Kako napraviti dizalicu topline za grijanje doma vlastitim rukama: princip rada i sheme montaže

Prve verzije toplinskih pumpi mogle su samo djelomično zadovoljiti potrebe za toplinskom energijom. Suvremene su varijante učinkovitije i mogu se primjenjivati za sustave grijanja. Upravo zato mnogi vlasnici kuća pokušavaju sami montirati toplinsku pumpu.

Reći ćemo vam kako odabrati optimalnu varijantu toplinske pumpe uzimajući u obzir geopodatke parcele na kojoj se planira instalirati. U predloženom članku detaljno je opisan princip rada sustava korištenja “zelene energije”, navedene su razlike. Uz naše savjete, bez sumnje ćete se odlučiti za učinkovit tip.

Za samostalne majstore donosimo tehnologiju montaže toplinske pumpe. Prikazanu informaciju dopunjuju jasne sheme, izbori fotografija i opsežna video uputa u dva dijela.

Što je toplinska pumpa i kako radi?

Pod pojmom toplinska pumpa podrazumijeva se skup određene opreme. Glavna funkcija ove opreme je prikupljanje toplinske energije i njezin transport do potrošača. Izvor takve energije može biti bilo koje tijelo ili medij koji ima temperaturu od +1º i više stupnjeva.

U okolišu oko nas više je nego dovoljno izvora niskotemperaturne topline. To su industrijski otpad poduzeća, toplana i nuklearnih elektrana, kanalizacijske vode i sl. Za rad toplinskih pumpi u području grijanja doma potrebna su tri samostalno obnovljiva prirodna izvora – zrak, voda, tlo.

Toplinske pumpe “crpe” energiju iz procesa koji se redovito odvijaju u okolišu. Tijek procesa nikada ne prestaje, stoga se izvori smatraju neiscrpnima prema ljudskim mjerilima.

Tri navedena potencijalna dobavljača energije izravno su povezana sa sunčevom energijom, koja zagrijavanjem pokreće zrak s vjetrom i predaje toplinsku energiju tlu. Upravo je odabir izvora glavni kriterij prema kojem se klasificiraju sustavi toplinskih pumpi.

Princip rada toplinskih pumpi temelji se na sposobnosti tijela ili medija da prenose toplinsku energiju drugom tijelu ili mediju. Primatelji i davatelji energije u sustavima toplinskih pumpi obično rade u paru.

Tako se razlikuju sljedeće vrste toplinskih pumpi:

• Zrak – voda.
• Tlo – voda.
• Voda – zrak.
• Voda – voda.
• Zemlja – zrak.
• Voda – voda
• Zrak – zrak.

Pri tome prva riječ određuje vrstu medija iz kojeg sustav oduzima niskotemperaturnu toplinu. Druga označava vrstu nositelja kojem se ta toplinska energija predaje. Tako, u toplinskim pumpama voda – voda, toplina se oduzima vodenom mediju i kao nosač topline koristi se tekućina.

Toplinske pumpe su po konstruktivnom tipu parokompresijski uređaji. One izvlače toplinu iz prirodnih izvora, obrađuju je i transportiraju do potrošača (+)

Suvremene toplinske pumpe koriste tri glavna izvora toplinske energije. To su – tlo, voda i zračni medij. Najjednostavnija od ovih opcija je zračna toplinska pumpa. Popularnost takvih sustava povezana je s njihovom prilično jednostavnom konstrukcijom i lakoćom instalacije.

Međutim, unatoč takvoj popularnosti, ove vrste imaju prilično nisku učinkovitost. Uz to, iskoristivost je nestabilna i ovisna o sezonskim kolebanjima temperature.

Sniženjem temperature njihov učinak značajno opada. Takve se varijante toplinskih pumpi mogu smatrati dodatkom postojećem glavnom izvoru toplinske energije.

Varijante opreme koja koristi toplinu tla smatraju se učinkovitijima. Tlo prima i akumulira toplinsku energiju ne samo od Sunca, već se stalno zagrijava energijom Zemljine jezgre.

Odnosno, tlo je svojevrsni toplinski akumulator čija snaga je praktički neograničena. Pritom je temperatura tla, osobito na određenoj dubini, konstantna i varira u neznatnim granicama.

Područje primjene energije koju proizvode toplinske pumpe:

Stalnost temperature izvora važan je čimbenik stabilnog i učinkovitog rada ove vrste energetske opreme. Sličnim karakteristikama raspolažu sustavi u kojima je vodni medij glavni izvor toplinske energije. Kolektor takvih pumpi smješta se ili u bušotinu, gdje dospijeva u vodonosni sloj, ili u vodenu površinu.

Prosječna godišnja temperatura takvih izvora poput tla i vode varira od +7° do +12°C. Takva temperatura je sasvim dovoljna za osiguranje učinkovitog rada sustava.

Najučinkovitijima se smatraju toplinske pumpe koje izvlače toplinsku energiju iz izvora sa stabilnim temperaturnim pokazateljima, tj. iz vode i tla

Osnovni elementi konstrukcije toplinskih pumpi

Da bi postrojenje za dobivanje energije radilo prema principima rada toplinske pumpe, u njegovoj konstrukciji moraju biti prisutne 4 glavne jedinice, a to su:

• Kompresor.
• Isparivač.
• Kondenzator.
• Prigušni ventil.

Važan element konstrukcije toplinske pumpe je kompresor. Njegova glavna funkcija – povećanje tlaka i temperature para koje nastaju ključanjem rashladnog sredstva. Za klimatizacijsku tehniku i toplinske pumpe, posebice, koriste se moderni spiralni kompresori.

Kao radni medij koji izravno prenosi toplinsku energiju koriste se tekućine s niskom temperaturom vrenja. U pravilu se koristi amonijak i freoni (+)

Takvi kompresori predviđeni su za rad pri negativnim temperaturama. Za razliku od drugih vrsta, spiralni kompresori proizvode malo buke i rade i pri niskim temperaturama vrenja plina i pri visokim temperaturama kondenzacije. Nedvojbena prednost su im kompaktne dimenzije i mala specifična težina.

Praktički sva energija toplinske crpke troši se na transport toplinske energije izvana u unutrašnjost prostorije. Tako se za rad sustava utroši oko 1 energetska jedinica uz proizvodnju 4 – 6 jedinica (+).

Isparivač kao konstrukcijski element predstavlja spremnik u kojem se tekući rashladni medij pretvara u paru. Rashladni medij, kružeći zatvorenim krugom, prolazi kroz isparivač. U njemu se rashladni medij zagrijava i pretvara u paru. Nastala para pod niskim tlakom usmjerava se prema kompresoru.

U kompresoru se pare rashladnog medija izlažu djelovanju tlaka i njihova temperatura raste. Kompresor pod visokim tlakom prebacuje zagrijanu paru prema kondenzatoru.

Kompresor sabija medij koji kruži krugom, uslijed čega se povećavaju njegova temperatura i tlak. Zatim sabijeni medij ulazi u izmjenjivač topline (kondenzator), gdje se hladi, predajući toplinu vodi ili zraku.

Sljedeći konstrukcijski element sustava – kondenzator. Njegova funkcija svodi se na predaju toplinske energije unutarnjem krugu sustava grijanja.

Serijski primjerci koje proizvode industrijska poduzeća opremljeni su pločastim izmjenjivačima topline. Osnovni materijal za takve kondenzatore je legirani čelik ili bakar.

Za samostalnu izradu izmjenjivača topline prikladna je bakrena cijev promjera pola inča. Debljina stijenki cijevi koje se koriste za izradu izmjenjivača topline mora biti najmanje 1 mm.

Termoregulacijski, odnosno prigušni ventil, ugrađuje se na početku onog dijela hidrauličkog kruga gdje se medij visokog tlaka pretvara u medij niskog tlaka. Preciznije, prigušnica u paru s kompresorom dijele krug toplinske crpke na dva dijela: jedan s visokim parametrima tlaka, drugi – s niskim.

Prolaskom kroz ekspanzijski prigušni ventil tekućina koja kruži zatvorenim krugom djelomično isparava, uslijed čega tlak zajedno s temperaturom pada. Zatim ulazi u izmjenjivač topline koji je u kontaktu s okolinom. Tamo preuzima energiju okoline i prenosi je natrag u sustav.

Pomoću prigušnog ventila regulira se protok rashladnog sredstva prema isparivaču. Pri odabiru ventila potrebno je uzeti u obzir parametre sustava. Ventil mora odgovarati tim parametrima.

Prolaskom kroz termoregulacijski ventil tekući toplinski medij djelomično isparava, a temperatura toka se snižava (+)

Odabir tipa toplinske pumpe

Glavni pokazatelj ovog sustava grijanja je snaga. O snazi će prvenstveno ovisiti financijski troškovi nabave opreme i odabir pojedinog izvora niskotemperaturne topline. Što je veća snaga sustava toplinske pumpe, to je veći trošak komponenti.

Prije svega se misli na snagu kompresora, dubinu bušotina za geotermalne sonde ili površinu za postavljanje horizontalnog kolektora. Ispravni termodinamički proračuni svojevrsno su jamstvo da će sustav učinkovito raditi.

Ako se uz privatnu parcelu nalazi vodena površina, najisplativiji i najučinkovitiji izbor bit će toplinska pumpa voda-voda

Za početak treba proučiti parcelu na kojoj se planira montaža pumpe. Idealno stanje je postojanje vodene površine na toj parceli. Korištenje varijante tipa voda-voda znatno će smanjiti opseg zemljanih radova.

Korištenje topline zemlje, naprotiv, zahtijeva velik broj radova povezanih s iskopom tla. Sustavi koji kao niskopotencijalnu toplinu koriste vodenu sredinu smatraju se najučinkovitijima.

Uređaj toplinske pumpe koja izvlači toplinsku energiju iz tla zahtijeva obavljanje znatnog broja zemljanih radova. Kolektor se polaže ispod razine sezonskog smrzavanja.

Toplinsku energiju tla moguće je koristiti na dva načina. Prvi uključuje bušenje bušotina promjera 100-168 mm. Dubina takvih bušotina, ovisno o parametrima sustava, može doseći 100 m i više.

U te bušotine postavljaju se posebne sonde. Pri drugom načinu koristi se kolektor od cijevi. Takav kolektor smješta se pod zemljom u vodoravnoj ravnini. Za ovu varijantu potrebna je dovoljno velika površina.

Za polaganje kolektora idealnim se smatraju parcele s vlažnim tlom. Naravno, bušenje bušotina bit će skuplje od horizontalnog postavljanja kolektora. Međutim, nema svaka parcela slobodne površine. Za jedan kW snage toplinske pumpe potrebno je od 30 do 50 m² površine.

Izgradnja sustava za crpljenje toplinske energije pomoću jedne duboke bušotine može biti tek nešto jeftinija od kopanja temeljne jame. No, značajna prednost leži u znatnoj uštedi prostora, što je važno za vlasnike malih zemljišta.

U slučaju postojanja plitkog vodonosnog sloja na zemljištu, izmjenjivače topline može se postaviti u dvije bušotine udaljene oko 15 m jedna od druge.

Crpljenje toplinske energije u takvim sustavima vrši se prepumpavanjem podzemne vode kroz zatvoreni krug, čiji su dijelovi smješteni u bušotinama. Takav sustav zahtijeva ugradnju filtra i periodično čišćenje izmjenjivača topline.

Najjednostavnija i najjeftinija shema toplinske pumpe temelji se na izvlačenju toplinske energije iz zraka. Nekada je poslužila kao osnova za izradu hladnjaka, a kasnije su prema njezinim načelima razvijeni klima-uređaji.

Najjednostavniji toplinski pumpni sustav dobiva energiju iz zračne mase. Ljeti sudjeluje u grijanju, zimi u klimatizaciji. Nedostatak sustava je taj što u samostalnoj izvedbi jedinica ima nedovoljnu snagu.

Učinkovitost različitih tipova ove opreme nije jednaka. Najslabije pokazatelje imaju pumpe koje koriste zračni medij. Osim toga, ti pokazatelji izravno ovise o vremenskim uvjetima.

Podzemni tipovi toplinskih pumpi imaju stabilne pokazatelje. Koeficijent učinkovitosti tih sustava varira od 2,8 do 3,3. Najveću učinkovitost imaju sustavi voda-voda. To je povezano, prije svega, sa stabilnošću temperature izvora.

Treba napomenuti da što je dublje smješten kolektor pumpe u vodenom tijelu, to će temperatura biti stabilnija. Za postizanje snage sustava od 10 kW potrebno je oko 300 metara cjevovoda.

Glavnim parametrom koji karakterizira učinkovitost rada toplinske pumpe smatra se njezin koeficijent pretvorbe. Što je veći koeficijent pretvorbe, to se toplinska pumpa smatra učinkovitijom.

Koeficijent pretvorbe toplinske pumpe izražava se omjerom pokazatelja toplinskog toka i električne snage utrošene za rad kompresora.

Montaža toplinske pumpe vlastitim snagama

Poznavajući shemu djelovanja i konstrukciju toplinske pumpe, sasvim je moguće sastaviti i montirati samostalno sustav alternativnog grijanja. Prije početka rada potrebno je izračunati sve glavne parametre budućeg sustava. Za izračun parametara buduće pumpe može se koristiti programski alat namijenjen optimizaciji rashladnih sustava.

Najjednostavnija opcija za izgradnju je sustav zrak-voda. Ne zahtijeva složene radove na uređenju vanjskog kruga, koji je svojstven vodenim i zemljanim vrstama toplinskih crpki. Za montažu su potrebna samo dva kanala, kroz jedan se dovoditi zrak, a kroz drugi odvoditi iskorištena masa.

Najlakše je vlastitim rukama napraviti toplinsku crpku koja crpi toplinu iz zračne mase. Vanjski ventilator tjera zrak na isparivač.

Osim ventilatora, potrebno je nabaviti kompresor potrebne snage. Za takav uređaj sasvim odgovara kompresor kakvim su opremljene uobičajene split-sustavi. Nije nužno kupiti novi uređaj.

Može se skinuti sa stare opreme ili koristiti dijelove starog hladnjaka. Poželjno je koristiti spiralni tip. Ove inačice kompresora, osim dovoljne učinkovitosti, stvaraju visoki tlak koji osigurava povišenje temperature.

Za izradu kondenzatora bit će potrebna posuda i bakrena cijev. Od cijevi se izrađuje zavojnica. Za njezinu izradu koristi se bilo koje cilindrično tijelo potrebnog promjera. Namotavanjem bakrene cijevi na njega može se lako i brzo izraditi ovaj konstrukcijski element.

Gotova zavojnica se ugrađuje u prethodno prepolovljenu posudu. Za izradu posude bolje je koristiti materijale otporne na koroziju. Nakon smještanja zavojnice, polovice spremnika se zavaruju.

Površina zavojnice izračunava se sljedećom formulom:

MT/0,8 RT,

gdje:

• MT – snaga toplinske energije koju sustav proizvodi.
• 0,8 – koeficijent toplinske vodljivosti pri interakciji vode s materijalom zavojnice.
• RT – razlika temperature vode na ulazu i izlazu.

Prilikom odabira bakrene cijevi za samostalnu izradu zavojnice, treba obratiti pozornost na debljinu stijenki. Ona mora biti najmanje 1 mm. U protivnom će se cijev tijekom namotavanja deformirati. Cijev kroz koju ulazi rashladno sredstvo smješta se u gornjem dijelu posude.

Izmjenjivač topline od bakrene cijevi izrađuje se namotavanjem bakrene cijevi na predmet cilindričnog oblika. Što je veća površina zavojnice, to je veća učinkovitost crpke.

Isparivač toplinske crpke može se izvesti u dvije inačice – kao posuda sa zavojnicom unutar nje i kao cijev u cijevi. Budući da je temperatura tekućine u isparivaču niska, posuda se može izraditi od plastične bačve. U tu posudu se smješta krug koji je izrađen od bakrene cijevi.

Za razliku od kondenzatora, spirala zavojnice isparivača mora odgovarati promjeru i visini odabranog spremnika. Druga varijanta isparivača: cijev u cijevi. U toj varijanti cijev s rashladnim sredstvom smještena je u plastičnu cijev većeg promjera kroz koju cirkulira voda.

Duljina takve cijevi ovisi o planiranoj snazi pumpe. Može biti od 25 do 40 metara. Takva se cijev savija u spiralu.

Termoregulacijski ventil spada u zaporno-regulacijsku cjevovodnu armaturu. Kao zaporni element u TRV-u koristi se igla. Položaj zapornog elementa ventila uvjetovan je temperaturom u isparivaču.

Ovaj važan element sustava ima prilično složenu konstrukciju. U njegov sastav ulaze:

• Termoelement.
• Dijafragma.
• Kapilarna cijev.
• Termobalon.

Ovi elementi mogu postati neupotrebljivi pri visokoj temperature. Stoga tijekom radova na lemljenju sustava ventil treba izolirati pomoću azbestne tkanine. Regulacijski ventil mora odgovarati kapacitetu isparivača.

Nakon izvođenja radova na izradi glavnih konstrukcijskih dijelova nastupa odgovoran trenutak sastavljanja cijele konstrukcije u jednu cjelinu. Najodgovornija faza je proces punjenja rashladnog sredstva ili toplinskog medija u sustav.

Samostalno provođenje takve operacije vjerojatno nije u mogućnosti običnog laika. Ovdje ćete se morati obratiti profesionalcima koji se bave popravkom i održavanjem klimatizacijske opreme.

Radnici u ovom području obično imaju potrebnu opremu. Osim punjenja rashladnog sredstva, mogu testirati rad sustava. Samostalno ubrizgavanje rashladnog sredstva može dovesti ne samo do kvara konstrukcije, već i do ozbiljnih ozljeda. Osim toga, za pokretanje sustava također je potrebna posebna oprema.

Pri pokretanju sustava javlja se vršno startno opterećenje koje obično iznosi oko 40 A. Stoga je pokretanje sustava bez startnog releja nemoguće. Nakon prvog pokretanja potrebno je podešavanje ventila i tlaka rashladnog sredstva.

Odabiru rashladnog sredstva treba pristupiti s najvećom ozbiljnošću. Upravo se ova tvar u osnovi smatra glavnim “nositeljem” korisne toplinske energije. Od postojećih modernih rashladnih sredstava najveću popularnost uživaju freoni. To su derivati ugljikovodičnih spojeva u kojima se dio ugljikovih atoma zamjenjuje drugim elementima.

Kao rezultat sastavljanja pojedinih elemenata toplinske pumpe trebao bi se dobiti zatvoreni krug u kojem cirkulira radna tvar.

Kao rezultat ovih radova dobiven je sustav sa zatvorenim krugom. U njemu će cirkulirati rashladno sredstvo, osiguravajući preuzimanje i prijenos toplinske energije od isparivača do kondenzatora. Pri povezivanju toplinskih pumpi na sustav opskrbe toplinom kuće treba uzeti u obzir da temperatura vode na izlazu iz kondenzatora ne prelazi 50 – 60 stupnjeva.

Zbog niske temperature toplinske energije koju proizvodi toplinska pumpa, kao potrošač topline potrebno je odabrati specijalizirane uređaje za grijanje. To može biti podno grijanje ili veliki niskoinersijski radijatori od aluminija ili čelika s velikom površinom zračenja.

Ručno izrađene verzije toplinskih pumpi najprikladnije je razmatrati kao pomoćnu opremu koja podržava i nadopunjuje rad glavnog izvora.

Svake godine konstrukcije toplinskih pumpi se usavršavaju. U industrijskim modelima namijenjenim za kućnu upotrebu koriste se učinkovitije površine za prijenos topline. Kao rezultat, performanse sustava stalno rastu.

Važan čimbenik koji potiče razvoj ove tehnologije proizvodnje toplinske energije je ekološka komponenta. Ovi sustavi, osim što su prilično učinkoviti, ne onečišćuju okoliš. Odsutnost otvorenog plamena čini njihov rad potpuno sigurnim.

Zaključci i koristan video na temu

Video #1. Kako napraviti najjednostavniju ručno izrađenu toplinsku pumpu s izmjenjivačem topline od PEX cijevi:

Video #2. Nastavak uputa:

Kao alternativni sustavi grijanja već se dugo koriste toplinske pumpe. Ovi sustavi su pouzdani, imaju dug vijek trajanja i, što je važno, bezopasni su za okoliš. Počinju se ozbiljno razmatrati kao sljedeći korak u razvoju učinkovitih i sigurnih sustava grijanja.

Želite li postaviti pitanje ili ispričati o zanimljivom načinu izgradnje toplinske pumpe koji nije spomenut u članku? Molimo Vas, napišite komentare u bloku ispod.