuką, bako pusės suvirinamos.

Gyvatuko plotas apskaičiuojamas pagal šią formulę:

MT/0,8 PT,

kur:

• MT – šiluminės energijos galia, kurią išduoda sistema.
• 0,8 – šilumos laidumo koeficientas sąveikaujant vandeniui su gyvatuko medžiaga.
• PT – vandens temperatūrų skirtumas įėjime ir išėjime.

Renkantis varinį vamzdį savarankiškai gaminamam gyvatukui, reikia atkreipti dėmesį į sienelių storį. Jis turi būti ne mažesnis kaip 1 mm. Priešingu atveju vyniojant vamzdis deformuosis. Vamzdis, kuriuo patenka šaltnešis, montuojamas talpos viršutinėje dalyje.

Šilumokaitis iš varinio vamzdelio gaminamas suvyniojant varinį vamzdelį ant cilindro formos objekto. Kuo didesnis ritės paviršiaus plotas, tuo didesnis siurblio našumas.

Šilumos siurblio garintuvą galima pagaminti dviem variantais – kaip talpyklą su joje esančia rite ir kaip vamzdis vamzdyje. Kadangi skysčio temperatūra garintuve yra maža, talpyklą galima pagaminti iš plastikinės statinės. Į šią talpyklą įdedamas kontūras, pagamintas iš varinio vamzdžio.

Skirtingai nuo kondensatoriaus, garintuvo ritės spiralė turi atitikti pasirinktos talpyklos skersmenį ir aukštį. Antrasis garintuvo variantas: vamzdis vamzdyje. Šiame variante vamzdelis su šaltnešiu įdedamas į didesnio skersmens plastikinį vamzdį, kuriuo cirkuliuoja vanduo.

Tokio vamzdžio ilgis priklauso nuo planuojamos siurblio galios. Jis gali būti nuo 25 iki 40 metrų. Toks vamzdis suvyniojamas į spiralę.

Termoreguliacinis vožtuvas priklauso uždaromajai ir reguliuojamajai vamzdynų armatūrai. Kaip uždarymo elementas TRV naudojama adata. Vožtuvo uždarymo elemento padėtis priklauso nuo temperatūros garintuve.

Šis svarbus sistemos elementas yra gana sudėtingos konstrukcijos. Jį sudaro:

• Termoelementas.
• Diafragma.
• Kapiliarinis vamzdelis.
• Termobalionas.

Šie elementai gali sugesti esant aukštai temperatūrai. Todėl litavimo darbų metu vožtuvą reikia izoliuoti asbestiniu audiniu. Reguliavimo vožtuvas turi atitikti garintuvo našumą.

Pagaminus pagrindines konstrukcines dalis, ateina atsakingas momentas – visos konstrukcijos surinkimas į vieną bloką. Atsakingiausias etapas yra šaltnešio įpumpuravimo procesas arba šilumnešio į sistemą.

Savarankiškai atlikti tokios operacijos vargu ar pajėgus paprastas žmogus. Čia teks kreiptis į specialistus, kurie užsiima klimato įrangos remontu ir priežiūra.

Šios srities darbuotojai paprastai turi reikiamą įrangą. Be šaltnešio papildymo, jie gali išbandyti sistemos veikimą. Savarankiškas šaltnešio įpumpuravimas gali sukelti ne tik konstrukcijos gedimą, bet ir sunkius sužalojimus. Be to, norint paleisti sistemą, taip pat reikalinga speciali įranga.

Paleidžiant sistemą patiriama pikinė paleidimo apkrova, kuri paprastai siekia apie 40 A. Todėl paleisti sistemą be paleidimo relės neįmanoma. Po pirmojo paleidimo būtina sureguliuoti vožtuvą ir šaltnešio slėgį.

Į šaltnešio pasirinkimą reikia žiūrėti labai rimtai. Juk ši medžiaga iš esmės laikoma pagrindiniu “nešikliu” naudingos šiluminės energijos. Iš esamų šiuolaikinių šaltnešių didžiausiu populiarumu džiaugiasi freonai. Tai angliavandenilių junginių dariniai, kuriuose dalis anglies atomų pakeičiama kitais elementais.

Surinkus atskirus šilumos siurblio elementus, turėtų susidaryti uždaras kontūras, kuriuo cirkuliuoja darbinė terpė.

Atlikus šiuos darbus, susidarė sistema su uždaru kontūru. Juo cirkuliuos šaltnešis, užtikrindamas šiluminės energijos atėmimą ir perkėlimą iš garintuvo į kondensatorių. Jungiant šilumos siurblius prie namo šilumos tiekimo sistemos, reikia atsižvelgti, kad vandens temperatūra kondensatoriaus išėjime neviršija 50 – 60 laipsnių.

Dėl mažos šilumos siurblio pagaminamos šiluminės energijos temperatūros, kaip šilumos vartotoją reikia rinktis specializuotus šildymo prietaisus. Tai gali būti šiltos grindys arba erdvūs, mažos inercijos aliumininiai ar plieniniai radiatoriai su dideliu spinduliavimo plotu.

Naminius šilumos siurblių variantus tinkamiausia laikyti pagalbine įranga, kuri palaiko ir papildo pagrindinio šaltinio darbą.

Kasmet šilumos siurblių konstrukcijos tobulinamos. Pramoniniuose modeliuose, skirtuose buitiniam naudojimui, naudojami efektyvesni šilumos perdavimo paviršiai. Dėl to sistemų našumas nuolat auga.

Svarbus veiksnys, skatinantis tokios šiluminės energijos gamybos technologijos plėtrą, yra aplinkosauginis aspektas. Tokios sistemos, be to, kad yra gana efektyvios, neteršia aplinkos. Atviros liepsnos nebuvimas daro sistemos darbą visiškai saugų.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Vaizdo įrašas #1. Kaip pasigaminti paprasčiausią naminį šilumos siurblį su šilumokaičiu iš PEX vamzdžio:

Vaizdo įrašas #2. Instruktažo tęsinys:

Kaip alternatyvios šildymo sistemos gana seniai naudojami šilumos siurbliai. Šios sistemos pasižymi patikimumu, ilgu tarnavimo laiku ir, kas svarbu, yra nekenksmingos aplinkai. Jos pradedamos rimtai vertinti kaip dar vienas žingsnis kuriant efektyvias ir saugias šildymo sistemas.

Norite užduoti klausimą ar papasakoti apie įdomų šilumos siurblio įrengimo būdą, nepaminėtą straipsnyje? Rašykite komentarus žemiau esančiame bloke.