Cách làm máy bơm nhiệt để sưởi ấm ngôi nhà bằng chính đôi tay của bạn: nguyên lý hoạt động và sơ đồ lắp ráp

Các phiên bản đầu tiên của máy bơm nhiệt chỉ có thể đáp ứng một phần nhu cầu về năng lượng nhiệt.Các giống hiện đại hiệu quả hơn và có thể được sử dụng cho hệ thống sưởi ấm. Đây là lý do tại sao nhiều chủ nhà cố gắng lắp đặt máy bơm nhiệt bằng tay của chính mình.

Chúng tôi sẽ cho bạn biết cách chọn tùy chọn tốt nhất cho máy bơm nhiệt, có tính đến dữ liệu địa lý của khu vực dự kiến ​​lắp đặt nó. Bài viết được đề xuất xem xét mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động của các hệ thống “năng lượng xanh” và liệt kê những điểm khác biệt. Với lời khuyên của chúng tôi, bạn chắc chắn sẽ chọn được một loại hiệu quả.

Đối với những người thợ thủ công độc lập, chúng tôi trình bày công nghệ lắp ráp máy bơm nhiệt. Thông tin được trình bày để xem xét được bổ sung bằng sơ đồ trực quan, lựa chọn ảnh và video hướng dẫn chi tiết gồm hai phần.

Máy bơm nhiệt là gì và nó hoạt động như thế nào?

Thuật ngữ bơm nhiệt dùng để chỉ một bộ thiết bị cụ thể. Chức năng chính của thiết bị này là thu năng lượng nhiệt và vận chuyển đến người tiêu dùng. Nguồn năng lượng như vậy có thể là bất kỳ cơ thể hoặc môi trường nào có nhiệt độ từ +1° trở lên.

Có quá nhiều nguồn nhiệt độ thấp trong môi trường của chúng ta. Đây là chất thải công nghiệp từ các doanh nghiệp, nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân, nước thải, v.v. Để vận hành máy bơm nhiệt trong sưởi ấm gia đình, cần có ba nguồn tự nhiên tự tái tạo - không khí, nước và đất.

Bơm nhiệt lấy năng lượng từ các quá trình thường xuyên xảy ra trong môi trường.Dòng chảy của các quá trình không bao giờ dừng lại, bởi vì các nguồn tài nguyên được coi là vô tận theo tiêu chí của con người

Ba nhà cung cấp năng lượng tiềm năng được liệt kê có liên quan trực tiếp đến năng lượng của mặt trời, bằng cách đốt nóng, sẽ di chuyển không khí theo gió và truyền năng lượng nhiệt đến trái đất. Việc lựa chọn nguồn là tiêu chí chính để phân loại hệ thống bơm nhiệt.

Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt dựa trên khả năng của cơ thể hoặc phương tiện truyền năng lượng nhiệt sang cơ thể hoặc môi trường khác. Bộ thu và bộ cung cấp năng lượng trong hệ thống bơm nhiệt thường hoạt động theo cặp.

Các loại máy bơm nhiệt sau đây được phân biệt:

• Không khí là nước.
• Trái đất là nước.
• Nước là không khí.
• Nước là nước.
• Trái đất là không khí.
• Nước nước
• Không khí là không khí.

Trong trường hợp này, từ đầu tiên xác định loại môi trường mà hệ thống lấy nhiệt ở nhiệt độ thấp. Thứ hai chỉ ra loại chất mang mà năng lượng nhiệt này được truyền tới. Vì vậy, trong máy bơm nhiệt, nước là nước, nhiệt được lấy từ môi trường nước và chất lỏng được sử dụng làm chất làm mát.

Theo thiết kế, bơm nhiệt là thiết bị nén hơi. Họ trích nhiệt từ các nguồn tự nhiên, xử lý và vận chuyển đến người tiêu dùng (+)

Máy bơm nhiệt hiện đại sử dụng ba nguồn năng lượng nhiệt. Đây là đất, nước và không khí. Đơn giản nhất trong số các tùy chọn này là máy bơm nhiệt nguồn không khí. Sự phổ biến của các hệ thống như vậy là do thiết kế khá đơn giản và dễ cài đặt.

Tuy nhiên, mặc dù phổ biến như vậy nhưng những giống này có năng suất khá thấp. Ngoài ra, hiệu quả không ổn định và phụ thuộc vào sự biến động nhiệt độ theo mùa.

Khi nhiệt độ giảm, hiệu suất của chúng giảm đáng kể. Các lựa chọn bơm nhiệt như vậy có thể được coi là sự bổ sung cho nguồn năng lượng nhiệt chính hiện có.

Tùy chọn thiết bị sử dụng nhiệt mặt đất, được coi là hiệu quả hơn. Đất tiếp nhận và tích lũy nhiệt năng không chỉ từ Mặt trời mà còn liên tục được đốt nóng bởi năng lượng của lõi Trái đất.

Nghĩa là, đất là một loại chất tích nhiệt, sức mạnh của nó thực tế là không giới hạn. Hơn nữa, nhiệt độ đất, đặc biệt là ở một số độ sâu, không đổi và dao động trong giới hạn không đáng kể.

Phạm vi ứng dụng năng lượng do bơm nhiệt tạo ra:

Sự ổn định của nhiệt độ nguồn là yếu tố quan trọng đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của loại thiết bị điện này. Các hệ thống trong đó môi trường nước là nguồn năng lượng nhiệt chính có những đặc điểm tương tự. Bộ thu của các máy bơm như vậy được đặt trong giếng, nơi nó kết thúc trong tầng ngậm nước hoặc trong bể chứa.

Nhiệt độ trung bình hàng năm của các nguồn như đất, nước thay đổi từ +7° đến + 12° C. Nhiệt độ này khá đủ để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

Hiệu quả nhất là máy bơm nhiệt lấy năng lượng nhiệt từ các nguồn có chỉ số nhiệt độ ổn định, tức là. từ nước và đất

Các yếu tố thiết kế cơ bản của máy bơm nhiệt

Để hệ thống sản xuất năng lượng hoạt động theo nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt, thiết kế của nó phải có 4 bộ phận chính, đó là:

• Máy nén.
• Máy bay hơi.
• Tụ điện.
• Van tiết lưu.

Một yếu tố quan trọng của thiết kế bơm nhiệt là máy nén. Chức năng chính của nó là tăng áp suất và nhiệt độ của hơi hình thành do sự sôi của chất làm lạnh. Máy nén cuộn hiện đại được sử dụng đặc biệt cho thiết bị kiểm soát khí hậu và máy bơm nhiệt.

Chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp được sử dụng làm chất lỏng truyền nhiệt trực tiếp. Theo quy định, amoniac và freon được sử dụng (+)

Máy nén như vậy được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ dưới 0. Không giống như các loại khác, máy nén cuộn tạo ra ít tiếng ồn và hoạt động ở cả nhiệt độ sôi khí thấp và nhiệt độ ngưng tụ cao. Một lợi thế không thể nghi ngờ là kích thước nhỏ gọn và trọng lượng riêng thấp.

Hầu như toàn bộ năng lượng của máy bơm nhiệt được dùng để vận chuyển năng lượng nhiệt từ bên ngoài vào trong phòng. Như vậy cần khoảng 1 đơn vị năng lượng để vận hành hệ thống khi sản xuất 4 - 6 đơn vị (+)

Thiết bị bay hơi với tư cách là một bộ phận cấu trúc là một thùng chứa trong đó chất làm lạnh dạng lỏng được chuyển thành hơi. Chất làm lạnh lưu thông trong một mạch kín và đi qua thiết bị bay hơi. Trong đó, chất làm lạnh nóng lên và biến thành hơi nước.Hơi nước thu được được dẫn về phía máy nén dưới áp suất thấp.

Trong máy nén, hơi môi chất lạnh được điều áp và nhiệt độ của chúng tăng lên. Máy nén bơm hơi nước nóng dưới áp suất cao về phía bình ngưng.

Máy nén nén môi trường tuần hoàn dọc theo mạch, dẫn đến tăng nhiệt độ và áp suất. Sau đó môi trường nén đi vào bộ trao đổi nhiệt (bình ngưng), tại đây nó được làm mát, truyền nhiệt sang nước hoặc không khí

Phần tử cấu trúc tiếp theo của hệ thống là tụ điện. Chức năng của nó giảm xuống còn việc giải phóng năng lượng nhiệt vào mạch bên trong của hệ thống sưởi.

Các mẫu nối tiếp do các doanh nghiệp công nghiệp sản xuất được trang bị bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Vật liệu chính để làm tụ điện như vậy là thép hợp kim hoặc đồng.

Để tự làm bộ trao đổi nhiệt, một ống đồng có đường kính nửa inch là phù hợp. Độ dày thành ống dùng để sản xuất bộ trao đổi nhiệt phải ít nhất là 1 mm

Van điều nhiệt, hay nói cách khác là van tiết lưu, được lắp ở đầu phần đó của mạch thủy lực, nơi môi trường tuần hoàn áp suất cao được chuyển đổi thành môi trường áp suất thấp. Chính xác hơn, một van tiết lưu kết hợp với máy nén chia mạch bơm nhiệt thành hai phần: một phần có thông số áp suất cao, phần còn lại có thông số áp suất thấp.

Khi đi qua van tiết lưu giãn nở, chất lỏng tuần hoàn trong mạch kín bốc hơi một phần, do đó áp suất và nhiệt độ giảm xuống. Sau đó, nó đi vào một bộ trao đổi nhiệt giao tiếp với môi trường. Ở đó, nó thu năng lượng của môi trường và truyền trở lại hệ thống.

Van tiết lưu điều chỉnh dòng chất làm lạnh về phía thiết bị bay hơi. Khi chọn van, bạn cần tính đến các thông số của hệ thống. Van phải đáp ứng các thông số này.

Khi đi qua van điều khiển nhiệt, chất lỏng làm mát bay hơi một phần và nhiệt độ dòng chảy giảm (+)

Lựa chọn loại bơm nhiệt

Chỉ số chính của hệ thống sưởi ấm này là sức mạnh. Chi phí tài chính của việc mua thiết bị và lựa chọn nguồn nhiệt độ thấp này hay nguồn khác sẽ chủ yếu phụ thuộc vào nguồn điện. Công suất của hệ thống bơm nhiệt càng cao thì giá thành của các linh kiện càng cao.

Trước hết, chúng tôi muốn nói đến công suất của máy nén, độ sâu của giếng dành cho đầu dò địa nhiệt hoặc khu vực đặt bộ thu ngang. Tính toán nhiệt động chính xác là một loại đảm bảo rằng hệ thống sẽ hoạt động hiệu quả.

Nếu có một cái ao gần nhà riêng của bạn, sự lựa chọn hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất sẽ là máy bơm nhiệt chuyển nước sang nước

Đầu tiên, bạn nên nghiên cứu khu vực dự định lắp đặt máy bơm. Điều kiện lý tưởng sẽ là sự hiện diện của một hồ chứa ở khu vực này. Cách sử dụng tùy chọn loại nước-nước sẽ giảm đáng kể khối lượng công việc đào đất.

Ngược lại, việc sử dụng sức nóng của trái đất bao gồm một số lượng lớn công việc liên quan đến việc khai quật. Các hệ thống sử dụng môi trường nước làm nhiệt độ thấp được coi là hiệu quả nhất.

Việc thiết kế một máy bơm nhiệt lấy năng lượng nhiệt từ lòng đất đòi hỏi khối lượng công việc đào đất rất lớn. Bộ thu gom được đặt dưới mức đóng băng theo mùa

Năng lượng nhiệt của đất có thể được sử dụng theo hai cách. Việc đầu tiên liên quan đến việc khoan giếng có đường kính 100-168 mm. Độ sâu của các giếng như vậy, tùy thuộc vào thông số hệ thống, có thể đạt tới 100 m trở lên.

Các đầu dò đặc biệt được đặt trong các giếng này. Phương pháp thứ hai sử dụng bộ thu ống. Bộ thu gom như vậy được đặt dưới lòng đất trong mặt phẳng nằm ngang. Tùy chọn này đòi hỏi một diện tích khá lớn.

Những khu vực có đất ẩm được coi là lý tưởng để đặt máy thu gom. Đương nhiên, việc khoan giếng sẽ tốn kém hơn so với việc định vị bể chứa theo chiều ngang. Tuy nhiên, không phải mọi trang web đều có dung lượng trống. Để có một kW công suất bơm nhiệt, bạn cần diện tích từ 30 đến 50 mét vuông.

Cấu trúc thu thập năng lượng nhiệt với một giếng sâu có thể rẻ hơn một chút so với việc đào một cái hố. Nhưng một điểm cộng đáng kể là tiết kiệm không gian đáng kể, điều này rất quan trọng đối với chủ sở hữu những mảnh đất nhỏ.

Nếu tại khu vực này có tầng nước ngầm cao, các bộ trao đổi nhiệt có thể được lắp đặt trong hai giếng nằm cách nhau khoảng 15 m.

Năng lượng nhiệt được thu thập trong các hệ thống như vậy bằng cách bơm nước ngầm qua một mạch kín, một phần của mạch này được đặt trong giếng. Hệ thống như vậy yêu cầu lắp đặt bộ lọc và vệ sinh bộ trao đổi nhiệt định kỳ.

Sơ đồ bơm nhiệt đơn giản và rẻ nhất dựa trên việc lấy năng lượng nhiệt từ không khí. Nó từng trở thành nền tảng cho tủ lạnh, sau này máy điều hòa không khí được phát triển theo nguyên tắc của nó.

Hệ thống bơm nhiệt đơn giản nhất nhận năng lượng từ khối không khí. Vào mùa hè, nó liên quan đến sưởi ấm, vào mùa đông - điều hòa không khí.Nhược điểm của hệ thống là thiết bị độc lập không đủ điện

Hiệu quả của các loại thiết bị này là không giống nhau. Máy bơm sử dụng không khí có hiệu suất thấp nhất. Ngoài ra, các chỉ số này phụ thuộc trực tiếp vào điều kiện thời tiết.

Các loại máy bơm nhiệt đặt trên mặt đất có hiệu suất hoạt động ổn định. Hệ số hiệu quả của các hệ thống này dao động trong khoảng 2,8 -3,3. Hệ thống chuyển nước thành nước là hiệu quả nhất. Điều này trước hết là do sự ổn định của nhiệt độ nguồn.

Cần lưu ý rằng ống góp bơm nằm trong bể càng sâu thì nhiệt độ sẽ càng ổn định. Để có được công suất hệ thống 10 kW, cần khoảng 300 mét đường ống.

Thông số chính đặc trưng cho hiệu suất của bơm nhiệt là hệ số chuyển đổi của nó. Hệ số chuyển đổi càng cao thì bơm nhiệt càng hiệu quả.

Hệ số chuyển đổi của bơm nhiệt được biểu thị thông qua tỷ số giữa dòng nhiệt và năng lượng điện tiêu hao để vận hành máy nén

Tự lắp ráp máy bơm nhiệt

Biết sơ đồ hoạt động và cấu tạo của bơm nhiệt, tự lắp ráp và lắp đặt hệ thống sưởi ấm thay thế khá có thể. Trước khi bắt đầu công việc, cần tính toán tất cả các thông số chính của hệ thống trong tương lai. Để tính toán các thông số của máy bơm trong tương lai, bạn có thể sử dụng phần mềm được thiết kế để tối ưu hóa hệ thống làm mát.

Tùy chọn dễ nhất để xây dựng là hệ thống không khí-nước. Nó không yêu cầu công việc phức tạp trong việc xây dựng mạch bên ngoài vốn có trong các loại máy bơm nhiệt trên mặt đất và nước. Để lắp đặt, bạn sẽ chỉ cần hai kênh, một trong số đó sẽ cung cấp không khí và kênh thứ hai sẽ xả khối lượng chất thải.

Cách dễ nhất là tự tay bạn chế tạo một máy bơm nhiệt để hút nhiệt từ khối không khí. Một chiếc quạt ngoài trời thổi không khí vào thiết bị bay hơi

Ngoài quạt, bạn cần có một máy nén có công suất cần thiết. Đối với một thiết bị như vậy, máy nén được trang bị bộ điều khiển thông thường hệ thống phân chia. Không cần thiết phải mua một đơn vị mới.

Bạn có thể gỡ bỏ nó khỏi thiết bị cũ hoặc sử dụng nó linh kiện tủ lạnh cũ. Nên sử dụng loại xoắn ốc. Các tùy chọn máy nén này, ngoài việc khá hiệu quả, còn tạo ra áp suất cao tạo ra nhiệt độ cao hơn.

Để lắp một tụ điện, bạn sẽ cần một thùng chứa và một ống đồng. Một cuộn dây được làm từ một đường ống. Để sản xuất nó, bất kỳ thân hình trụ nào có đường kính yêu cầu đều được sử dụng. Bằng cách quấn một ống đồng xung quanh nó, bạn có thể dễ dàng và nhanh chóng tạo ra phần tử cấu trúc này.

Cuộn dây đã hoàn thành được gắn vào một thùng chứa đã được cắt làm đôi trước đó. Để sản xuất thùng chứa, tốt hơn là sử dụng vật liệu có khả năng chống lại quá trình ăn mòn. Sau khi đặt cuộn dây vào đó, các nửa bể được hàn.

Diện tích cuộn dây được tính theo công thức sau:

MT/0,8 RT,

Ở đâu:

• MT - sức mạnh của năng lượng nhiệt mà hệ thống tạo ra.
• 0,8 - hệ số dẫn nhiệt khi nước tương tác với vật liệu cuộn dây.
• RT - chênh lệch nhiệt độ nước ở đầu vào và đầu ra.

Khi chọn ống đồng để tự làm cuộn dây, bạn cần chú ý đến độ dày thành ống. Nó phải có ít nhất 1 mm. Nếu không, đường ống sẽ bị biến dạng trong quá trình quấn dây. Đường ống dẫn chất làm lạnh đi vào nằm ở phần trên của thùng chứa.

Bộ trao đổi nhiệt ống đồng được chế tạo bằng cách cuộn ống đồng lên một vật thể hình trụ. Diện tích bề mặt của cuộn dây càng lớn thì hiệu suất bơm càng cao

Thiết bị bay hơi bơm nhiệt có thể được chế tạo thành hai phiên bản - ở dạng thùng chứa có cuộn dây nằm trong đó và ở dạng ống trong ống. Vì nhiệt độ của chất lỏng trong thiết bị bay hơi thấp nên thùng chứa có thể được làm từ thùng nhựa. Một mạch làm bằng ống đồng được đặt trong thùng chứa này.

Không giống như bình ngưng, cuộn dây của dàn bay hơi phải phù hợp với đường kính và chiều cao của bình chứa đã chọn. Tùy chọn thiết bị bay hơi thứ hai: ống trong ống. Theo phương án này, ống làm lạnh được đặt trong ống nhựa có đường kính lớn hơn để nước lưu thông qua đó.

Chiều dài của đường ống như vậy phụ thuộc vào công suất bơm theo kế hoạch. Nó có thể từ 25 đến 40 mét. Một đường ống như vậy được cuộn thành hình xoắn ốc.

Van điều nhiệt dùng để chỉ các phụ kiện đường ống tắt và điều khiển. Một chiếc kim được sử dụng làm bộ phận đóng trong van tiết lưu. Vị trí của bộ phận đóng van được xác định bởi nhiệt độ trong thiết bị bay hơi.

Yếu tố quan trọng này của hệ thống có thiết kế khá phức tạp. Nó bao gồm:

• Cặp nhiệt điện.
• Cơ hoành.
• Ống mao dẫn.
• Bóng nhiệt.

Những yếu tố này có thể trở nên không sử dụng được ở nhiệt độ cao.Vì vậy, trong quá trình hàn trên hệ thống, van phải được cách nhiệt bằng vải amiăng. Van điều khiển phải phù hợp với công suất thiết bị bay hơi.

Sau khi thực hiện công việc sản xuất các bộ phận kết cấu chính, thời điểm quan trọng sẽ đến khi lắp ráp toàn bộ kết cấu thành một khối duy nhất. Giai đoạn quan trọng nhất là quá trình phun môi chất lạnh hoặc chất làm mát vào hệ thống.

Một người bình thường khó có thể thực hiện một hoạt động như vậy một cách độc lập. Ở đây bạn sẽ phải nhờ đến các chuyên gia sửa chữa và bảo trì thiết bị kiểm soát khí hậu.

Người lao động trong lĩnh vực này thường có những thiết bị cần thiết. Ngoài việc sạc chất làm lạnh, họ có thể kiểm tra hoạt động của hệ thống. Việc tự bơm chất làm lạnh không chỉ có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc mà còn gây thương tích nghiêm trọng. Ngoài ra, cũng cần có thiết bị đặc biệt để vận hành hệ thống.

Khi hệ thống khởi động, tải khởi động cao nhất xảy ra, thường là khoảng 40 A. Do đó, việc khởi động hệ thống mà không có rơle khởi động là không thể. Sau lần khởi động đầu tiên, việc điều chỉnh van và áp suất môi chất lạnh là cần thiết.

Việc lựa chọn chất làm lạnh cần được thực hiện rất nghiêm túc. Xét cho cùng, chất này về cơ bản được coi là “chất mang” chính của năng lượng nhiệt hữu ích. Trong số các chất làm lạnh hiện đại hiện nay, freon là loại phổ biến nhất. Đây là dẫn xuất của các hợp chất hydrocarbon trong đó một số nguyên tử cacbon được thay thế bằng các nguyên tố khác.

Là kết quả của việc lắp ráp các bộ phận riêng lẻ của bơm nhiệt, cần có một vòng khép kín để môi trường làm việc lưu thông

Kết quả của công việc này là một hệ thống vòng kín đã thu được. Chất làm lạnh sẽ lưu thông trong đó, đảm bảo lựa chọn và truyền năng lượng nhiệt từ thiết bị bay hơi đến thiết bị ngưng tụ. Khi kết nối máy bơm nhiệt với hệ thống sưởi ấm gia đình, cần lưu ý nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng không vượt quá 50 - 60 độ.

Do nhiệt độ thấp do bơm nhiệt tạo ra nên phải chọn các thiết bị sưởi chuyên dụng làm thiết bị tiêu thụ nhiệt. Đây có thể là sàn ấm hoặc bộ tản nhiệt quán tính thấp thể tích làm bằng nhôm hoặc thép với diện tích bức xạ lớn.

Các lựa chọn bơm nhiệt tự chế được coi là thiết bị phụ trợ phù hợp nhất để hỗ trợ và bổ sung cho hoạt động của nguồn chính.

Mỗi năm, thiết kế bơm nhiệt được cải tiến. Các kiểu dáng công nghiệp dành cho mục đích sử dụng trong gia đình sử dụng bề mặt truyền nhiệt hiệu quả hơn. Kết quả là hiệu suất hệ thống không ngừng tăng lên.

Một yếu tố quan trọng kích thích sự phát triển của công nghệ sản xuất năng lượng nhiệt đó là thành phần môi trường. Những hệ thống như vậy, ngoài việc khá hiệu quả, còn không gây ô nhiễm môi trường. Việc không có ngọn lửa làm cho hoạt động của nó an toàn tuyệt đối.

Kết luận và video hữu ích về chủ đề này

Video số 1. Cách làm máy bơm nhiệt tự chế đơn giản với bộ trao đổi nhiệt từ ống PEX:

Video số 2. Tiếp tục hướng dẫn:

Máy bơm nhiệt đã được sử dụng làm hệ thống sưởi ấm thay thế từ khá lâu.Những hệ thống này đáng tin cậy, có tuổi thọ lâu dài và quan trọng là thân thiện với môi trường. Chúng đang bắt đầu được coi là bước tiếp theo hướng tới sự phát triển của hệ thống sưởi ấm hiệu quả và an toàn.

Bạn có muốn đặt câu hỏi hoặc cho chúng tôi biết về một cách chế tạo máy bơm nhiệt thú vị chưa được đề cập trong bài viết không? Vui lòng viết bình luận vào khối bên dưới.