Hoe maakt u een warmtepomp voor huisverwarming zelf: werkingsprincipe en bouwschema's

De eerste varianten van warmtepompen konden slechts gedeeltelijk voldoen aan de behoeften aan thermische energie. Moderne varianten zijn efficiënter en kunnen worden toegepast voor verwarmingssystemen. Daarom proberen veel huiseigenaren een warmtepomp met eigen handen te installeren.

We zullen u vertellen hoe u de optimale variant van een warmtepomp kunt kiezen, rekening houdend met de gegevens van het perceel waarop deze geplaatst zal worden. In het voorgestelde artikel wordt het werkingsprincipe van systemen die gebruikmaken van “groene energie” in detail beschreven en worden de verschillen opgesomd. Met ons advies zult u ongetwijfeld voor een efficiënt type kiezen.

Voor doe-het-zelvers geven wij de montagetechnologie van een warmtepomp. De ter overweging gepresenteerde informatie wordt aangevuld met duidelijke schema's, fotocollecties en een uitgebreide video-instructie in twee delen.

Wat is een warmtepomp en hoe werkt deze?

Onder de term warmtepomp wordt een set van bepaalde apparatuur verstaan. De belangrijkste functie van deze apparatuur is het verzamelen van thermische energie en het transporteren ervan naar de gebruiker. Een bron van dergelijke energie kan elk lichaam of medium zijn met een temperatuur van +1º en meer graden.

In de omgeving om ons heen zijn er meer dan genoeg bronnen van laagtemperatuurwarmte. Dit zijn industrieel afval van bedrijven, van thermische en kerncentrales, rioolwater enzovoort. Voor de werking van warmtepompen in de sector van woningverwarming zijn drie zelfherstellende natuurlijke bronnen nodig – lucht, water, aarde.

Warmtepompen “putten” energie uit processen die regelmatig in het milieu plaatsvinden. Het verloop van de processen stopt nooit, daarom worden de bronnen als onuitputtelijk beschouwd volgens menselijke criteria.

De drie genoemde potentiële energieleveranciers zijn direct verbonden met de energie van de zon, die door opwarming de lucht met wind in beweging brengt en thermische energie aan de aarde geeft. Juist de keuze van de bron is het belangrijkste criterium op basis waarvan warmtepompsystemen worden geclassificeerd.

Het werkingsprincipe van warmtepompen is gebaseerd op het vermogen van lichamen of media om thermische energie over te dragen aan een ander lichaam of medium. Ontvangers en leveranciers van energie in warmtepompsystemen werken meestal in paren.

Zo onderscheiden we de volgende soorten warmtepompen:

• Lucht – water.
• Aarde – water.
• Water – lucht.
• Water – water.
• Aarde – lucht.
• Water – water
• Lucht – lucht.

Hierbij bepaalt het eerste woord het type medium waaruit het systeem laagtemperatuurwarmte onttrekt. Het tweede geeft het type drager aan waaraan deze thermische energie wordt overgedragen. Zo wordt bij warmtepompen water – water, warmte onttrokken aan een watermedium en wordt vloeistof als warmtedrager gebruikt.

Warmtepompen zijn qua constructietype dampcompressie-installaties. Ze onttrekken warmte aan natuurlijke bronnen, verwerken en transporteren deze naar de gebruikers (+)

Moderne warmtepompen gebruiken drie primaire bronnen van warmte-energie. Dit zijn: grond, water en lucht. De eenvoudigste van deze opties is een luchtwarmtepomp. De populariteit van dergelijke systemen is te danken aan hun vrij eenvoudige constructie en eenvoudige installatie.

Ondanks deze populariteit hebben deze varianten echter een vrij lage prestatie. Bovendien is het rendement instabiel en afhankelijk van seizoensgebonden temperatuurschommelingen.

Bij een temperatuurdaling neemt hun prestatie aanzienlijk af. Dergelijke varianten van warmtepompen kunnen worden beschouwd als een aanvulling op de bestaande primaire warmtebron.

Opties voor apparatuur die gebruikmaakt van grondwarmte worden als efficiënter beschouwd. De grond ontvangt en accumuleert thermische energie niet alleen van de zon. Hij wordt ook voortdurend verwarmd door de energie van de aardkern.

Dat wil zeggen, de grond is een soort thermische accumulator, waarvan de capaciteit praktisch onbeperkt is. Bovendien is de temperatuur van de grond, vooral op een bepaalde diepte, constant en schommelt binnen geringe grenzen.

Toepassingsgebied van energie opgewekt door warmtepompen:

De constantheid van de brontemperatuur is een belangrijke factor voor een stabiele en efficiënte werking van dit type energieapparatuur. Systemen waarbij water de belangrijkste bron van thermische energie is, hebben vergelijkbare kenmerken. De collector van dergelijke pompen wordt ofwel in een boorgat geplaatst, waar deze zich in een watervoerende laag bevindt, ofwel in een waterlichaam.

De gemiddelde jaartemperatuur van bronnen zoals grond en water varieert van +7°C tot +12°C. Deze temperatuur is voldoende om een efficiënte werking van het systeem te garanderen.

Als het meest efficiënt worden warmtepompen beschouwd die thermische energie onttrekken aan bronnen met stabiele temperatuurindicatoren, dat wil zeggen uit water en grond.

Belangrijkste onderdelen van de constructie van warmtepompen

Om ervoor te zorgen dat de energieopwekkingsinstallatie werkt volgens de werkingsprincipes van een warmtepomp, moeten er 4 hoofdcomponenten in de constructie aanwezig zijn, namelijk:

• Compressor.
• Verdamper.
• Condensor.
• Smoorventiel.

Een belangrijk constructie-element van de warmtepomp is de compressor. Zijn hoofdfunctie – het verhogen van de druk en temperatuur van de dampen die ontstaan door het koken van het koelmiddel. Voor klimaatsystemen en warmtepompen worden in het bijzonder moderne spiraalcompressoren gebruikt.

Als werkmedium dat direct thermische energie overdraagt, worden vloeistoffen met een laag kookpunt gebruikt. Meestal worden ammoniak en freonen gebruikt (+)

Dergelijke compressoren zijn ontworpen voor gebruik bij temperaturen onder nul. In tegenstelling tot andere types produceren spiraalcompressoren weinig geluid en werken ze zowel bij lage verdampingstemperaturen van het gas als bij hoge condensatietemperaturen. Een onbetwistbaar voordeel zijn hun compacte afmetingen en lage soortelijk gewicht.

Vrijwel alle energie van de warmtepomp wordt gebruikt voor het transport van thermische energie van buiten naar binnen. Zo wordt er ongeveer 1 energie-eenheid verbruikt voor de werking van de systemen bij de productie van 4 – 6 eenheden (+)

De verdamper als constructief element is een vat waarin de vloeibare koelmiddel in damp wordt omgezet. Het koelmiddel circuleert in een gesloten kringloop en passeert de verdamper. Daarin wordt het koelmiddel verwarmd en verandert het in damp. De gevormde damp wordt onder lage druk naar de compressor geleid.

In de compressor worden de koelmiddeldampen onder druk gezet en hun temperatuur stijgt. De compressor pompt de verhitte damp onder hoge druk naar de condensor.

De compressor comprimeert het circulerende medium in de kringloop, waardoor de temperatuur en druk toenemen. Vervolgens komt het samengeperste medium in de warmtewisselaar (condensor) waar het afkoelt en warmte afgeeft aan water of lucht.

Het volgende constructieve element van het systeem – de condensor. Zijn functie is het afgeven van thermische energie aan de interne kringloop van het verwarmingssysteem.

Seriematige exemplaren die door industriële bedrijven worden geproduceerd, zijn uitgerust met platenwarmtewisselaars. Het basismateriaal voor dergelijke condensors is gelegeerd staal of koper.

Voor het zelf maken van een warmtewisselaar is een koperen buis met een diameter van een halve inch geschikt. De wanddikte van de buizen die voor de warmtewisselaar worden gebruikt, moet minstens 1 mm zijn.

De thermoregulerende, ofwel smoorklep, wordt geïnstalleerd aan het begin van dat deel van het hydraulische circuit waar het circulerende medium met hoge druk wordt omgezet in een medium met lage druk. Nauwkeuriger gezegd: de smoorklep samen met de compressor verdeelt het circuit van de warmtepomp in twee delen: één met hoge drukken, de ander – met lage.

Wanneer de vloeistof die in een gesloten circuit circuleert door de expansie- en smoorafsluiter stroomt, verdampt deze gedeeltelijk, waardoor de druk samen met de temperatuur daalt. Vervolgens komt het in de warmtewisselaar die in verbinding staat met de omgeving. Daar neemt het energie uit de omgeving op en brengt die terug naar het systeem.

Met behulp van de smoorklep wordt de stroom van het koelmiddel naar de verdamper geregeld. Bij het kiezen van de klep moet u rekening houden met de parameters van het systeem. De klep moet aan deze parameters voldoen.

Wanneer de vloeibare warmtedrager door de temperatuurregelklep stroomt, verdampt deze gedeeltelijk en daalt de temperatuur van de stroom (+)

Keuze van het type warmtepomp

De belangrijkste indicator van dit verwarmingssysteem is het vermogen. Van het vermogen zullen in de eerste plaats de financiële kosten voor de aankoop van apparatuur en de keuze van een of andere bron van lage temperatuurwarmte afhangen. Hoe hoger het vermogen van het warmtepompsysteem, hoe hoger de kosten van de componenten.

In de eerste plaats wordt het vermogen van de compressor bedoeld, de diepte van de boorgaten voor geothermische sondes, of het oppervlak voor de plaatsing van een horizontale collector. Juiste thermodynamische berekeningen zijn een soort garantie dat het systeem efficiënt zal werken.

Als er in de buurt van uw perceel een waterlichaam is, wordt een water-water warmtepomp de meest rendabele en productieve keuze

Om te beginnen moet u het perceel bestuderen dat gepland is voor de installatie van de pomp. Het ideale scenario is de aanwezigheid van een waterlichaam op dit perceel. Het gebruik van een water-water optie zal de hoeveelheid graafwerk aanzienlijk verminderen.

Het gebruik van aardwarmte daarentegen brengt een grote hoeveelheid werk met zich mee dat verband houdt met het uitgraven van grond. Systemen die water als lage temperatuurwarmtebron gebruiken, worden als het meest efficiënt beschouwd.

Het apparaat van een warmtepomp die thermische energie uit de grond haalt, vergt het uitvoeren van een aanzienlijke hoeveelheid graafwerk. De collector wordt onder het niveau van de seizoensgebonden vorstgrens gelegd.

U kunt de thermische energie van de grond op twee manieren gebruiken. De eerste manier omvat het boren van gaten met een diameter van 100-168 mm. De diepte van dergelijke boorgaten kan, afhankelijk van de systeemparameters, 100 m of meer bedragen.

In deze boorgaten worden speciale sondes geplaatst. Bij de tweede methode wordt een collector van buizen gebruikt. Een dergelijke collector wordt in een horizontaal vlak onder de grond geplaatst. Voor deze variant is een vrij groot oppervlak nodig.

Voor het leggen van de collector worden percelen met vochtige grond als ideaal beschouwd. Uiteraard is het boren van putten duurder dan het horizontaal plaatsen van de collector. Echter, niet elk perceel heeft vrije ruimte. Per kW vermogen van de warmtepomp is 30 tot 50 m² oppervlakte nodig.

Een constructie voor het onttrekken van thermische energie met één diepe put kan iets goedkoper zijn dan het graven van een bouwput. Maar een groot voordeel is de aanzienlijke ruimtebesparing, wat belangrijk is voor eigenaren van kleine percelen.

In het geval dat er op het perceel een hooggelegen grondwaterlaag aanwezig is, kunnen de warmtewisselaars worden geïnstalleerd in twee putten die op ongeveer 15 m afstand van elkaar liggen.

De onttrekking van thermische energie in dergelijke systemen gebeurt door het verpompen van grondwater in een gesloten circuit, waarvan delen zich in de putten bevinden. Een dergelijk systeem heeft een filterinstallatie nodig en periodieke reiniging van de warmtewisselaar.

Het eenvoudigste en goedkoopste schema van een warmtepomp is gebaseerd op het onttrekken van thermische energie uit de lucht. Ooit vormde het de basis voor koelkasten, later werden volgens dezelfde principes airconditioners ontwikkeld.

Het eenvoudigste warmtepompsysteem haalt energie uit de luchtmassa. In de zomer draagt het bij aan verwarming, in de winter aan airconditioning. Het nadeel van het systeem is dat bij zelfbouw het apparaat onvoldoende vermogen heeft.

De efficiëntie van verschillende typen van deze apparatuur is niet gelijk. De laagste prestaties worden geleverd door pompen die lucht als medium gebruiken. Bovendien zijn deze prestaties direct afhankelijk van de weersomstandigheden.

Grondgebonden varianten van warmtepompen hebben stabiele prestaties. De efficiëntiecoëfficiënt van deze systemen varieert tussen 2,8 en 3,3. De hoogste efficiëntie wordt bereikt door water-water systemen. Dit hangt vooral samen met de stabiliteit van de bron temperatuur.

Opgemerkt moet worden dat hoe dieper de collector van de pomp in het waterlichaam is geplaatst, hoe stabieler de temperatuur zal zijn. Om een systeemvermogen van 10 kW te verkrijgen, is ongeveer 300 meter leiding nodig.

De belangrijkste parameter die de efficiëntie van een warmtepomp kenmerkt, is de conversiefactor. Hoe hoger de conversiefactor, hoe efficiënter de warmtepomp wordt beschouwd.

De conversiefactor van een warmtepomp wordt uitgedrukt als de verhouding tussen de warmtestroom en het elektrische vermogen dat wordt verbruikt door de compressor.

Zelfmontage van een warmtepomp

Aangezien u het werkingsprincipe en de constructie van een warmtepomp kent, is het heel goed mogelijk om zelf een alternatief verwarmingssysteem te bouwen en installeren. Voordat u begint, moet u alle basisparameters van het toekomstige systeem berekenen. Voor het berekenen van de parameters van de toekomstige pomp kunt u gebruikmaken van software die is ontworpen voor het optimaliseren van koelsystemen.

De eenvoudigste variant om te bouwen is een lucht-water systeem. Het vereist geen complexe werkzaamheden voor een externe kringloop, zoals die bij water- en grondwarmtepompen. Voor de installatie zijn slechts twee kanalen nodig: een voor de toevoer van lucht en een voor de afvoer van de gebruikte lucht.

Het is het eenvoudigst om zelf een warmtepomp te maken die warmte uit de lucht haalt. Een buiten geplaatste ventilator blaast lucht naar de verdamper.

Naast een ventilator moet u ook een compressor van het juiste vermogen aanschaffen. Voor een dergelijk apparaat volstaat een compressor zoals die in gewone split-systemen wordt gebruikt. Het is niet noodzakelijk om een nieuw apparaat te kopen.

U kunt de compressor van oude apparatuur afhalen of componenten van een oude koelkast gebruiken. Het is aan te raden een spiraal-type te gebruiken. Deze compressorvarianten creëren, naast voldoende efficiëntie, een hoge druk die zorgt voor temperatuurverhoging.

Voor het maken van de condensor heeft u een reservoir en een koperen buis nodig. Van de buis wordt een spiraal gemaakt. Voor de vervaardiging ervan wordt een cilindrisch voorwerp met de gewenste diameter gebruikt. Door de koperen buis eromheen te wikkelen, kunt u eenvoudig en snel dit constructie-element maken.

De voltooide spiraal wordt gemonteerd in een reservoir dat in tweeën is gesneden. Voor de vervaardiging van het reservoir kunt u het beste materialen gebruiken die bestand zijn tegen corrosie. Nadat de spiraal erin is geplaatst, worden de twee helften van de tank aan elkaar gelast.

De oppervlakte van de spiraal wordt berekend met de volgende formule:

MT/0,8 RT,

waarbij:

• MT – het thermische vermogen dat het systeem levert.
• 0,8 – de warmtegeleidingscoëfficiënt bij het contact van water met het materiaal van de spiraal.
• RT – het temperatuurverschil van het water bij de inlaat en uitlaat.

Bij het kiezen van een koperen buis voor het zelf maken van de spiraal, moet u letten op de wanddikte. Deze moet minimaal 1 mm zijn. Anders zal de buis vervormen tijdens het wikkelen. De buis waardoor het koelmiddel binnenkomt, wordt aan de bovenkant van het reservoir geplaatst.

De warmtewisselaar van een koperen buis wordt gemaakt door een koperen buis rond een voorwerp met een cilindrische vorm te wikkelen. Hoe groter het oppervlak van de spiraal, hoe hoger het vermogen van de pomp.

De verdamper van de warmtepomp kan in twee varianten worden uitgevoerd – als een tank met een spiraal erin en als een buis in een buis. Aangezien de temperatuur van de vloeistof in de verdamper laag is, kan de tank van een plastic vat worden gemaakt. In deze tank wordt de lus geplaatst, die van een koperen buis is gemaakt.

In tegenstelling tot de condensor moet de spiraal van de verdamper overeenkomen met de diameter en hoogte van de gekozen tank. De tweede variant van de verdamper: buis in buis. In deze variant wordt de buis met koelmiddel geplaatst in een plastic buis met een grotere diameter, waar water doorheen circuleert.

De lengte van zo'n buis hangt af van het geplande vermogen van de pomp. Deze kan tussen de 25 en 40 meter zijn. Zo'n buis wordt opgerold tot een spiraal.

Het thermostatische expansieventiel behoort tot de afsluit- en regelarmatuur van leidingen. Als afsluitelement in het TEV wordt een naald gebruikt. De positie van het afsluitelement van de klep wordt bepaald door de temperatuur in de verdamper.

Dit belangrijke element van het systeem heeft een vrij complexe constructie. Het bestaat uit:

• Thermo-element.
• Diafragma.
• Capillaire buis.
• Thermoballon.

Deze elementen kunnen onbruikbaar worden bij hoge temperaturen. Daarom moet tijdens het solderen van het systeem de klep worden geïsoleerd met asbeststof. Het regelventiel moet overeenkomen met de capaciteit van de verdamper.

Nadat de belangrijkste constructiedelen zijn vervaardigd, breekt het kritieke moment van de montage van de hele constructie tot één geheel aan. De meest kritieke fase is het proces van het injecteren van het koelmiddel of de warmtedrager in het systeem.

Het zelf uitvoeren van een dergelijke operatie is waarschijnlijk niet weggelegd voor de gewone leek. U zult zich moeten wenden tot professionals die gespecialiseerd zijn in reparatie en onderhoud van klimaatapparatuur.

Werknemers in deze sector hebben doorgaans de benodigde apparatuur. Naast het vullen met koelmiddel kunnen zij de werking van het systeem testen. Het zelf vullen met koelmiddel kan niet alleen leiden tot schade aan de constructie, maar ook tot ernstig letsel. Bovendien is er speciale apparatuur nodig om het systeem te starten.

Bij het starten van het systeem treedt een piekstartbelasting op, die doorgaans ongeveer 40 A bedraagt. Daarom is het starten van het systeem zonder startrelais onmogelijk. Na de eerste start is afstelling van de klep en de druk van het koelmiddel noodzakelijk.

De keuze van het koelmiddel moet uiterst serieus worden genomen. Immers, deze stof wordt in feite beschouwd als de belangrijkste “drager” van nuttige warmte-energie. Van de bestaande moderne koelmiddelen zijn de freonen het populairst. Dit zijn derivaten van koolwaterstofverbindingen waarin een deel van de koolstofatomen wordt vervangen door andere elementen.

Als gevolg van het monteren van de afzonderlijke onderdelen van de warmtepomp moet er een gesloten circuit ontstaan waarin het werkmedium circuleert.

Als resultaat van deze werkzaamheden is een systeem met een gesloten circuit ontstaan. Daarin zal het koelmiddel circuleren, wat zorgt voor de opname en overdracht van thermische energie van de verdamper naar de condensor. Bij het aansluiten van warmtepompen op het verwarmingssysteem van het huis moet men er rekening mee houden dat de watertemperatuur aan de uitgang van de condensor niet hoger is dan 50 – 60 graden.

Vanwege de lage temperatuur van de thermische energie die door de warmtepomp wordt geproduceerd, moet men voor de warmteafname gespecialiseerde verwarmingsapparaten kiezen. Dit kan vloerverwarming zijn of volumineuze, laag-inertie radiatoren van aluminium of staal met een groot stralingsoppervlak.

Zelfgemaakte warmtepompen kunnen het beste worden beschouwd als hulpapparatuur die de werking van de primaire bron ondersteunt en aanvult.

Jaarlijks worden de ontwerpen van warmtepompen verbeterd. In industriële modellen die voor huishoudelijk gebruik zijn bestemd, worden efficiëntere warmteoverdrachtsoppervlakken gebruikt. Als gevolg hiervan neemt de prestatie van de systemen voortdurend toe.

Een belangrijke factor die de ontwikkeling van dergelijke technologie voor thermische energieproductie stimuleert, is de ecologische component. Dergelijke systemen zijn niet alleen zeer efficiënt, maar vervuilen ook het milieu niet. De afwezigheid van open vuur maakt de werking ervan volkomen veilig.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Video #1. Hoe u een eenvoudige zelfgemaakte warmtepomp met een warmtewisselaar van PEX-buis maakt:

Video #2. Vervolg van de instructies:

Warmtepompen worden al geruime tijd gebruikt als alternatieve verwarmingssystemen. Deze systemen zijn betrouwbaar, hebben een lange levensduur en, wat belangrijk is, zijn onschadelijk voor het milieu. Ze worden serieus beschouwd als een volgende stap in de ontwikkeling van efficiënte en veilige verwarmingssystemen.

Wilt u een vraag stellen of een interessante manier van het bouwen van een warmtepomp vertellen die niet in het artikel wordt genoemd? Schrijf dan alstublieft een reactie in het onderstaande blok.