Tout propriétaire d'une maison privée cherche à minimiser le coût de chauffage de la maison. À cet égard, les pompes à chaleur sont beaucoup plus rentables que les autres options de chauffage; elles fournissent 2,5 à 4,5 kW de chaleur à partir d'un kilowatt d'électricité consommé. Le revers de la médaille: pour obtenir une énergie bon marché, vous devrez investir beaucoup d'argent dans l'équipement, l'installation de chauffage la plus modeste d'une capacité de 10 kW coûtera 3500 ans. e. (prix de départ).
La seule façon de réduire les coûts de 2 à 3 fois est de fabriquer une pompe à chaleur de vos propres mains (en abrégé TN). Considérez quelques options de travail réelles, assemblées et testées par des maîtres passionnés dans la pratique. Étant donné que la fabrication d'une unité complexe nécessite des connaissances de base sur les machines de réfrigération, commençons par la théorie.
Caractéristiques et principe de fonctionnement de VT
En quoi la pompe à chaleur est-elle différente des autres installations de chauffage de maisons privées:
- contrairement aux chaudières et appareils de chauffage, l'unité elle-même ne produit pas de chaleur, mais, comme un climatiseur, la déplace à l'intérieur du bâtiment;
- Le VT a été nommé pompe parce qu'il «pompe» l'énergie des sources de chaleur de faible qualité - l'air ambiant, l'eau ou le sol;
- l'unité est alimentée exclusivement par l'électricité consommée par le compresseur, les ventilateurs, les pompes de circulation et le tableau de commande;
- le fonctionnement de l'unité est basé sur le cycle Carnot utilisé dans toutes les machines de réfrigération, par exemple les climatiseurs et les systèmes split.
Référence. La chaleur est contenue dans toute substance dont la température est supérieure à zéro absolu (moins 273 degrés). Les technologies modernes vous permettent de prendre l'énergie spécifiée de l'air avec des températures jusqu'à -30 ° C, la terre et l'eau - jusqu'à +2 ° C.
Dans le cycle d'échange de chaleur de Carnot, un fluide de travail est impliqué - le gaz fréon, bouillant à une température négative. En s'évaporant et en se condensant alternativement dans deux échangeurs de chaleur, le réfrigérant absorbe l'énergie de l'environnement et la transfère dans le bâtiment. En général, le principe de la pompe à chaleur répète le fonctionnement du climatiseur, inclus dans le chauffage:
- Étant en phase liquide, le fréon se déplace à travers les tubes d'un échangeur de chaleur-évaporateur externe, comme le montre le diagramme. Recevant la chaleur de l'air ou de l'eau à travers les parois métalliques, le réfrigérant se réchauffe, bout et s'évapore.
- Ensuite, le gaz entre dans le compresseur, forçant la pression à la valeur calculée. Sa tâche est d'élever le point d'ébullition de la substance afin que le fréon se condense à une température plus élevée.
- En passant par un échangeur-condenseur interne, le gaz se transforme à nouveau en liquide et cède directement l'énergie accumulée au caloporteur (eau) ou à l'air ambiant.
- À la dernière étape, le réfrigérant liquide entre dans le récepteur - séparateur d'humidité, puis dans le dispositif d'étranglement. La pression de la substance redescend, le fréon est prêt à passer par un deuxième cycle.
Remarque. Les systèmes divisés conventionnels et les pompes à chaleur d'usine ont une caractéristique commune - la capacité de transférer de l'énergie dans les deux sens et de fonctionner en 2 modes - chauffage / refroidissement. La commutation est mise en œuvre à l'aide d'une vanne d'inversion à quatre voies qui modifie la direction du flux de gaz le long du circuit.
Dans les climatiseurs et les VT domestiques, différents types de vannes thermostatiques sont utilisés, ce qui réduit la pression du réfrigérant devant l'évaporateur. Dans les systèmes split domestiques, le rôle du régulateur est joué par un simple appareil capillaire, une vanne thermostatique (TRV) coûteuse est installée dans les pompes.
Notez que le cycle ci-dessus se produit dans tous les types de pompes à chaleur. La différence réside dans les méthodes d'approvisionnement / d'évacuation de la chaleur, que nous énumérons ci-dessous.
Variétés d'installations
Selon la classification généralement acceptée, les TT sont divisés en types selon la source d'énergie reçue et le type de liquide de refroidissement vers lequel elle est transférée:
- Les pompes air-air sont les plus proches des systèmes split traditionnels, la différence se situe au niveau de l'évaporateur externe. L'appareil enlève la chaleur de l'environnement et transfère directement l'air dans la pièce, comme cela se produit dans un climatiseur conventionnel.
- La conception des générateurs air-eau est identique, mais prévoit le chauffage de l'eau ou de l'antigel circulant dans le système de chauffage d'un immeuble résidentiel.
- L'installation de type "eau-eau" prélève la chaleur de bas niveau du réservoir et la transfère au liquide de refroidissement. Un échangeur de chaleur externe supplémentaire est utilisé ici, immergé dans un puits, un lac, un puits ou une fosse septique. La circulation de l'eau à travers l'évaporateur fournit une deuxième pompe.
- La pompe à chaleur géothermique utilise la chaleur du sol et chauffe le liquide de refroidissement interne de la maison. Le circuit d'échange de chaleur externe est une bobine avec antigel, approfondie de 1,5 à 2 m et occupant une grande surface. La deuxième option consiste en plusieurs sondes verticales de tuyaux descendus dans les puits à une profondeur de 10 à 100 mètres.
Référence. Les variétés de pompes à chaleur sont répertoriées par ordre croissant de coût de l'équipement et de l'installation. Les installations aériennes sont les moins chères, les installations géothermiques sont chères.
Le principal paramètre caractérisant une pompe à chaleur pour chauffer une maison est le coefficient d'efficacité COP, qui est égal au rapport entre l'énergie reçue et consommée. Par exemple, les réchauffeurs d'air relativement bon marché ne peuvent pas se vanter d'un COP élevé - 2,5 ... 3,5. Nous expliquons: après avoir dépensé 1 kW d'électricité, l'installation fournit 2,5 à 3,5 kW de chaleur au logement.
Les systèmes d'eau et de sol sont plus efficaces, leur coefficient réel est de l'ordre de 3 ... 4.5. Productivité - une valeur variable, en fonction de nombreux facteurs: la conception du circuit d'échange de chaleur, la profondeur d'immersion, la température et le débit d'eau.
Un point important. Les pompes à chaleur à eau chaude ne sont pas en mesure de chauffer le liquide de refroidissement à 60–90 ° C sans circuits supplémentaires. La température normale de l'eau du transformateur est de 35 ... 40 degrés, les chaudières ici gagnent clairement. D'où la recommandation du fabricant: connecter l'équipement au chauffage à basse température - planchers chauffants à l'eau.
Quel VT est préférable de collecter
Nous énonçons le problème: nous devons construire une pompe à chaleur artisanale au moindre coût. Un certain nombre de conclusions logiques en découlent:
- L'installation devra utiliser un minimum de pièces chères, il ne sera donc pas possible d'atteindre un COP élevé. En termes de performances, notre appareil perdra face aux modèles d'usine.
- En conséquence, cela n'a aucun sens de faire un VT purement à air, il est plus facile d'utiliser un climatiseur à inverseur en mode chauffage.
- Pour obtenir de réels avantages, il faut réaliser une pompe à chaleur "air - eau", "eau-eau" ou construire une installation géothermique. Dans le premier cas, il est possible d'atteindre un COP d'environ 2–2,2, dans les autres cas, un indicateur de 3–3,5 peut être atteint.
- Il n'est pas possible de se passer de circuits de chauffage par le sol. Un caloporteur chauffé à 30-35 degrés est incompatible avec le réseau de radiateurs, sauf dans les régions du sud.
Commentaire. Les fabricants affirment: le système split de l'onduleur fonctionne à une température de la rue de moins 15-30 ° C. En fait, l'efficacité de chauffage est considérablement réduite. Selon les propriétaires, les jours de gel, l'unité intérieure délivre un flux d'air légèrement chaud.
Pour la mise en œuvre de la version eau de VT certaines conditions sont requises (au choix):
- un étang à 25-50 m de la maison, à une plus grande distance, la consommation d'électricité augmentera considérablement grâce à la puissante pompe de circulation;
- un puits ou un puits avec un approvisionnement suffisant (débit) en eau et un lieu d'évacuation (fosse, deuxième puits, gouttière, égout);
- collecteur d'égout préfabriqué (si vous êtes autorisé à y planter).
La consommation d'eau souterraine est facile à calculer.Dans le processus de sélection de la chaleur, une pompe à chaleur maison réduira sa température de 4 à 5 ° C, à partir de là, le débit est déterminé par la capacité thermique de l'eau. Pour obtenir 1 kW de chaleur (nous prenons 5 degrés de température d'eau), environ 170 litres doivent être conduits à travers le VT pendant une heure.
Le chauffage d'une maison d'une superficie de 100 m² nécessitera une puissance de 10 kW et une consommation d'eau de 1,7 tonne par heure - le volume est impressionnant. Une telle pompe à eau thermale conviendra à une petite maison de campagne de 30 à 40 m², de préférence isolée.
L'assemblage du système géothermique est plus réel, bien que le processus soit plutôt laborieux. L'option de disposition horizontale du tuyau sur une zone à une profondeur de 1,5 m est immédiatement rejetée - vous devez pelleter toute la section ou payer de l'argent pour les services d'équipement de terrassement. La méthode de perforation des puits est beaucoup plus simple et moins coûteuse à mettre en œuvre, pratiquement sans perturber le paysage.
La pompe à chaleur la plus simple d'un climatiseur de fenêtre
Comme vous pouvez le deviner, pour la fabrication de pompes eau-air, un refroidisseur de fenêtre en état de marche est nécessaire. Il est très conseillé d'acheter un modèle équipé d'une vanne d'inversion et capable de fonctionner pour le chauffage, sinon vous devrez refaire le circuit fréon.
Pointe. Lors de l'achat d'un climatiseur d'occasion, faites attention à la plaque signalétique, qui affiche les caractéristiques techniques de l'appareil électroménager. Le paramètre qui vous intéresse est la performance à froid de l'appareil (indiqué en kilowatts ou en unités thermiques britanniques - BTU).
Avec un peu de chance, vous n’avez même pas à laisser sortir les tubes de fréon et de soudure. Comment convertir la climatisation en pompe à chaleur:
- Retirez le boîtier supérieur de l'unité et dévissez l'échangeur de chaleur externe de la palette. Déplacez soigneusement le radiateur, en prenant soin de ne pas plier les tuyaux de réfrigérant.
- Retirez la roue extérieure de l'arbre commun.
- Faire un réservoir en métal sur la longueur de l'échangeur de chaleur externe, agrandir la largeur de 10 à 15 cm. Coupez les raccords pour l'alimentation en eau courante dans les parois latérales.
- Pour éviter que le radiateur ne gèle, augmentez la zone d'échange en ajoutant des plaques de cuivre ou d'aluminium sur les côtés (selon le matériau de l'échangeur de chaleur).
- Plongez le radiateur dans le réservoir, de préférence sans couper les tubes de fréon. Sceller le capuchon et sceller les entrées de contour.
- Connecter les tuyaux d'arrivée et de sortie d'eau aux raccords, connecter les pompes de circulation. Remplissez et vérifiez le réservoir pour les fuites.
Recommandation. Si l'échangeur de chaleur ne peut pas être placé dans le réservoir sans perturber les conduites de fréon, essayez d'évacuer le gaz et de couper les tuyaux aux points souhaités (loin de l'évaporateur). Après avoir assemblé l'unité d'échange de chaleur de l'eau, le circuit devra être soudé et rempli de fréon. La quantité de réfrigérant est également indiquée sur la plaque.
Il reste maintenant à lancer un VT fait maison et à ajuster le débit d'eau, pour atteindre une efficacité maximale. Attention: un radiateur impromptu utilise un "remplissage" entièrement réalisé en usine, vous venez de déplacer le radiateur de l'air au liquide. Comment le système fonctionne en direct, regardez la vidéo du maître artisan:
Réalisation d'une installation géothermique
Si l'option précédente permet de réaliser des économies d'environ le double, alors même un circuit de terre fabriqué soi-même donnera un COP de l'ordre de 3 (trois kilowatts de chaleur pour 1 kW d'électricité consommée). Certes, les coûts financiers et de main-d'œuvre augmenteront également de manière significative.
Bien que de nombreux exemples d'assemblage de tels appareils soient publiés sur Internet, il n'existe pas d'instructions universelles avec des dessins. Nous proposerons une version de travail, assemblée et testée par un vrai maître de maison, bien que beaucoup de choses devront être pensées et complétées indépendamment - toutes les informations sur les pompes à chaleur sont difficiles à mettre dans une seule publication.
Calcul du circuit du sol et des échangeurs de chaleur de la pompe
Suite à nos propres recommandations, nous procédons aux calculs d'une pompe géothermique avec des sondes verticales en U placées dans des puits.Il est nécessaire de connaître la longueur totale du contour externe, puis la profondeur et le nombre d'arbres verticaux.
Données initiales par exemple: vous devez chauffer une maison privée isolée d'une superficie de 80 m² et d'une hauteur sous plafond de 2,8 m, située dans la voie du milieu. Nous ne calculerons pas la charge de chauffage, nous déterminerons le besoin de chaleur par zone, en tenant compte de l'isolation thermique - 7 kW.
Précision importante. Les calculs d'ingénierie des pompes à chaleur sont assez complexes et nécessitent un interprète hautement qualifié, des livres entiers sont consacrés à ce sujet. L'article fournit des calculs simplifiés tirés de l'expérience pratique des constructeurs et artisans qui aiment les produits faits maison.
L'intensité des échanges thermiques entre le sol et le fluide antigel circulant le long du contour dépend du type de sol:
- 1 mètre linéaire d'une sonde verticale immergée dans les eaux souterraines recevra environ 80 watts de chaleur;
- dans les sols rocheux, l'évacuation de la chaleur sera d'environ 70 W / m;
- les sols argileux saturés d'humidité donneront environ 50 W par 1 m de capteur;
- races sèches - 20 W / m.
Référence. La sonde verticale est constituée de 2 boucles de tuyaux descendues au fond du puits et remplies de béton.
Un exemple de calcul de la longueur d'un tuyau. Pour extraire les 7 kW d'énergie thermique nécessaires de la roche argileuse brute, vous devez diviser 7000 W par 50 W / m, nous obtenons la profondeur totale de la sonde de 140 m. Maintenant, le pipeline est réparti entre les puits d'une profondeur de 20 m, que vous pouvez forer de vos propres mains. Un total de 7 forages de 2 boucles de transfert de chaleur, la longueur totale du tuyau est de 7 x 20 x 4 = 560 m.
L'étape suivante consiste à calculer la zone de transfert de chaleur de l'évaporateur et du condenseur. Diverses ressources de calcul sont proposées sur diverses ressources Internet et forums, dans la plupart des cas incorrectes. Nous ne prendrons pas la liberté de recommander de telles techniques et de vous induire en erreur, mais nous vous proposerons une option délicate:
- Contactez n'importe quel fabricant bien connu d'échangeurs de chaleur à plaques, par exemple Alfa Laval, Kaori, Anvitek, etc. Vous pouvez vous rendre sur le site officiel de la marque.
- Remplissez le formulaire de sélection de l'échangeur de chaleur ou appelez le responsable et commandez la sélection de l'unité, en listant les paramètres du média (antigel, fréon) - température en entrée et en sortie, charge calorifique.
- Un spécialiste de l'entreprise fera les calculs nécessaires et proposera un modèle d'échangeur de chaleur adapté. Parmi ses caractéristiques, vous trouverez la principale - la superficie de l'échange.
Les agrégats lamellaires sont très efficaces, mais chers (200-500 euros). Il est moins cher d'assembler un échangeur de chaleur à coque et à tube à partir d'un tube en cuivre d'un diamètre extérieur de 9,5 ou 12,7 mm. Multipliez le chiffre donné par le fabricant par un facteur de sécurité de 1,1 et divisez par la circonférence du tuyau pour obtenir le métrage.
Exemple. La surface d'échange thermique de l'unité proposée était de 0,9 m². En choisissant un tube de cuivre ½ "avec un diamètre de 12,7 mm, nous calculons la circonférence en mètres: 12,7 x 3,14 / 1000 ≈ 0,04 m. Nous déterminons la longueur totale: 0,9 x 1,1 / 0,04 ≈ 25 m.
Équipement et matériel
Il est proposé de construire la future pompe à chaleur sur la base de l'unité extérieure d'un système split de puissance appropriée (indiqué sur la plaque). Pourquoi est-il préférable d'utiliser un climatiseur d'occasion:
- l'appareil est déjà équipé de tous les composants - un compresseur, un starter, un récepteur et des démarrages électriques;
- des échangeurs de chaleur faits maison peuvent être placés dans le corps de la machine de réfrigération;
- Il existe des ports de service pratiques pour faire le plein de fréon.
Remarque. Comprenant le sujet, les utilisateurs sélectionnent l'équipement séparément - compresseur, détendeur, contrôleur, etc. Avec l'expérience et les connaissances, cette approche n'est que bienvenue.
Il n'est pas pratique d'assembler le VT sur la base d'un vieux réfrigérateur - la capacité de l'unité est trop petite. Dans le meilleur des cas, il sera possible de «presser» jusqu'à 1 kW de chaleur, ce qui est suffisant pour chauffer une petite pièce.
En plus de l'unité externe divisée, les matériaux suivants seront nécessaires:
- Tuyau PND Ø20 mm - sur la boucle de masse;
- raccords en polyéthylène pour assembler les collecteurs et se connecter aux échangeurs de chaleur;
- pompes de circulation - 2 pièces;
- manomètres, thermomètres;
- tuyau d'eau ou tuyau PND de haute qualité d'un diamètre de 25 à 32 mm à la coque de l'évaporateur et du condenseur;
- tube de cuivre Ø9,5-12,7 mm avec une épaisseur de paroi d'au moins 1 mm;
- isolation des pipelines et des autoroutes à fréon;
- un ensemble pour sceller les câbles chauffants posés à l'intérieur de l'alimentation en eau (nécessaire pour sceller les extrémités des tuyaux en cuivre).
Comme liquide de refroidissement externe, une solution saline d'eau ou d'antigel pour le chauffage - l'éthylène glycol est utilisée. Vous aurez également besoin d'un stock de fréon, dont la marque est indiquée sur la plaque signalétique du système split.
Ensemble échangeur de chaleur
Avant de commencer les travaux d'installation, le module extérieur doit être démonté - retirer tous les couvercles, retirer le ventilateur et un grand radiateur ordinaire. Débranchez le solénoïde contrôlant la vanne d'inversion si vous ne prévoyez pas d'utiliser la pompe comme refroidisseur. Les capteurs de température et de pression doivent être maintenus.
Ordre de montage de l'unité principale VT:
- Fabriquer le condenseur et l'évaporateur en insérant le tube de cuivre dans le tuyau de la longueur calculée. Aux extrémités, installez des tés pour connecter le sol et le circuit de chauffage, scellez les tuyaux en cuivre en saillie avec un kit spécial pour le câble chauffant.
- En utilisant un morceau de tuyau en plastique Ø150-250 mm comme noyau, enroulez des circuits à deux tuyaux faits maison et sortez les extrémités dans les bonnes directions, comme cela est fait ci-dessous dans la vidéo.
- Placez et fixez les deux échangeurs de chaleur à coque et à tube à la place du radiateur standard, soudez les tuyaux en cuivre aux bornes correspondantes. Il est préférable de connecter un échangeur de chaleur «chaud» - condenseur aux ports de service.
- Installez des capteurs d'usine qui mesurent la température du réfrigérant. Isolez les sections nues des tubes et les échangeurs de chaleur eux-mêmes.
- Sur les conduites d'eau, placez des thermomètres et des manomètres.
Pointe. Si vous prévoyez de mettre l'unité principale dans la rue, vous devez prendre des mesures contre la solidification de l'huile dans le compresseur. Achetez et installez un kit de chauffage électrique pour carter d'huile d'hiver.
Lors des forums thématiques, une autre méthode de fabrication d'un évaporateur est trouvée - un tube de cuivre est enroulé en spirale, puis inséré dans un récipient fermé (réservoir ou baril). L'option est tout à fait raisonnable avec un grand nombre de tours, lorsque l'échangeur de chaleur calculé ne tient tout simplement pas dans le boîtier du climatiseur.
Dispositif de contour du sol
À ce stade, des travaux d'excavation simples mais exigeants en main-d'œuvre et la mise en place des sondes dans les puits sont effectués. Cette dernière peut se faire manuellement ou inviter la perceuse. La distance entre les puits adjacents est d'au moins 5 m. La procédure de travail supplémentaire:
- Creusez une tranchée peu profonde entre les trous pour poser les tuyaux d'alimentation.
- Dans chaque trou, abaissez 2 boucles de tuyaux en polyéthylène et remplissez les puits de béton.
- Amenez les lignes au point de connexion et montez le collecteur commun à l'aide de raccords en PEHD.
- Isolez les canalisations posées dans le sol et remplissez-le de terre.
Un point important. Avant de bétonner et de remblayer, assurez-vous de vérifier l'étanchéité du circuit. Par exemple, connectez un compresseur d'air au collecteur, pompez une pression de 3-4 bars et laissez reposer pendant plusieurs heures.
Lors de la connexion des autoroutes, suivez le schéma ci-dessous. Des coudes avec robinets seront nécessaires lors du remplissage du système avec de la saumure ou de l'éthylène glycol. Conduisez deux tuyaux principaux du collecteur à la pompe à chaleur et connectez-les à l'échangeur de chaleur «froid» - l'évaporateur.
De même, le condenseur est connecté au système domestique de chauffage par le sol. Une unité de mélange avec une vanne à trois voies est montée en option en raison de la faible température de départ.S'il est nécessaire de combiner VT avec d'autres sources de chaleur (capteurs solaires, chaudières), utilisez un ballon tampon pour plusieurs conclusions.
Ravitaillement et démarrage du système
Après l'installation et le raccordement de l'unité au secteur, une étape importante commence - le remplissage du système avec du réfrigérant. Un écueil vous attend ici: vous ne savez pas combien de fréon doit être rempli, car le volume du circuit principal a considérablement augmenté en raison de l'installation d'un condenseur de fortune avec un évaporateur.
Le problème est résolu par le ravitaillement en carburant par la pression et la température de surchauffe du fréon mesurées à l'entrée du compresseur (le fréon est fourni à l'état gazeux). Des instructions détaillées pour le remplissage avec la méthode de mesure de la température sont fournies dans le manuel suivant.
La deuxième partie de la vidéo montre comment remplir le système de fréon R22 en termes de pression et de température de surchauffe du fluide frigorigène:
Après avoir fait le plein, allumez les deux pompes de circulation à la première vitesse et démarrez le compresseur. Indiquer la température de la saumure et du liquide de refroidissement interne par des thermomètres. Au stade du chauffage, les conduites avec le réfrigérant peuvent geler, par la suite le givre devrait fondre.
Conclusion
Il est très difficile de fabriquer et de démarrer une pompe géothermique thermique de vos propres mains. Certes, des améliorations répétées, des corrections de bogues et des paramètres seront nécessaires. En règle générale, la plupart des dysfonctionnements dans les TT fabriqués à la maison sont dus à un mauvais assemblage ou au plein du circuit principal d'échange de chaleur. Si l'unité tombe immédiatement en panne (les automatismes de sécurité ont fonctionné) ou que le caloporteur ne chauffe pas, il vaut la peine d'appeler l'assistant de l'équipement de réfrigération - il effectuera des diagnostics et indiquera les erreurs commises.