Så bygger du en värmepump för husuppvärmning själv: arbetsprincip och monteringsscheman

De första versionerna av värmepumpar kunde bara delvis tillgodose behovet av termisk energi. Moderna varianter är mer effektiva och kan användas för värmesystem. Det är därför många husägare försöker installera en värmepump med egna händer.

Vi berättar hur du väljer det optimala alternativet för en värmepump med hänsyn till geodata för tomten där den ska installeras. I den föreslagna artikeln beskrivs i detalj arbetsprincipen för system som använder “grön energi”, och skillnaderna listas. Med våra råd kommer du utan tvekan att välja en effektiv typ.

För gör-det-själv-entusiaster presenterar vi tekniken för att bygga en värmepump. Informationen som presenteras kompletteras med tydliga scheman, fotosamlingar och en detaljerad videoinstruktion i två delar.

Vad är en värmepump och hur fungerar den?

Med termen värmepump avses en uppsättning specifik utrustning. Huvudfunktionen för denna utrustning är att samla in termisk energi och transportera den till konsumenten. Källan till sådan energi kan vara vilken kropp eller miljö som helst med en temperatur på +1° eller mer.

I vår omgivning finns det mer än tillräckligt med lågtemperaturvärmekällor. Det är industriavfall från företag, termiska och kärnkraftverk, avloppsvatten etc. För drift av värmepumpar för hemuppvärmning behövs tre självförnyande naturliga källor – luft, vatten, jord.

Värmepumpar “hämtar” energi från processer som regelbundet sker i miljön. Processflödet upphör aldrig, så källorna anses vara outtömliga enligt mänskliga kriterier.

De tre nämnda potentiella energileverantörerna är direkt kopplade till solenergin, som genom uppvärmning sätter luften i rörelse med vinden och överför termisk energi till jorden. Det är valet av källa som är det viktigaste kriteriet enligt vilket värmepumpsystem klassificeras.

Värmepumpars arbetsprincip baseras på förmågan hos kroppar eller medier att överföra termisk energi till en annan kropp eller ett annat medium. Mottagare och leverantörer av energi i värmepumpsystem arbetar vanligtvis i par.

Så skiljer man på följande typer av värmepumpar:

• Luft – vatten.
• Jord – vatten.
• Vatten – luft.
• Vatten – vatten.
• Jord – luft.
• Vatten – vatten
• Luft – luft.

Det första ordet anger typen av medium från vilket systemet tar bort lågtemperaturvärme. Det andra anger typen av bärare som denna termiska energi överförs till. I värmepumpar av typen vatten–vatten tas värme från en vattenmiljö och vätska används som värmebärare.

Värmepumpar är av konstruktionstyp ångkompressionsanläggningar. De utvinner värme från naturliga källor, bearbetar och transporterar den till konsumenterna (+)

Moderna värmepumpar använder tre huvudsakliga källor för termisk energi. Det är – mark, vatten och luft. Det enklaste av dessa alternativ är en luftvärmepump. Populariteten för sådana system beror på deras ganska enkla konstruktion och enkel installation.

Men trots denna popularitet har dessa varianter ganska låg prestanda. Dessutom är verkningsgraden instabil och beroende av säsongsmässiga temperaturvariationer.

När temperaturen sjunker minskar deras prestanda avsevärt. Sådana värmepumpsvarianter kan betraktas som ett komplement till den befintliga huvudsakliga värmekällan.

Utrustningsvarianter som använder markvärme anses vara mer effektiva. Marken tar emot och lagrar termisk energi inte bara från solen, den värms ständigt upp av jordkärnans energi.

Det vill säga marken är en slags värmeackumulator vars kapacitet praktiskt taget är obegränsad. Dessutom är marktemperaturen, särskilt på visst djup, konstant och varierar inom små gränser.

Användningsområden för energi som produceras av värmepumpar:

Konstant temperatur hos källan är en viktig faktor för stabil och effektiv drift av denna typ av energiutrustning. Samma egenskaper har system där vatten är den primära källan till värmeenergi. Kollektorn för sådana pumpar placeras antingen i en brunn, där den hamnar i ett vattenförande lager, eller i en vattenförekomst.

Medelårstemperaturen för sådana källor som mark och vatten varierar från +7° till +12°C. Denna temperatur är fullt tillräcklig för att systemet ska fungera effektivt.

De mest effektiva anses vara värmepumpar som utvinner värmeenergi från källor med stabila temperaturvärden, dvs. från vatten och mark.

Grundläggande konstruktionselement hos värmepumpar

För att energiutvinningsanläggningen ska fungera enligt värmepumpens arbetsprincip måste dess konstruktion innehålla 4 huvudkomponenter, nämligen:

• Kompressor.
• Förångare.
• Kondensor.
• Strypventil.

En viktig komponent i värmepumpens konstruktion är kompressorn. Dess huvudsakliga funktion – att höja trycket och temperaturen på ångor som bildas vid kokning av köldmedium. För klimatanläggningar och värmepumpar i synnerhet används moderna spiral-kompressorer.

Som arbetsmedium som direkt överför värmeenergi används vätskor med låg kokpunkt. Vanligtvis används ammoniak och freoner (+)

Sådana kompressorer är konstruerade för drift vid minusgrader. Till skillnad från andra typer producerar spiralformade kompressorer lite buller och fungerar både vid låga kokpunkter för gas och vid höga kondensationstemperaturer. En klar fördel är deras kompakta storlek och låga specifik vikt.

Praktiskt taget all energi från värmepumpen används för att transportera värmeenergi utifrån och in i rummet. Systemet förbrukar cirka 1 energienhet för att producera 4 – 6 enheter (+)

Förångaren som konstruktionselement är en behållare där flytande köldmedium förvandlas till ånga. Köldmediet cirkulerar i en sluten krets och passerar genom förångaren. Där värms köldmediet upp och omvandlas till ånga. Den bildade ångan med lågt tryck leds mot kompressorn.

I kompressorn utsätts köldmedieångorna för tryck och deras temperatur stiger. Kompressorn pumpar den uppvärmda ångan med högt tryck mot kondensorn.

Kompressorn komprimerar mediet som cirkulerar i kretsen, vilket ökar dess temperatur och tryck. Det komprimerade mediet leds sedan till värmeväxlaren (kondensorn), där det kyls ner och avger värme till vatten eller luft.

Nästa konstruktionselement i systemet – kondensorn. Dess funktion är att avge värmeenergi till värmesystemets inre krets.

Serieproducerade modeller från industriella tillverkare är utrustade med plattvärmeväxlare. Huvudmaterialet för sådana kondensorer är legerat stål eller koppar.

För egen tillverkning av värmeväxlare passar ett kopparrör med en halv tums diameter. Väggtjockleken på rören som används för att tillverka värmeväxlaren bör vara minst 1 mm.

Termostatisk expansionsventil, eller strypventil, installeras i början av den del av hydraulkretsen där mediet med högt tryck omvandlas till medium med lågt tryck. Mer exakt delar strypventilen tillsammans med kompressorn värmepumpens krets i två delar: en med högt tryck och den andra – med lågt tryck.

När vätskan som cirkulerar i den slutna kretsen passerar genom expansionsstrypventilen, avdunstar den delvis, vilket gör att trycket och temperaturen sjunker. Den kommer sedan in i värmeväxlaren som är i kontakt med omgivningen. Där tar den upp energi från omgivningen och för den tillbaka till systemet.

Med hjälp av en strypventil regleras köldmedieflödet mot förångaren. Vid val av ventil måste systemparametrarna beaktas. Ventilen måste motsvara dessa parametrar.

När den flytande värmebäraren passerar genom temperaturregleringsventilen förångas en del och flödets temperatur sjunker (+)

Val av typ av värmepump

Det främsta måttet för detta värmesystem är effekt. Effekten kommer i första hand att påverka både de finansiella kostnaderna för inköp av utrustning och valet av en eller annan lågtemperaturvärmekälla. Ju högre effekt värmepumpsystemet har, desto högre blir kostnaden för komponenterna.

I första hand avses kompressorns effekt, djupet på borrhålen för geotermiska sonder eller arean för en horisontell kollektor. Korrekta termodynamiska beräkningar är en slags garanti för att systemet kommer att fungera effektivt.

Om det finns en vattenförekomst i närheten av den egna tomten blir en vatten-vatten värmepump det mest kostnadseffektiva och produktiva valet.

Först bör man undersöka tomten som planeras för pumpinstallationen. En idealisk förutsättning är att det finns en vattenförekomst på tomten. Användning av vatten-vatten-alternativet kommer att minska jordarbetena avsevärt.

Användning av markvärme innebär däremot en stor mängd arbete med schaktning. System som använder vatten som lågpotentialvärme anses vara mest effektiva.

En värmepump som utvinner termisk energi från marken kräver en avsevärd mängd jordarbeten. Kollektorn läggs under nivån för säsongsbunden tjäle.

Termisk energi från marken kan utvinnas på två sätt. Det första innebär borrning av hål med diameter 100-168 mm. Djupet på sådana hål kan, beroende på systemparametrarna, nå upp till 100 meter eller mer.

I dessa hål placeras speciella sonder. I det andra sättet används en kollektor av rör. En sådan kollektor placeras under marken i horisontell plan. För detta alternativ krävs en tillräckligt stor yta.

För kollektorläggning anses områden med fuktig jord vara idealiska. Naturligtvis är borrning av hål dyrare än horisontell kollektorläggning. Men inte alla tomter har ledig yta. För en kW effekt hos värmepumpen krävs 30 till 50 m² yta.

En konstruktion för att ta tillvara på termisk energi med en enda djup brunn kan visa sig vara något billigare än att gräva en grop. Men en stor fördel är den betydande platsbesparingen, vilket är viktigt för ägare av små tomter.

Om det finns ett högt beläget grundvattenlager på tomten, kan värmeväxlarna installeras i två brunnar placerade på ett avstånd av cirka 15 m från varandra.

Uttag av termisk energi i sådana system sker genom att pumpa grundvatten i en sluten krets, vars delar är placerade i brunnarna. Ett sådant system kräver installation av ett filter och regelbunden rengöring av värmeväxlaren.

Det enklaste och billigaste upplägget för en värmepump bygger på att utvinna termisk energi ur luften. En gång i tiden blev den grunden för kylskåp, och senare utvecklades luftkonditioneringsapparater enligt dess principer.

Det enklaste värmepumpsystemet får energi från luftmassan. Sommar deltar den i uppvärmning, vinter i luftkonditionering. Nackdelen är att om du bygger den själv blir aggregatets effekt otillräcklig.

Effektiviteten hos olika typer av denna utrustning är inte densamma. De lägsta värdena har pumpar som använder luftmiljön. Dessutom beror dessa värden direkt på väderförhållandena.

Jordbaserade typer av värmepumpar har stabila värden. Effektivitetskoefficienten för dessa system varierar mellan 2,8 och 3,3. Högst effektivitet har vatten-vatten-system. Detta beror främst på stabiliteten i källans temperatur.

Det bör noteras att ju djupare pumpens kollektor är placerad i vattendraget, desto stabilare blir temperaturen. För att få en systemeffekt på 10 kW krävs cirka 300 meter rörledning.

Den huvudsakliga parametern som kännetecknar effektiviteten hos en värmepump är dess omvandlingskoefficient. Ju högre omvandlingskoefficient, desto effektivare anses värmepumpen.

Värmepumpens omvandlingskoefficient uttrycks som förhållandet mellan värmeflöde och den elektriska effekt som förbrukas av kompressorn.

Montering av värmepump på egen hand

Om du känner till värmepumpens funktionsprincip och konstruktion är det fullt möjligt att montera och installera ett alternativt värmesystem på egen hand. Innan arbetet påbörjas måste du beräkna alla grundläggande parametrar för det framtida systemet. För att beräkna parametrarna för den framtida pumpen kan du använda programvara avsedd för optimering av kylsystem.

Det enklaste alternativet att bygga är luft-vatten-systemet. Det kräver inte komplicerade arbeten för att anordna den yttre kretsen, som är typisk för vatten- och jordbaserade värmepumpar. För installation behövs bara två kanaler, varav en för tillförsel av luft och den andra för bortföring av den förbrukade massan.

Enklast är att själv bygga en värmepump som tar värme från luften. En fläkt placerad utomhus blåser luft mot förångaren.

Utöver fläkten måste du skaffa en kompressor med rätt effekt. För en sådan enhet passar en kompressor som används i vanliga split-system. Det är inte nödvändigt att köpa en ny enhet.

Man kan ta den från gammal utrustning eller använda delar från ett gammalt kylskåp. Det är önskvärt att använda en spiraltyp. Dessa kompressoralternativ har förutom tillräcklig effektivitet även förmågan att skapa högt tryck, vilket höjer temperaturen.

För att bygga kondensorn behövs en behållare och ett kopparrör. Av röret görs en spiral. För tillverkningen används vilket cylindriskt föremål som helst med lämplig diameter. Genom att linda kopparröret runt det kan man enkelt och snabbt tillverka denna konstruktionsdel.

Den färdiga spiralen monteras i en behållare som först sågats itu. För tillverkning av behållaren är det bäst att använda material som är motståndskraftiga mot korrosion. Efter att spiralen placerats i den svetsas behållarens halvor ihop.

Spiralens area beräknas med följande formel:

MT/0,8 RT,

där:

• MT – värmeeffekten som systemet levererar.
• 0,8 – värmeledningskoefficient vid vattnets interaktion med spiralens material.
• RT – temperaturskillnad mellan vatteninlopp och vattenutlopp.

När du väljer ett kopparrör för hemmatillverkning av spiralen måste du vara uppmärksam på väggtjockleken. Den ska vara minst 1 mm. Annars kommer röret att deformeras vid lindningen. Röret som kylmediet kommer in genom placeras i den övre delen av behållaren.

Värmeväxlaren av kopparrör tillverkas genom att linda kopparröret runt ett föremål med cylindrisk form. Ju större spiralens yta är, desto högre blir pumpens prestanda.

Förångaren till värmepumpen kan utföras i två varianter – som en behållare med en spiral inuti eller som ett rör i rör. Eftersom temperaturen på vätskan i förångaren är låg kan behållaren göras av en plasttunna. I denna behållare placeras kretsen, som är gjord av kopparrör.

Till skillnad från kondensorn måste förångarens spole ha samma diameter och höjd som den valda kärlet. Det andra alternativet för förångare är rör i rör. I detta alternativ placeras kylmedelsröret i ett plaströr med större diameter, genom vilket vattnet cirkulerar.

Längden på ett sådant rör beror på den planerade pumpkapaciteten. Den kan vara från 25 till 40 meter. Röret formas till en spiral.

Termostatiska expansionsventilen är en typ av avstängnings- och reglerventil i rörledningar. Som avstängningselement i TEV används en nål. Ventilens avstängningselements läge bestäms av temperaturen i förångaren.

Denna viktiga systemkomponent har en ganska komplex konstruktion. Den består av:

• Termoelement.
• Membran.
• Kapillärrör.
• Termostatballong.

Dessa element kan försämras vid hög temperatur. Därför bör ventilen isoleras med asbestväv under lödningsarbeten. Reglerventilen måste matcha förångarens kapacitet.

Efter tillverkning av de viktigaste konstruktionsdelarna kommer det kritiska ögonblicket att montera hela konstruktionen till en enhet. Det mest kritiska steget är processen att fylla på kylmedel eller värmebärare i systemet.

Att utföra en sådan operation på egen hand är knappast möjligt för en vanlig person. Här måste man vända sig till proffs som reparerar och underhåller klimatutrustning.

Arbetare inom detta område har vanligtvis nödvändig utrustning. Förutom att fylla på kylmedel kan de testa systemets funktion. Att fylla på kylmedel på egen hand kan inte bara leda till skador på konstruktionen utan också till allvarliga personskador. Dessutom krävs specialutrustning för att starta systemet.

Vid uppstart av systemet uppstår en toppbelastning, som vanligtvis är cirka 40 A. Därför är det omöjligt att starta systemet utan en startrelä. Efter första starten krävs justering av ventilen och kylmedelstrycket.

Man bör ta valet av kylmedel på stort allvar. Detta ämne anses i själva verket vara den huvudsakliga “bäraren” av nyttig värmeenergi. Av de befintliga moderna kylmedlen är freoner mest populära. Dessa är derivat av kolväteföreningar där en del av kolatomerna ersätts med andra grundämnen.

Vid montering av de enskilda delarna av värmepumpen ska man få en sluten krets där arbetsmediet cirkulerar

Efter dessa arbeten har man ett system med en sluten krets. I den kommer kylmedlet att cirkulera och säkerställa att värmeenergi tas upp och överförs från förångaren till kondensorn. Vid anslutning av värmepumpar till husets värmesystem bör man tänka på att vattentemperaturen vid kondensorutloppet inte överstiger 50 – 60 grader.

På grund av den relativt låga temperaturen på den termiska energi som produceras av värmepumpen måste specialiserade värmeanordningar väljas som värmekonsumenter. Det kan vara golvvärme eller stora volymtröga radiatorer i aluminium eller stål med stor strålningsyta.

Hemgjorda varianter av värmepumpar är mest lämpliga att betrakta som hjälputrustning som stödjer och kompletterar huvudkällans drift.

Varje år förbättras utformningen av värmepumpar. I industriella modeller avsedda för hushållsbruk används effektivare värmeöverföringsytor. Som ett resultat ökar systemens prestanda ständigt.

En viktig faktor som stimulerar utvecklingen av sådan teknik för värmeproduktion är den miljömässiga aspekten. Sådana system är förutom att vara ganska effektiva, inte förorenande för miljön. Avsaknaden av öppen låga gör dess drift helt säker.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video #1. Hur man gör en enkel hemmagjord värmepump med en värmeväxlare av PEX-rör:

Video #2. Fortsättning av instruktionen:

Värmepumpar har använts som alternativa värmesystem ganska länge. Dessa system är pålitliga, har lång livslängd och är, viktigt nog, ofarliga för miljön. De börjar på allvar betraktas som ytterligare ett steg i utvecklingen av effektiva och säkra värmesystem.

Vill du ställa en fråga eller berätta om ett intressant sätt att bygga en värmepump som inte nämns i artikeln? Skriv gärna kommentarer i blocket nedan.