Sådan bygger du en varmepumpe til husopvarmning selv: arbejdsprincip og monteringsdiagrammer

De første versioner af varmepumper kunne kun delvist opfylde varmebehovet. Moderne varianter er mere effektive og kan bruges til varmesystemer. Derfor forsøger mange boligejere at installere en varmepumpe med egne hænder.

Vi fortæller, hvordan du vælger den optimale varmepumpe under hensyntagen til geodataene for det område, hvor den skal installeres. I den foreslåede artikel beskrives i detaljer funktionsprincippet for systemer, der bruger “grøn energi”, og forskellene nævnes. Med vores råd vil du uden tvivl vælge en effektiv type.

For gør-det-selv-mestre giver vi teknologien til samling af varmepumpen. Oplysningerne præsenteres med illustrative diagrammer, fotosamlinger og en detaljeret videoinstruktion i to dele.

Hvad er en varmepumpe, og hvordan fungerer den?

Med udtrykket varmepumpe forstås et sæt af bestemt udstyr. Hovedfunktionen af dette udstyr er at opsamle varmeenergi og transportere den til forbrugeren. Kilden til sådan energi kan være ethvert legeme eller medium med en temperatur på +1º eller mere.

I vores omgivelser er der mere end nok kilder til lavtemperaturvarme. Det er industriel affald fra virksomheder, varme- og atomkraftværker, kloakvand og så videre. Til drift af varmepumper inden for hjemmeopvarmning kræves tre naturligt fornybare kilder – luft, vand, jord.

Varmepumper “henter” energi fra processer, der regelmæssigt finder sted i miljøet. Processerne stopper aldrig, så kilderne anses for uudtømmelige efter menneskelige kriterier.

De tre nævnte potentielle energileverandører er direkte forbundet med solens energi, som ved opvarmning sætter luften i bevægelse med vinden og overfører varmeenergi til jorden. Det er netop valget af kilde, der er det vigtigste kriterium, hvorefter varmepumpesystemer klassificeres.

Varmepumpernes funktionsprincip er baseret på evnen hos legemer eller medier til at overføre varmeenergi til et andet legeme eller medium. Energimodtagere og -leverandører i varmepumpesystemer arbejder normalt i par.

Således skelnes der mellem følgende typer varmepumper:

• Luft – vand.
• Jord – vand.
• Vand – luft.
• Vand – vand.
• Jord – luft.
• Vand – vand
• Luft – luft.

Her bestemmer det første ord typen af medium, hvorfra systemet udtager lavtemperaturvarme. Det andet angiver typen af bærer, som denne termiske energi overføres til. F.eks. i vand – vand varmepumper udtages varme fra vandmiljøet, og der anvendes væske som varmebærer.

Varmepumper er efter konstruktionstype dampkompressionsanlæg. De udvinder varme fra naturlige kilder, forarbejder og transporterer den til forbrugerne (+)

Moderne varmepumper bruger tre primære kilder til termisk energi. Det er – jord, vand og luft. Den enkleste af disse muligheder er luftvarmepumpen. Populariteten af sådanne systemer skyldes deres ret enkle konstruktion og lette installation.

På trods af denne popularitet har disse varianter dog ret lav ydeevne. Desuden er virkningsgraden ustabil og afhængig af sæsonmæssige temperaturudsving.

Med faldende temperatur falder deres ydeevne betydeligt. Sådanne varianter af varmepumper kan betragtes som et supplement til den eksisterende primære varmekilde.

Varianter af udstyr, der bruger jordvarme, betragtes som mere effektive. Jorden modtager og akkumulerer termisk energi ikke kun fra Solen, den opvarmes konstant af jordkernens energi.

Jorden fungerer altså som en slags varmeakkumulator, hvis kapacitet praktisk talt er ubegrænset. Desuden er jordtemperaturen, især i en vis dybde, konstant og svinger kun inden for små grænser.

Anvendelsesområder for energi produceret af varmepumper:

Konstant temperatur i kilden er en vigtig faktor for stabil og effektiv drift af denne type energiudstyr. Systemer, hvor vandmiljøet er den primære kilde til termisk energi, har lignende egenskaber. Kollektoren til sådanne pumper placeres enten i et borehul, hvor den befinder sig i et vandførende lag, eller i et vandområde.

Den gennemsnitlige årlige temperatur for kilder som jord og vand varierer fra +7° til +12°C. Denne temperatur er helt tilstrækkelig til at sikre effektiv drift af systemet.

De mest effektive anses for at være varmepumper, der udvinder termisk energi fra kilder med stabile temperaturer, dvs. fra vand og jord

Hovedelementer i varmepumpernes konstruktion

For at energiudvindingsanlægget fungerer i overensstemmelse med varmepumpens principper, skal der i dens konstruktion være til stede 4 hovedenheder, nemlig:

• Kompressor.
• Fordamper.
• Kondensator.
• Ekspansionsventil.

En vigtig komponent i varmepumpens konstruktion er kompressoren. Dens hovedfunktion – at øge trykket og temperaturen af dampe, der dannes ved kogning af kølemidlet. Til klimaanlæg og især varmepumper anvendes moderne spiralformede kompressorer.

Som arbejdsmedium, der direkte overfører termisk energi, anvendes væsker med lavt kogepunkt. Som regel anvendes ammoniak og freoner (+)

Sådanne kompressorer er designet til drift ved minusgrader. I modsætning til andre typer producerer scrollkompressorer lidt støj og fungerer både ved lave fordampningstemperaturer og høje kondensationstemperaturer. En utvivlsom fordel er deres kompakte størrelse og lave vægt.

Næsten al energien fra varmepumpen bruges til at transportere termisk energi udefra ind i rummet. Således bruges omkring 1 energienhed til drift af systemerne, mens der produceres 4 – 6 enheder (+)

Fordamperen som konstruktionselement er en beholder, hvor flydende kølemiddel omdannes til damp. Kølemidlet, der cirkulerer i et lukket kredsløb, passerer gennem fordamperen. I den opvarmes kølemidlet og bliver til damp. Den dannede damp under lavt tryk ledes mod kompressoren.

I kompressoren udsættes kølemiddeldampene for tryk, og deres temperatur stiger. Kompressoren pumper den opvarmede damp under højt tryk mod kondensatoren.

Kompressoren komprimerer det cirkulerende medium i kredsløbet, hvorved dets temperatur og tryk øges. Derefter kommer det komprimerede medium ind i varmeveksleren (kondensatoren), hvor det afkøles og afgiver varme til vand eller luft.

Det næste konstruktionselement i systemet – kondensatoren. Dets funktion er at afgive termisk energi til det indre kredsløb i varmesystemet.

Serieprøver fremstillet af industrivirksomheder er udstyret med pladevarmevekslere. Hovedmaterialet til sådanne kondensatorer er legeret stål eller kobber.

Til selvbygning af varmeveksleren er et kobberrør med en diameter på en halv tomme velegnet. Vægtykkelsen af rør, der anvendes til fremstilling af varmeveksleren, skal være mindst 1 mm.

Den termostatiske ekspansionsventil, også kaldet drosleventilen, installeres i begyndelsen af den del af det hydrauliske kredsløb, hvor det cirkulerende medium under højt tryk omdannes til et medium med lavt tryk. Mere præcist deler droslen sammen med kompressoren varmepumpens kredsløb i to dele: en med høje trykparametre, den anden – med lave.

Når væsken, der cirkulerer i et lukket kredsløb, passerer gennem ekspansionsdrosleventilen, fordamper den delvist, hvorved trykket sammen med temperaturen falder. Derefter kommer den ind i varmeveksleren, der er forbundet med omgivelserne. Der opsamler den omgivelsernes energi og fører den tilbage til systemet.

Med hjælp fra en drosselventil reguleres kølemiddelstrømmen til fordamperen. Når du vælger en ventil, skal systemets parametre tages i betragtning. Ventilen skal svare til disse parametre.

Når væsken passerer gennem den termostatiske ekspansionsventil, fordamper den delvist, og strømningstemperaturen falder (+)

Valg af varmepumpetype

Hovedindikatoren for dette varmesystem er effekten. Effekten vil primært påvirke de økonomiske omkostninger ved køb af udstyr og valget af en bestemt lavtemperaturvarmekilde. Jo højere effekten af varmepumpesystemet er, desto dyrere er komponenterne.

Først og fremmest menes kompressorens effekt, dybden af brønde til geotermiske sonder eller arealet til placering af en horisontal kollektor. Korrekte termodynamiske beregninger er en form for garanti for, at systemet vil fungere effektivt.

Hvis der er et vandområde i nærheden af din grund, vil en vand-til-vand varmepumpe være det mest rentable og effektive valg

Først bør du undersøge det område, der planlægges til montering af pumpen. Den ideelle betingelse er tilstedeværelsen af et vandområde på denne grund. Brug af varianten vand-til-vand vil reducere mængden af jordarbejde betydeligt.

Brug af jordvarme kræver derimod en stor mængde jordarbejde. Systemer, der bruger vandmiljøet som lavpotentiel varme, anses for at være de mest effektive.

Konstruktionen af en varmepumpe, der udvinder varmeenergi fra jorden, kræver en betydelig mængde jordarbejde. Kollektoren lægges under den sæsonmæssige frostdybde

Der er to måder at bruge jordens varmeenergi på. Den første indebærer boring af brønde med en diameter på 100-168 mm. Dybden af disse brønde, afhængigt af systemets parametre, kan nå op til 100 m eller mere.

I disse brønde placeres specielle sonder. Den anden metode bruger en kollektor af rør. En sådan kollektor placeres under jorden i vandret plan. Denne variant kræver et tilstrækkeligt stort areal.

Til lægning af kollektoren anses områder med fugtig jord for ideelle. Naturligvis er boring af brønde dyrere end horisontal placering af kollektoren. Men ikke alle grunde har ledige arealer. For hver kW effekt i varmepumpen kræves der 30 til 50 m² areal.

Anlæg til indvinding af termisk energi fra en enkelt dyb boring kan vise sig at være lidt billigere end at grave en udgravning. Men den store fordel er den betydelige pladsbesparelse, hvilket er vigtigt for ejere af små grunde.

Hvis der på grunden er et højtliggende grundvandsspejl, kan varmevekslerne opstilles i to boringer med cirka 15 meters afstand.

I sådanne systemer udvindes termisk energi ved at pumpe grundvand gennem et lukket kredsløb, hvis dele er placeret i boringerne. Systemet kræver installation af et filter og periodisk rengøring af varmeveksleren.

Det enkleste og billigste varmepumpedesign er baseret på udvinding af termisk energi fra luften. Det blev engang grundlaget for køleskabe, og senere blev airconditionanlæg udviklet efter dets principper.

Det enkleste varmepumpesystem får energi fra luftmassen. Om sommeren deltager den i opvarmning, om vinteren i aircondition. Ulempen ved systemet er, at enheden i selvbygget version har utilstrækkelig effekt.

Effektiviteten af de forskellige typer udstyr er ikke ens. Pumper, der bruger luftmiljøet, har de laveste værdier. Derudover afhænger disse værdier direkte af vejrforholdene.

Jordbaserede varmepumpevarianter har stabile værdier. Effektivitetskoefficienten for disse systemer varierer mellem 2,8 og 3,3. Vand-til-vand systemer har den højeste effektivitet. Dette skyldes primært stabiliteten af kildetemperaturen.

Det skal bemærkes, at jo dybere pumpekollektoren er placeret i vandet, desto mere stabil vil temperaturen være. For at opnå en systemeffekt på 10 kW kræves der cirka 300 meter rørledning.

Den primære parameter, der karakteriserer en varmepumpes ydeevne, er dens transformationskoefficient. Jo højere transformationskoefficient, desto mere effektiv anses varmepumpen for.

Varmepumpens transformationskoefficient udtrykkes som forholdet mellem varmestrømsværdien og den elektriske effekt, der bruges til kompressorens drift.

Samling af varmepumpen med egne kræfter

Når man kender virkemåden og konstruktionen af en varmepumpe, er det ganske muligt selv at samle og installere et alternativt varmesystem. Inden arbejdet påbegyndes, skal alle de grundlæggende parametre for det fremtidige system beregnes. Til beregning af parametrene for den fremtidige pumpe kan man bruge software, der er beregnet til optimering af kølesystemer.

Den enkleste løsning at konstruere er luft-til-vand-systemet. Det kræver ikke kompliceret arbejde med at etablere en ekstern kreds, som kendetegner vand- og jordvarmepumper. Til installationen behøves kun to kanaler, hvor den ene tilfører luft, og den anden leder den brugte luft væk.

Det er lettest selv at bygge en varmepumpe, der henter varme fra luftmassen. En ventilator monteret udenfor blæser luft til fordamperen.

Udover en ventilator skal man anskaffe en kompressor med den rette kapacitet. Til et sådant apparat er en kompressor fra almindelige split-systemer velegnet. Det er ikke nødvendigt at købe et nyt apparat.

Man kan tage den fra gammelt udstyr eller bruge dele fra et gammelt køleskab. Det anbefales at bruge en spiraltype. Disse kompressorer har ikke kun tilstrækkelig effektivitet, men de genererer også et højt tryk, der sikrer temperaturstigning.

Til kondensatoren skal man bruge en beholder og et kobberrør. Af røret laves en spiral. Til fremstillingen bruges en cylinderformet genstand med den rigtige diameter. Ved at vikle kobberrøret om den kan man nemt og hurtigt fremstille dette konstruktionselement.

Den færdige spiral monteres i en beholder, der er skåret over på forhånd. Til fremstilling af beholderen er det bedst at bruge korrosionsbestandige materialer. Efter at spiralen er placeret i den, svejses de to halvdele af tanken sammen.

Spiralens areal beregnes efter følgende formel:

MT/0,8 PT,

hvor:

• MT – varmekraften som systemet producerer.
• 0,8 – varmeledningskoefficienten ved vandets interaktion med spiralens materiale.
• PT – forskellen i vandtemperatur ved indløb og udløb.

Når man vælger et kobberrør til selv at fremstille spiralen, skal man være opmærksom på vægtykkelsen. Den skal være mindst 1 mm. Ellers vil røret blive deformeret under viklingen. Røret, hvor kølemidlet føres ind, placeres i den øverste del af beholderen.

En varmeveksler af kobberrør fremstilles ved at vikle kobberrøret om en cylinderformet genstand. Jo større spiralens overfladeareal er, desto højere er pumpens ydeevne.

Fordamperen til varmepumpen kan udføres i to varianter – som en beholder med en spiral indeni og som rør i rør. Da væsketemperaturen i fordamperen er lav, kan beholderen laves af en plastiktønde. I denne beholder placeres et kredsløb, som er lavet af kobberrør.

I modsætning til kondensatoren skal fordamperens spiral svare til diameteren og højden af den valgte beholder. Den anden variant af fordamper: rør i rør. I denne variant placeres røret med kølemiddel i et plastrør med større diameter, hvorigennem vand cirkulerer.

Længden af et sådant rør afhænger af pumpens planlagte effekt. Det kan være fra 25 til 40 meter. Et sådant rør rulles til en spiral.

Termoreguleringsventilen tilhører afspærrings- og reguleringsrørsarmatur. Som afspærringselement i TRV anvendes en nål. Ventilens afspærringselements position bestemmes af temperaturen i fordamperen.

Dette vigtige systemelement har en ret kompliceret konstruktion. Den består af:

• Termoelement.
• Membran.
• Kapillarrør.
• Termobeholder.

Disse elementer kan blive ubrugelige ved høj temperatur. Under lodningsarbejde på systemet bør ventilen derfor isoleres med asbeststof. Reguleringsventilen skal svare til fordamperens kapacitet.

Efter fremstillingen af de vigtigste konstruktionsdele kommer det kritiske øjeblik med at samle hele konstruktionen til en enhed. Det mest kritiske trin er processen med at fylde kølemiddel eller varmebærer ind i systemet.

Det er næppe muligt for en almindelig person at udføre en sådan operation selv. Man må henvende sig til professionelle, der beskæftiger sig med reparation og vedligeholdelse af klimaudstyr.

Arbejdere i denne branche har som regel det nødvendige udstyr. Ud over påfyldning af kølemiddel kan de teste systemets funktion. Selvstændig påfyldning af kølemiddel kan ikke kun føre til skader på konstruktionen, men også til alvorlige personskader. Derudover kræves der også specialudstyr for at starte systemet.

Ved systemstart opstår en startspidsbelastning, der normalt er omkring 40 A. Derfor er start af systemet uden startrelæ umulig. Efter første start er justering af ventil og kølemiddeltryk nødvendig.

Valget af kølemiddel skal tages med største alvor. For dette stof anses jo i bund og grund for at være den primære “bærer” af nyttig varmeenergi. Af de eksisterende moderne kølemidler er freoner de mest populære. Det er derivater af kulbrinteforbindelser, hvor en del af carbonatomerne erstattes med andre grundstoffer.

Ved samling af de enkelte elementer i varmepumpen skal der fremkomme et lukket kredsløb, hvori arbejdsmediet cirkulerer.

Resultatet af disse arbejder er et system med et lukket kredsløb. I det vil kølemidlet cirkulere og sikre optagelse og overførsel af varmeenergi fra fordamperen til kondensatoren. Ved tilslutning af varmepumper til husets varmeforsyningssystem skal man huske, at vandtemperaturen ved kondensatorens udløb ikke overstiger 50 – 60 grader.

På grund af den lave temperatur af den termiske energi, der genereres af varmepumpen, skal man vælge specialiserede varmeapparater som varmeforbruger. Det kan være gulvvarme eller store, lavt-inertielle radiatorer af aluminium eller stål med en stor strålingsflade.

Hjemmelavede varmepumper bør bedst betragtes som supplerende udstyr, der understøtter og supplerer den primære kilde.

Hvert år forbedres varmepumpernes konstruktioner. I industrielle modeller til husholdningsbrug bruges mere effektive varmeoverføringsoverflader. Som et resultat stiger systemernes ydeevne konstant.

En vigtig faktor, der stimulerer udviklingen af denne teknologi for termisk energiproduktion, er miljøaspektet. Sådanne systemer er ikke kun effektive, men forurener heller ikke miljøet. Fraværet af åben ild gør driften helt sikker.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Video #1. Sådan laver du en simpel hjemmelavet varmepumpe med en varmeveksler af PEX-rør:

Video #2. Fortsættelse af vejledningen:

Varmepumper har i lang tid været brugt som alternative varmesystemer. Disse systemer er pålidelige, har lang levetid og er, vigtigst af alt, harmløse for miljøet. De begynder at blive seriøst overvejet som endnu et skridt mod udvikling af effektive og sikre varmesystemer.

Vil du stille et spørgsmål eller fortælle om en interessant måde at bygge en varmepumpe, der ikke er nævnt i artiklen? Skriv venligst en kommentar i boksen nedenfor.