Im Gegensatz zu Geräten mit alternativer Energie wie Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen ist die Wärmepumpe weniger bekannt. Und vergebens. Das gebräuchlichste Grundwassersystem funktioniert stabil und hängt nicht vom Wetter oder den klimatischen Bedingungen ab. Und du kannst es selbst machen.
Ein bisschen Theorie
Es ist am einfachsten, die natürliche Wärme der Erde zu nutzen, um ein Haus zu heizen, wenn in der Region geothermisches Wasser vorhanden ist (wie dies in Island der Fall ist). Solche Bedingungen sind jedoch selten..
Gleichzeitig ist Wärmeenergie überall – Sie müssen sie nur extrahieren und zum Funktionieren bringen. Dafür ist die Wärmepumpe da. Was macht er:
- bezieht Energie aus natürlichen Niedertemperaturquellen;
- akkumuliert es, das heißt, erhöht die Temperatur auf hohe Werte;
- gibt es an das Kühlmittel des Heizungssystems weiter.
Grundsätzlich wird ein Standard-Kompressorkühlkreislauf verwendet, jedoch „umgekehrt“. Im ersten Kreislauf zirkuliert ein natürlicher Wärmeträger. Es ist für einen Wärmetauscher geschlossen, der als Verdampfer für den zweiten Kreislauf dient.
1 – Erde; 2 – Solekreislauf; 3 – Umwälzpumpe; 4 – Verdampfer; 5 – Kompressor; 6 – Kondensator; 7 – Heizsystem; 8 – Kältemittel; 9 – ersticken
Der zweite Kreislauf ist die Wärmepumpe selbst, in der sich Freon befindet. Ein Wärmepumpenzyklus besteht aus folgenden Schritten:
- Im Verdampfer wird Freon auf den Siedepunkt erhitzt. Dies hängt von der Art des Freons und dem Druck in diesem Teil des Systems ab (normalerweise bis zu 5 Atmosphären)..
- In einem gasförmigen Zustand tritt Freon in den Kompressor ein und wird auf 25 Atmosphären komprimiert, während seine Temperatur steigt (je höher die Kompression, desto höher die Temperatur). Dies ist die Phase der Wärmespeicherung – von einem großen Volumen mit niedriger Temperatur, einem Übergang zu einem kleinen Volumen mit hoher Temperatur.
- Das durch Druck erhitzte Gas tritt in den Kondensator ein, in dem Wärme auf das Kühlmittel des Heizsystems übertragen wird.
- Nach dem Abkühlen tritt der Freon in die Drossel ein (auch bekannt als Durchflussregler oder Thermostatventil). Darin fällt der Druck ab, Freon kondensiert und kehrt in Form einer Flüssigkeit zum Verdampfer zurück.
Wo ist es besser, Wärme wegzunehmen?
Grundsätzlich gibt es drei Medien, denen Wärme „entzogen“ werden kann:
1. Luft. Bei normalem Druck kochen alle Arten von Freonen bei negativen Temperaturen (z. B. R22 – etwa -25 ° C, R404 und R502 – etwa -30 ° C). Für die Zirkulation im System ist es jedoch notwendig, bereits in der ersten Phase – der Verdampfung – einen Überdruck zu erzeugen. Die gleichen 4 Atmosphären im Verdampfer erfordern, dass die Außenlufttemperatur für R22 mindestens 0 ° C und für R404 und R502 -5 ° C beträgt. In unseren Regionen kann diese Art von Wärmepumpe zum Heizen in der Nebensaison und zur Warmwasserversorgung in der warmen Jahreszeit verwendet werden..
2. Wasser. Dies ist eine stabilere Wärmequelle, vorausgesetzt, das Reservoir gefriert im Winter nicht zu Boden. Aber das Haus sollte nicht nur an einem See oder Fluss liegen, sondern in der ersten Reihe stehen.
3. Erde. Die stabilste Wärmeenergiequelle. Sie können zwei Schemata verwenden – horizontal und vertikal. Horizontal scheint einfacher zu sein, da keine Bohrungen erforderlich sind. Es müssen jedoch große Erdarbeiten durchgeführt werden, um ein System von Gräben bis in eine Tiefe unterhalb des Gefrierpunkts des Bodens zu graben (für mittlere Breiten reicht es von 1 Meter im Westen des europäischen Teils des Landes bis zu 1,6 bis 1,8 näher am Ural, in Sibirien ist die Situation „noch schlimmer „Das vertikale Schema ist vielseitiger und effizienter, erfordert jedoch Bohrungen bis zu einer beträchtlichen Tiefe. Obwohl mehrere flache Bohrlöcher anstelle eines tiefen Bohrlochs verwendet werden können..
Schematische Darstellung
Der Wärmepumpenkreis selbst ist einfach: Verdampfer – Kompressor – Kondensator – Choke – Verdampfer.
Das Herzstück des Kreislaufs ist der Kompressor. Sie können ein neues kaufen, aber es ist billiger, ein gebrauchtes zu finden. Wir sprechen natürlich nicht von Kompressoren mit geringem Stromverbrauch für Haushaltskühlschränke, sondern von Modellen, die in Split-Systemen installiert sind. Es ist notwendig, sich nicht auf den Stromverbrauch zu konzentrieren, sondern auf den Strom im Heizmodus (der 5–20% höher ist als im Kühlmodus)..
Wählen Sie ein Kompressormodell mit einem Verhältnis von 1 kW pro 10 m². Meter beheizte Fläche.
Beachtung! Die Leistung kann nicht nur in kW angegeben werden, sondern auch in BTU (englische Maßeinheit für Wärmeenergie, übernommen für die Klimatechnik). Die Konvertierung ist einfach – dividieren Sie den BTU-Wert durch 3,4.
Bei der Berechnung der Parameter einer Wärmepumpe, einschließlich Wärmetauscher, wird Software zur Modellierung, Berechnung und Optimierung von Kühlsystemen verwendet, z. B. CoolPack
Bereits in der Phase der Berechnungen (oder besser gesagt bei der Angabe des „Eingangs“) können Sie das System optimieren, indem Sie die optimalen thermischen Bedingungen auswählen.
Die Verwendung einer Wärmepumpe ist für Niedertemperaturheizsysteme wirksam, z. B. für Fußbodenheizungen mit einer Temperatur von nicht mehr als 35–40 ° C. Übrigens wird für medizinische Anforderungen an das Warmwassersystem die gleiche Temperatur empfohlen.
Für jede Art von Freon gibt es optimale Temperaturen für „Einlass“ und „Auslass“, genauer gesagt für Kochen und Kondensation, aber der Unterschied in allen von ihnen beträgt nicht mehr als 45-50 ° C..
Es scheint, dass sich ein Temperaturanstieg am Auslass der Wärmepumpe positiv auswirkt, dies ist jedoch nicht der Fall. Die Temperaturdifferenz nimmt ebenfalls zu, was zu einer Verringerung des COP (Umrechnungsfaktor oder Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine) führt. Darüber hinaus erfordert dies die Verwendung eines leistungsstärkeren Kompressors und zusätzlichen Energieverbrauch..
Der ideale COP kann nicht erreicht werden (Verluste im Kompressor, Stromverbrauch, Wärmeverluste während des Transports innerhalb des Systems usw.), daher liegen die tatsächlichen Werte normalerweise im Bereich von 3 bis 5.
Es gibt einen anderen Weg, um die Effizienz zu steigern – die Verwendung eines zweiwertigen Heizkreises.
In der Realität muss das Heizsystem nur für 15–20% der gesamten Saison mit voller Leistung betrieben werden. Während dieser Zeit können Sie zusätzliche Heizgeräte verwenden (z. B. eine Keramikheizung oder einen Konvektor). Durch eine Reduzierung der Auslegungswärmeleistung um bis zu 80% wird der Kompressor eingespart, die Tiefe des Bohrlochs oder die Länge der horizontalen Rohre verringert und der Energieverbrauch für die Wartung der Wärmepumpe selbst gesenkt.
Die Konstruktion des horizontalen oder vertikalen Erdwärmetauschers hängt von der angegebenen Nennleistung der Wärmepumpe und dem COP ab. Im Durchschnitt werden 20 W von jedem Meter des „Horizonts“ (mit einem Rohrverlegeschritt von mindestens 0,7 m) und von der „Vertikalen“ – 50 W entfernt. Die spezifischen Werte hängen jedoch von der Gesteinsart und dem Feuchtigkeitsgehalt ab. Die besten Werte für Grundwasser.
Interessant! Es gibt auch andere Erdwärmetauscher – „Spirale“ oder „Korb“. Tatsächlich handelt es sich um eine vertikale Sonde aus einem Rohr in Form einer Spirale, mit der die Bohrtiefe verringert werden kann..
Berechnen Sie nach der Bestimmung der Länge des horizontalen Kreislaufs oder der Tiefe der vertikalen Sonde die Abmessungen des Verdampfers und des Kondensators.
Herstellung von Verdampfern und Kondensatoren
Sie können vorgefertigte Wärmetauscher sowohl für den Verdampfer (bei niedrigem Druck) als auch für den Kondensator (bei Drücken bis zu 25 bar) kaufen. Es ist jedoch billiger, sie aus einem Kupferrohr für Klimaanlagen (die speziell für die Arbeit mit Kältemitteln bei hohem Druck entwickelt wurden) und improvisierten Behältern herzustellen.
Wichtig! Das Kupferrohr ist nicht so sauber und flexibel. Es ist schlimmer, es während der Installation zu löten und zu rollen.
Die Oberfläche des Wärmetauschers wird berechnet, die direkt proportional zur Wärmeabgabeleistung und umgekehrt proportional zur Temperaturdifferenz der Wärmeträger am Einlass und Auslass jedes angeschlossenen Stromkreises (Erdungs- und Heizsystem) ist..
Bestimmen Sie unter Kenntnis des Rohrdurchmessers und der Oberfläche die Länge jeder Spule für Verdampfer und Kondensator.
Es ist besser, einen Behälter für einen Kondensator aus rostfreiem Stahl herzustellen (die Temperatur des einströmenden Freondampfes kann ziemlich hoch sein):
- Nehmen Sie einen vorgefertigten Tank mit geeignetem Fassungsvermögen (so dass eine Spirale aus einem Kupferrohr passt).
- Legen Sie eine Spule hinein (Eingang oben, Ausgang unten).
- Entfernen Sie die Enden des Kupferrohrs für den Anschluss an den Kompressor und das Expansionsventil (durch Löten oder Flansch).
- Adapter im Tank zum Anschließen der Rohre des Heizungssystems einbinden;
- Deckel schweißen.
Der Verdampfer arbeitet bei niedrigeren Temperaturen, sodass Sie einen günstigeren Kunststoffbehälter verwenden können, in den Adapter geschnitten werden, um ihn an die Erdungsschleife anzuschließen. Es unterscheidet sich vom Kondensator auch in der Position des Wärmetauscherspuleneinlasses (flüssige Phase von Freon vom Expansionsventil) von unten, Auslass zum Kompressor von oben.
Installation der Schaltung
Nach der Herstellung der Wärmetauscher wird der Gashydraulikkreis zusammengebaut:
- Der Kompressor, der Kondensator und der Verdampfer sind installiert.
- Hartlot- oder Flanschkupferrohre;
- Schließen Sie den Verdampfer an die Erdungskreispumpe an.
- Schließen Sie den Kondensator an das Heizsystem an.
1 – Umwälzpumpe des Bodenkreislaufs; 2 – Verdampfer; 3 – Austritt aus der Bodenkontur; 4 – Thermostatventil; 5 – Kompressor; 6 – zum Heizsystem; 7 – Kondensator; 8 – Rücklauf des Heizungssystems
Der Stromkreis (Kompressor, Erdschleifenpumpe, Notautomatisierung) muss über einen speziellen Stromkreis angeschlossen werden, der relativ hohen Anlaufströmen standhalten muss.
Es ist unbedingt erforderlich, einen Leistungsschalter sowie eine Notabschaltung vom Temperaturschalter zu verwenden: am Wasserauslass des Kondensators (mit Überhitzung) und am Soleauslass des Verdampfers (mit Überkühlung)..
Was für Materialien und Werkzeuge werden benötigt, um eine Do-it-yourself-Wärmepumpe zur Beheizung meines Hauses zu installieren?