Kuidas valmistada soojuspump maja kütmiseks oma kätega: tööpõhimõte ja koosteskeemid

Esimised soojuspumpade versioonid suutsid vaid osaliselt rahuldada soojusenergia vajadusi. Tänapäeva sordid on tõhusamad ja neid saab kasutada küttesüsteemides. Seetõttu püüavad paljud majaomanikud soojuspumpa ise paigaldada.

Räägime, kuidas valida soojuspumba optimaalset varianti, võttes arvesse selle krundi geodeetilisi andmeid, kuhu see plaanitakse paigaldada. Vaadeldavas artiklis on üksikasjalikult kirjeldatud “rohelise energia” süsteemide tööpõhimõtet ja loetletud erinevused. Meie nõuandeid arvesse võttes valite Teie kahtlemata tõhusa tüübi.

Iseseisvatele meistritele esitame soojuspumba kokkupanemise tehnoloogia. Esitatud teavet täiendavad selged skeemid, fotovalikud ja kaheosaline põhjalik videojuhend.

Mis on soojuspump ja kuidas see töötab?

Mõiste soojuspump all mõeldakse teatud seadmete komplekti. Selle seadme põhifunktsioon on soojusenergia kogumine ja selle edastamine tarbijale. Sellise energia allikaks võib olla iga keha või keskkond, mille temperatuur on +1º või rohkem kraadi.

Meid ümbritsevas keskkonnas on madala temperatuuriga soojuse allikaid enam kui piisavalt. Need on tööstusettevõtete jäätmed, soojus- ja tuumaelektrijaamade jäätmed, kanalisatsiooni väljavoolud jne. Soojuspumpade tööks kodukütte valdkonnas on vaja kolme ise taastuvat looduslikku allikat – õhk, vesi, maa.

Soojuspumbad “ammutavad” energiat protsessidest, mis toimuvad regulaarselt meid ümbritsevas keskkonnas. Protsessid ei peatu kunagi, seetõttu peetakse allikaid inimkriteeriumide järgi ammendamatuks.

Kolm loetletud potentsiaalset energiavarustajat on otseselt seotud päikeseenergiaga, mis kuumutamise teel paneb õhu ja tuule liikuma ning annab soojusenergiat maale. Just allika valik on peamiseks kriteeriumiks, mille järgi soojuspumbasüsteeme klassifitseeritakse.

Soojuspumpade tööpõhimõte põhineb kehade või keskkondade võimel edastada soojusenergiat teisele kehale või keskkonnale. Energia saajad ja andjad soojuspumbasüsteemides töötavad tavaliselt paaris.

Seega eristatakse järgmisi soojuspumpade tüüpe:

• Õhk – vesi.
• Maa – vesi.
• Vesi – õhk.
• Vesi – vesi.
• Maa – õhk.
• Vesi – vesi
• Õhk – õhk.

Samas määrab esimene sõna keskkonna tüübi, millest süsteem võtab madalatemperatuurilist soojust. Teine viitab kandja tüübile, kellele see soojusenergia edastatakse. Nii näiteks võtab soojuspumpades vesi – vesi, soojus võetakse vee keskkonnast ja soojuskandjana kasutatakse vedelikku.

Soojuspumbad on konstruktiivselt tüübilt aurukompressioonseadmed. Nad ammutavad soojust looduslikest allikatest, töötlevad ja transpordivad selle tarbijateni (+).

Kaasaegsed soojuspumbad kasutavad kolme peamist soojusenergia allikat. Need on – pinnas, vesi ja õhk. Lihtsaim neist variantidest on õhksoojuspump. Selliste süsteemide populaarsus on seotud nende üsna lihtsa konstruktsiooni ja paigaldamise lihtsusega.

Kuid vaatamata sellisele populaarsusele on nende variatsioonide tootlikkus üsna madal. Lisaks on kasutegur ebastabiilne ja sõltuv hooajalistest temperatuurikõikumistest.

Temperatuuri langemisel nende tootlikkus langeb oluliselt. Selliseid soojuspumpade variante võib pidada täienduseks olemasolevale peamisele soojusenergia allikale.

Seadmete variandid, mis kasutavad pinnase soojust, peetakse tõhusamaks. Pinnas saab ja akumuleerib soojusenergiat mitte ainult Päikeselt, seda soojendatakse pidevalt Maa tuuma energia abil.

See tähendab, et pinnas on omamoodi soojusakumulaator, mille võimsus on praktiliselt piiramatu. Pealegi on pinnase temperatuur, eriti teatud sügavusel, püsiv ja kõigub väikestes piirides.

Soojuspumpade toodetud energia kasutusvaldkonnad:

Allika temperatuuri püsivus on oluline tegur seda tüüpi energiatõhusate seadmete stabiilsel ja tõhusal tööl. Sarnaste omadustega on süsteemid, kus vesi on peamine soojusenergia allikas. Selliste pumpade kollektor paigutatakse kas puurkaevu, kus see satub veekihti, või veekogusse.

Selliste allikate nagu pinnas ja vesi aasta keskmine temperatuur varieerub vahemikus +7º kuni +12º C. Selline temperatuur on täiesti piisav süsteemi tõhusa töö tagamiseks.

Kõige tõhusamaks peetakse soojuspumpasid, mis ammutavad soojusenergiat stabiilsete temperatuurinäitajatega allikatest, st veest ja pinnasest

Soojuspumpade konstruktsiooni põhielemendid

Selleks, et energia tootmise seade töötaks soojuspumba tööpõhimõtete kohaselt, peavad selle konstruktsioonis olema 4 põhiagregaati, need on:

• Kompressor.
• Aurusti.
• Kondensaator.
• Drosselklapp.

Soojuspumba konstruktsiooni oluline element on kompressor. Selle põhifunktsioon – külmaaine keemise tulemusena tekkivate aurude rõhu ja temperatuuri tõstmine. Kliimatehnikas ja eriti soojuspumpades kasutatakse kaasaegseid spiraalkompressoreid.

Töökehana, mis teostab soojusenergia otsest ülekannet, kasutatakse madala keemistemperatuuriga vedelikke. Tavaliselt kasutatakse ammoniaaki ja freoone (+)

Sellised kompressorid on ette nähtud kasutamiseks miinuskraadidel. Erinevalt teistest tüüpidest tekitavad spiraalkompressorid vähe müra ja töötavad nii gaasi madalal keemistemperatuuril kui ka kõrgel kondensatsioonitemperatuuril. Nende vaieldamatuteks eelisteks on kompaktsed mõõtmed ja väike erikaal.

Peaaegu kogu soojuspumba energia kulub soojusenergia transportimiseks väljast siseruumi. Seega kulub süsteemide tööks umbes 1 energiaühik 4 – 6 ühiku tootmisel (+)

Aurusti kui konstruktsioonielement on mahuti, milles toimub vedela jahutusvedeliku muutumine auruks. Jahutusvedelik ringleb suletud kontuuris ja läbib aurusti. Seal jahutusvedelik soojeneb ja muutub auruks. Tekkiv aur suunatakse madalrõhuga kompressori poole.

Kompressoris avaldatakse jahutusvedeliku aurudele survet ja nende temperatuur tõuseb. Kompressor pumpab kõrge rõhu all kuumutatud auru kondensaatori poole.

Kompressor surub kokku kontuuris ringlevat keskkonda, mille tulemusel suurenevad selle temperatuur ja rõhk. Seejärel siseneb kokkusurutud keskkond soojusvahetisse (kondensaatorisse), kus see jahutatakse, andes soojust veele või õhule.

Järgmine konstruktsioonielement süsteemis – kondensaator. Selle ülesanne on soojusenergia üleandmine küttesüsteemi sisemisele kontuurile.

Tööstusettevõtete toodetavad seerianäidised on varustatud plaatsoojusvahetitega. Peamine materjal selliste kondensaatorite jaoks on legeerteras või vask.

Soojusvaheti iseseisvaks valmistamiseks sobib poole tollise läbimõõduga vasktoru. Soojusvaheti valmistamiseks kasutatavate torude seina paksus peab olema vähemalt 1 mm.

Termoreguleeriv ehk drosselklapp paigaldatakse hüdraulilise kontuuri selle osa algusesse, kus kõrge rõhuga ringlev keskkond muundatakse madala rõhuga keskkonnaks. Täpsemalt jagab drossel koos kompressoriga soojuspumba kontuuri kaheks osaks: üheks kõrge rõhuga, teiseks – madala rõhuga.

Kui tsirkuleeriv vedelik läbib paisutavat drosselklappi, aurustub see osaliselt, mille tõttu rõhk ja temperatuur langevad. Seejärel siseneb soojusvahetisse, mis on ühenduses väliskeskkonnaga. Seal haarab ta keskkonna energia ja kannab selle tagasi süsteemi.

Drosselklapi abil reguleeritakse külmaaine voolu aurusti suunas. Klapi valimisel tuleb arvestada süsteemi parameetritega. Klapp peab vastama nendele parameetritele.

Kui vedel soojuskandja läbib termoreguleerivat klappi, aurustub see osaliselt ja voolu temperatuur alaneb (+)

Soojuspumba tüübi valimine

Selle küttesüsteemi peamine näitaja on võimsus. Võimsusest sõltuvad eelkõige nii seadmete ostmise rahalised kulud kui ka ühe või teise madalatemperatuurilise soojusallika valik. Mida suurem on soojuspumba süsteemi võimsus, seda suurem on komponentide maksumus.

Eelkõige on silmas peetud kompressori võimsust, geotermiliste sondide jaoks vajalike puuraukude sügavust või horisontaalkollektori paigutamiseks vajalikku pindala. Õiged termodünaamilised arvutused on omamoodi garantii, et süsteem toimib tõhusalt.

Kui isikliku krundi lähedal on veekogu, osutub vesi-vesi soojuspump kõige tasuvamaks ja tootlikumaks valikuks.

Kõigepealt tuleb uurida krunti, kuhu on kavandatud pumba paigaldamine. Ideaalseks tingimuseks on veekogu olemasolu sellel krundil. Vesi-vesi variandi kasutamine vähendab oluliselt mullatööde mahtu.

Maasoojuse kasutamine seevastu eeldab suurt hulka pinnase eemaldamisega seotud töid. Süsteeme, mis kasutavad madalapotentsiaalse soojusallikana veekeskkonda, peetakse kõige tõhusamaks.

Soojuspumbast, mis eraldab maapinnast soojusenergiat, eeldab muljetavaldava hulga mullatööde tegemist. Kollektor paigaldatakse allapoole hooajalist külmumissügavust.

Maapinna soojusenergiat saab kasutada kahel viisil. Esimene eeldab puuraukude puurimist läbimõõduga 100–168 mm. Selliste puuraukude sügavus võib süsteemi parameetritest sõltuvalt ulatuda 100 m või enam.

Nendesse puuraukudesse paigutatakse spetsiaalsed sondid. Teisel meetodil kasutatakse torudest kollektorit. Selline kollektor paigutatakse maa alla horisontaaltasandil. Selle variandi jaoks on vaja piisavalt suurt pindala.

Kollektori paigaldamiseks peetakse ideaalseteks niiske pinnasega alasid. Loomulikult on puuraukude puurimine kallim kui kollektori horisontaalne paigutus. Kuid igal krundil pole vabu pindalasid. Ühe kilovati soojuspumba võimsuse kohta on vaja 30–50 m² pindala.

Soojusenergia kogumise rajatis ühe sügava puurauguga võib osutuda veidi odavamaks kui süvendi kaevamine. Kuid kaalukas pluss on oluline ruumisääst, mis on oluline väikeste kruntide omanikele.

Kui krundil on kõrgel asuv põhjaveekiht, saab soojusvahetid paigutada kahte umbes 15 m kaugusel üksteisest asuvasse puurauku.

Soojusenergia kogumine sellistes süsteemides toimub põhjavee pumpamise teel suletud ahelas, mille osad asuvad puuraukudes. Selline süsteem vajab filtri paigaldamist ja soojusvaheti perioodilist puhastamist.

Kõige lihtsam ja odavam soojuspumba skeem põhineb soojusenergia eraldamisel õhust. Kunagi sai sellest külmikute alus, hiljem töötati selle põhimõtete järgi välja konditsioneerid.

Kõige lihtsam soojuspumbasüsteem saab energiat õhumassist. Suvel osaleb see kütmises, talvel konditsioneerimises. Süsteemi miinus on see, et isetegemise korral on seade ebapiisava võimsusega.

Selle seadme eri tüüpide tõhusus ei ole ühesugune. Madalaima näitajaga on õhukeskkonda kasutavad pumbad. Pealegi sõltuvad need näitajad otseselt ilmastikutingimustest.

Maapinna tüüpi soojuspumpadel on stabiilsed näitajad. Nende süsteemide efektiivsuskoefitsient jääb vahemikku 2,8–3,3. Suurima tõhususega on vesi-vesi süsteemid. See on tingitud eelkõige allika temperatuuri stabiilsusest.

Tuleb märkida, et mida sügavamal pumba kollektor veekogus asub, seda stabiilsem on temperatuur. Süsteemi võimsuse 10 kW saamiseks on vaja umbes 300 meetrit torustikku.

Soojuspumba töö efektiivsust iseloomustavaks peamiseks parameetriks peetakse selle tootegurit (COP). Mida kõrgem on tootegur, seda tõhusamaks peetakse soojuspumpa.

Soojuspumba tootegur (COP) väljendatakse soojusvoo ja kompressori tööks kulutatud elektrivõimsuse suhtena.

Soojuspumba kokkupanek ise

Teades soojuspumba tööpõhimõtet ja ehitust, on võimalik ise kokku panna ja paigaldada alternatiivküttesüsteem. Enne tööde alustamist tuleb arvutada kõik tulevase süsteemi põhiparameetrid. Tulevase pumba parameetrite arvutamiseks võib kasutada tarkvara, mis on mõeldud jahutussüsteemide optimeerimiseks.

Kõige lihtsam ehitusviis on õhk-vesisüsteem. See ei nõua keerulisi töid väliskontuuri rajamisel, mis on omane vee- ja maasoojuspumpadele. Paigaldamiseks on vaja ainult kahte kanalit, millest ühte juhitakse õhku ja teise kaudu eemaldatakse kasutatud mass.

Lihtsaim on oma kätega ehitada soojuspump, mis võtab soojust õhumassist. Väljapoole paigaldatud ventilaator puhub õhku aurustile.

Lisaks ventilaatorile on vaja hankida sobiva võimsusega kompressor. Selliseks seadmeks sobib hästi kompressor, mida kasutatakse tavalistes split-süsteemides. Uut seadet pole vaja osta.

Selle võib eemaldada vanalt seadmelt või kasutada vanade külmikute osi. Soovitatav on kasutada spiraalset tüüpi. Need kompressorivariandid peale piisava efektiivsuse tekitavad ka kõrget rõhku, mis tagab temperatuuri tõusu.

Kondensaatori ehitamiseks on vaja mahutit ja vasktoru. Torust valmistatakse spiraal. Selle valmistamiseks kasutatakse mis tahes vajaliku läbimõõduga silindrilist keha. Vasktoru sellele kerides saab selle konstruktsioonielemendi lihtsalt ja kiiresti valmis.

Valmis spiraal paigaldatakse pooleks lõigatud mahutisse. Mahuti valmistamiseks on parem kasutada korrosioonikindlaid materjale. Pärast spiraali paigutamist keevitatakse paagi pooled kokku.

Spiraali pindala arvutatakse järgmise valemi abil:

MT/0,8 RT,

kus:

• MT – soojusenergia võimsus, mida süsteem annab.
• 0,8 – soojusjuhtivustegur vee ja spiraali materjali vahelisel koostoimel.
• RT – temperatuuride erinevus vee sisse- ja väljalaskeava vahel.

Vasktoru valimisel spiraali ise valmistamiseks tuleb tähelepanu pöörata seina paksusele. See peab olema vähemalt 1 mm. Vastasel juhul deformeerub toru kerimisel. Toru, mille kaudu külmutusaine siseneb, paigutatakse mahuti ülemisse ossa.

Vasest toru soojusvaheti valmistatakse vasest toru silindrilisele esemele keeramise teel. Mida suurem on mähise pindala, seda kõrgem on pumba jõudlus.

Soojuspumba aurusti saab teostada kahes variandis – mahutina, milles on mähis, ja torus torus. Kuna aurusti vedeliku temperatuur on madal, võib mahuti valmistada plastikust tünnist. Sellesse mahutisse paigutatakse kontuur, mis tehakse vasest torust.

Erinevalt kondensaatorist peab aurusti mähise spiraal vastama valitud mahuti läbimõõdule ja kõrgusele. Teine aurusti variant: toru torus. Selles variandis paigutatakse külmaainet sisaldav toru suurema läbimõõduga plasttorusse, mille kaudu ringleb vesi.

Sellise toru pikkus sõltub pumba kavandatud võimsusest. See võib olla 25–40 meetrit. Selline toru keeratakse spiraaliks.

Termoreguleeriv klapp kuulub sulge- ja reguleertorusõlmede hulka. TRV sulgeelemendina kasutatakse nõela. Klapi sulgeelemendi asend sõltub aurusti temperatuurist.

See oluline süsteemi element on üsna keeruka konstruktsiooniga. Selle koostisesse kuuluvad:

• Termoelement.
• Diafragma.
• Kapillaartoru.
• Termopalloon.

Need elemendid võivad kõrgel temperatuuril kahjustuda. Seetõttu tuleb süsteemi jootmistööde ajal klapp isoleerida asbestkangaga. Reguleerklapp peab vastama aurusti võimsusele.

Pärast põhiliste konstruktsiooniosade valmistamist saabub vastutusrikas hetk, mil kogu konstruktsioon monteeritakse üheks plokiks. Kõige vastutusrikkam etapp on külmaaine või soojuskandja süsteemi pumpamise protsess.

Sellise toimingu iseseisev läbiviimine on vaevalt tavalise inimese võimuses. Siin tuleb pöörduda professionaalide poole, kes tegelevad kliimaseadmete remondi ja hooldusega.

Selle valdkonna töötajatel on tavaliselt olemas vajalik varustus. Lisaks külmaaine täitmisele saavad nad testida süsteemi tööd. Külmaaine iseseisev pumpamine võib põhjustada mitte ainult konstruktsiooni riket, vaid ka raskeid vigastusi. Lisaks on süsteemi käivitamiseks vaja spetsiaalset varustust.

Süsteemi käivitamisel tekib tippkoormus, mis on tavaliselt umbes 40 A. Seetõttu on süsteemi käivitamine ilma käivitusreleeta võimatu. Pärast esimest käivitust on vajalik klapi ja külmaaine rõhu reguleerimine.

Külmaaine valikusse tuleb suhtuda täie tõsidusega. See aine on ju tegelikult peamine “kandja” kasulikule soojusenergiale. Olemasolevatest kaasaegsetest külmaainetest on populaarseimad freoonid. Need on süsivesinikühendite derivaadid, milles osa süsinikuaatomitest asendatakse teiste elementidega.

Soojuspumba üksikute elementide kokkupaneku tulemusena peaks tekkima suletud ahel, milles ringleb töökeskkond.

Nende tööde tulemusel saadi suletud ahelaga süsteem. Selles ringleb külmaaine, tagades soojusenergia võtmise ja ülekandmise aurustilt kondensaatorile. Soojuspumpade ühendamisel maja soojusvarustussüsteemiga tuleb arvestada, et vee temperatuur kondensaatori väljundis ei ületa 50 – 60 kraadi.

Seoses soojuspumba poolt toodetava soojusenergia madala temperatuuriga tuleb soojuse tarbijana valida spetsiaalsed kütteseadmed. See võib olla põrandaküte või mahukad madala inertsiga alumiiniumist või terasest radiaatorid suure kiirguspinnaga.

Soojuspumpade isetehtud variante on kõige asjakohasem käsitleda abiseadmetena, mis toetavad ja täiendavad põhiallika tööd.

Igal aastal täiustatakse soojuspumpade konstruktsioone. Koduseks kasutamiseks mõeldud tööstuslikes näidistes kasutatakse tõhusamaid soojusülekandepindu. Selle tulemusena süsteemide jõudlus pidevalt kasvab.

Oluliseks teguriks, mis stimuleerib sellise soojusenergia tootmistehnoloogia arengut, on keskkonnakomponent. Sellised süsteemid on lisaks sellele, et nad on üsna tõhusad, keskkonda mittesaastavad. Lahtise leegi puudumine muudab selle töö täiesti ohutuks.

Järeldused ja kasulik video teemal

Video #1. Kuidas teha kõige lihtsamat isetehtud soojuspumpa PEX-torust soojusvahetiga:

Video #2. Juhendamise jätk:

Alternatiivsete küttesüsteemidena on soojuspumpasid kasutatud juba üsna pikka aega. Need süsteemid on usaldusväärsed, pika kasutuseaga ja, mis pole vähemtähtis, keskkonnasõbralikud. Neid hakatakse tõsiselt vaatlema kui järjekordset sammu tõhusate ja ohutute küttesüsteemide arengu teel.

Kas soovite esitada küsimuse või rääkida huvitavast soojuspumba ehitamise viisist, mida artiklis ei mainitud? Palun kirjutage kommentaarid allolevasse lahtrisse.