So bauen Sie mit Ihren eigenen Händen eine Wärmepumpe zum Heizen eines Hauses: Funktionsprinzip und Montagepläne

Die ersten Versionen von Wärmepumpen konnten den Bedarf an Wärmeenergie nur teilweise decken.Moderne Sorten sind effizienter und können für Heizsysteme eingesetzt werden. Aus diesem Grund versuchen viele Hausbesitzer, eine Wärmepumpe selbst zu installieren.

Wir erklären Ihnen, wie Sie unter Berücksichtigung der Geodaten des Gebiets, in dem sie installiert werden soll, die beste Option für eine Wärmepumpe auswählen. Der zur Prüfung vorgeschlagene Artikel beschreibt ausführlich das Funktionsprinzip von „grünen Energie“-Systemen und listet die Unterschiede auf. Mit unserer Beratung werden Sie sich zweifellos für einen effektiven Typ entscheiden.

Für selbstständige Handwerker stellen wir die Technik zur Montage einer Wärmepumpe vor. Die zur Prüfung vorgelegten Informationen werden durch visuelle Diagramme, Fotoauswahlen und eine ausführliche Videoanleitung in zwei Teilen ergänzt.

Was ist eine Wärmepumpe und wie funktioniert sie?

Der Begriff Wärmepumpe bezieht sich auf eine Reihe spezifischer Geräte. Die Hauptfunktion dieser Geräte besteht darin, Wärmeenergie zu sammeln und zum Verbraucher zu transportieren. Die Quelle dieser Energie kann jeder Körper oder jede Umgebung mit einer Temperatur von +1 °C oder mehr sein.

Quellen für Niedertemperaturwärme gibt es in unserer Umwelt mehr als genug. Hierbei handelt es sich um Industrieabfälle aus Unternehmen, Wärme- und Kernkraftwerken, Abwasser usw. Für den Betrieb von Wärmepumpen zur Hausheizung werden drei sich selbst regenerierende natürliche Quellen benötigt – Luft, Wasser und Erde.

Wärmepumpen beziehen Energie aus Prozessen, die regelmäßig in der Umwelt ablaufen.Der Fluss der Prozesse hört nie auf, denn die Quellen gelten nach menschlichen Maßstäben als unerschöpflich

Die drei aufgeführten potenziellen Energielieferanten stehen in direktem Zusammenhang mit der Energie der Sonne, die durch Erwärmung die Luft mit dem Wind bewegt und Wärmeenergie auf die Erde überträgt. Die Wahl der Quelle ist das Hauptkriterium für die Klassifizierung von Wärmepumpensystemen.

Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen basiert auf der Fähigkeit von Körpern oder Medien, Wärmeenergie auf einen anderen Körper oder eine andere Umgebung zu übertragen. In Wärmepumpenanlagen arbeiten Empfänger und Energielieferanten meist paarweise.

Man unterscheidet folgende Arten von Wärmepumpen:

• Luft ist Wasser.
• Die Erde ist Wasser.
• Wasser ist Luft.
• Wasser ist Wasser.
• Die Erde ist Luft.
• Wasser Wasser
• Luft ist Luft.

In diesem Fall bestimmt das erste Wort die Art des Mediums, aus dem das System Niedertemperaturwärme entnimmt. Die zweite gibt die Art des Trägers an, auf den diese Wärmeenergie übertragen wird. In Wärmepumpen ist Wasser also Wasser, Wärme wird aus der aquatischen Umgebung entnommen und Flüssigkeit wird als Kühlmittel verwendet.

Wärmepumpen sind konstruktionsbedingt Dampfkompressionseinheiten. Sie gewinnen Wärme aus natürlichen Quellen, verarbeiten sie und transportieren sie zu den Verbrauchern (+)

Moderne Wärmepumpen nutzen drei Hauptwärmepumpen thermische Energiequelle. Dies sind Boden, Wasser und Luft. Die einfachste dieser Optionen ist Luftwärmepumpe. Die Beliebtheit solcher Systeme beruht auf ihrem relativ einfachen Design und der einfachen Installation.

Trotz dieser Beliebtheit weisen diese Sorten jedoch eine eher geringe Produktivität auf. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad instabil und von saisonalen Temperaturschwankungen abhängig.

Wenn die Temperatur sinkt, sinkt ihre Leistung erheblich. Solche Wärmepumpenoptionen können als Ergänzung zur bestehenden Hauptwärmeenergiequelle betrachtet werden.

Ausstattungsmöglichkeiten mit Erdwärmegelten als wirksamer. Der Boden empfängt und speichert Wärmeenergie nicht nur von der Sonne, er wird auch ständig durch die Energie des Erdkerns erwärmt.

Das heißt, der Boden ist eine Art Wärmespeicher, dessen Leistung praktisch unbegrenzt ist. Darüber hinaus ist die Bodentemperatur, insbesondere in einer gewissen Tiefe, konstant und schwankt in unwesentlichen Grenzen.

Anwendungsbereich der durch Wärmepumpen erzeugten Energie:

Die Konstanz der Quellentemperatur ist ein wichtiger Faktor für den stabilen und effizienten Betrieb dieser Art von Energieanlagen. Systeme, in denen die aquatische Umwelt die Hauptquelle für Wärmeenergie ist, weisen ähnliche Eigenschaften auf. Der Kollektor solcher Pumpen befindet sich entweder in einem Brunnen, wo er in einen Grundwasserleiter gelangt, oder in einem Reservoir.

Die durchschnittliche Jahrestemperatur von Quellen wie Boden und Wasser schwankt zwischen +7 °C und +12 °C. Diese Temperatur reicht völlig aus, um einen effizienten Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Am effektivsten sind Wärmepumpen, die Wärmeenergie aus Quellen mit stabilen Temperaturindikatoren gewinnen, d.h. aus Wasser und Boden

Grundlegende Gestaltungselemente von Wärmepumpen

Damit die Energieerzeugungsanlage nach den Funktionsprinzipien einer Wärmepumpe funktioniert, muss ihre Konstruktion vier Haupteinheiten enthalten:

• Kompressor.
• Verdampfer.
• Kondensator.
• Drosselklappe.

Ein wichtiges Element der Wärmepumpenkonstruktion ist der Kompressor. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Druck und die Temperatur der Dämpfe zu erhöhen, die durch das Sieden des Kältemittels entstehen. Moderne Scrollkompressoren werden insbesondere für Klimageräte und Wärmepumpen eingesetzt.

Als Arbeitsflüssigkeit werden Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt verwendet, die Wärmeenergie direkt übertragen. In der Regel werden Ammoniak und Freone verwendet (+)

Solche Kompressoren sind für den Betrieb bei Minustemperaturen ausgelegt. Im Gegensatz zu anderen Typen erzeugen Scrollkompressoren wenig Lärm und arbeiten sowohl bei niedrigen Siedetemperaturen des Gases als auch bei hohen Kondensationstemperaturen. Ein unbestrittener Vorteil ist ihre kompakte Größe und ihr geringes spezifisches Gewicht.

Fast die gesamte Energie einer Wärmepumpe wird für den Transport der Wärmeenergie von außen in den Raum aufgewendet. Es wird also etwa 1 Energieeinheit benötigt, um die Systeme zu betreiben, wenn 4 - 6 Einheiten produziert werden (+)

Der Verdampfer als Bauelement ist ein Behälter, in dem flüssiges Kältemittel in Dampf umgewandelt wird. Das in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierende Kältemittel durchströmt den Verdampfer. Darin erhitzt sich das Kältemittel und verwandelt sich in Dampf.Der entstehende Dampf wird unter niedrigem Druck zum Kompressor geleitet.

Im Kompressor werden die Kältemitteldämpfe unter Druck gesetzt und ihre Temperatur erhöht. Der Kompressor pumpt erhitzten Dampf unter hohem Druck in Richtung Kondensator.

Der Kompressor komprimiert das im Kreislauf zirkulierende Medium, was zu einer Erhöhung seiner Temperatur und seines Drucks führt. Anschließend gelangt das komprimierte Medium in den Wärmetauscher (Kondensator), wo es abgekühlt wird und dabei Wärme an Wasser oder Luft überträgt

Das nächste Strukturelement des Systems ist der Kondensator. Seine Funktion beschränkt sich auf die Abgabe von Wärmeenergie an den internen Kreislauf des Heizsystems.

Serienmuster von Industrieunternehmen sind mit Plattenwärmetauschern ausgestattet. Das Hauptmaterial für solche Kondensatoren ist legierter Stahl oder Kupfer.

Um einen Wärmetauscher selbst herzustellen, eignet sich ein Kupferrohr mit einem Durchmesser von einem halben Zoll. Die Wandstärke der zur Herstellung des Wärmetauschers verwendeten Rohre muss mindestens 1 mm betragen

Das Thermostat- oder Drosselventil wird am Anfang des Teils des Hydraulikkreislaufs installiert, in dem das Hochdruck-Umlaufmedium in ein Niederdruckmedium umgewandelt wird. Genauer gesagt teilt eine Drossel in Kombination mit einem Kompressor den Wärmepumpenkreislauf in zwei Teile: einen mit hohen Druckparametern und einen mit niedrigen Druckparametern.

Beim Passieren des Expansionsdrosselventils verdampft die im geschlossenen Kreislauf zirkulierende Flüssigkeit teilweise, wodurch Druck und Temperatur sinken. Anschließend gelangt es in einen Wärmetauscher, der mit der Umgebung kommuniziert. Dort fängt es die Energie der Umgebung ein und überträgt sie zurück in das System.

Das Drosselventil reguliert den Kältemittelfluss zum Verdampfer. Bei der Auswahl eines Ventils müssen Sie die Systemparameter berücksichtigen. Das Ventil muss diese Parameter erfüllen.

Beim Passieren des Wärmeregelventils verdampft die Kühlflüssigkeit teilweise und die Vorlauftemperatur sinkt (+)

Auswahl eines Wärmepumpentyps

Der Hauptindikator dieses Heizsystems ist die Leistung. Die finanziellen Kosten für den Kauf von Geräten und die Wahl der einen oder anderen Niedertemperaturwärmequelle hängen in erster Linie von der Leistung ab. Je höher die Leistung der Wärmepumpenanlage ist, desto höher sind die Kosten für die Komponenten.

Damit meinen wir zunächst die Leistung des Kompressors, die Tiefe der Bohrlöcher für Erdwärmesonden oder die Fläche für die Platzierung eines Horizontalkollektors. Korrekte thermodynamische Berechnungen sind eine Art Garantie dafür, dass das System effizient arbeitet.

Wenn sich in der Nähe Ihres Privatgrundstücks ein Teich befindet, wäre eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe die kostengünstigste und produktivste Wahl

Zunächst sollten Sie den Bereich untersuchen, der für die Installation der Pumpe geplant ist. Die ideale Voraussetzung wäre das Vorhandensein eines Stausees in diesem Bereich. Verwendung Wasser-Wasser-Typ-Option wird den Umfang der Aushubarbeiten erheblich reduzieren.

Die Nutzung der Erdwärme hingegen erfordert eine Vielzahl von Aushubarbeiten. Systeme, die wässrige Medien als minderwertige Wärme nutzen, gelten als am effizientesten.

Der Entwurf einer Wärmepumpe, die dem Boden Wärmeenergie entzieht, erfordert einen beeindruckenden Umfang an Aushubarbeiten. Der Kollektor wird unterhalb des saisonalen Gefrierpunkts verlegt

Die thermische Energie des Bodens kann auf zwei Arten genutzt werden. Die erste besteht darin, Brunnen mit einem Durchmesser von 100–168 mm zu bohren. Die Tiefe solcher Brunnen kann je nach Systemparametern 100 m und mehr erreichen.

In diesen Vertiefungen werden spezielle Sonden platziert. Die zweite Methode verwendet einen Rohrkollektor. Ein solcher Kollektor befindet sich unter der Erde in einer horizontalen Ebene. Diese Option erfordert eine ziemlich große Fläche.

Als ideal für die Verlegung des Kollektors gelten Flächen mit feuchtem Boden. Natürlich ist das Bohren von Brunnen teurer als die horizontale Positionierung des Reservoirs. Allerdings verfügt nicht jede Website über freien Speicherplatz. Für ein kW Wärmepumpenleistung benötigen Sie 30 bis 50 m² Fläche.

Eine Struktur zum Sammeln von Wärmeenergie mit einem tiefen Brunnen kann sich als etwas billiger erweisen als das Graben einer Grube. Ein wesentlicher Pluspunkt ist jedoch die erhebliche Platzersparnis, die für Besitzer kleiner Grundstücke wichtig ist

Bei einem hochgelegenen Grundwasserhorizont am Standort können Wärmetauscher in zwei Brunnen installiert werden, die etwa 15 m voneinander entfernt liegen.

In solchen Anlagen wird Wärmeenergie gewonnen, indem Grundwasser durch einen geschlossenen Kreislauf gepumpt wird, der sich teilweise in Brunnen befindet. Ein solches System erfordert die Installation eines Filters und die regelmäßige Reinigung des Wärmetauschers.

Das einfachste und kostengünstigste Wärmepumpenkonzept basiert auf der Gewinnung von Wärmeenergie aus der Luft. Es diente einst als Grundlage für Kühlschränke, später wurden nach seinen Prinzipien Klimaanlagen entwickelt.

Das einfachste Wärmepumpensystem bezieht Energie aus der Luftmasse. Im Sommer ist es an der Heizung beteiligt, im Winter an der Klimaanlage.Der Nachteil des Systems besteht darin, dass die eigenständige Einheit nicht über ausreichend Strom verfügt

Die Wirksamkeit verschiedener Arten dieser Ausrüstung ist nicht gleich. Pumpen mit Luft haben die geringste Leistung. Darüber hinaus hängen diese Indikatoren direkt von den Wetterbedingungen ab.

Erdgebundene Wärmepumpentypen weisen eine stabile Leistung auf. Der Wirkungsgrad dieser Systeme variiert zwischen 2,8 und 3,3. Am effektivsten sind Wasser-Wasser-Systeme. Dies liegt vor allem an der Stabilität der Quellentemperatur.

Es ist zu beachten, dass die Temperatur umso stabiler ist, je tiefer sich der Pumpenverteiler im Behälter befindet. Um eine Anlagenleistung von 10 kW zu erreichen, sind etwa 300 Meter Rohrleitung erforderlich.

Der wichtigste Parameter, der die Effizienz einer Wärmepumpe charakterisiert, ist ihr Umwandlungskoeffizient. Je höher der Umrechnungsfaktor, desto effizienter gilt die Wärmepumpe.

Der Umwandlungskoeffizient einer Wärmepumpe wird durch das Verhältnis von Wärmestrom und elektrischer Leistung ausgedrückt, die zum Betrieb des Kompressors aufgewendet wird

Eine Wärmepumpe selbst zusammenbauen

Wenn Sie das Betriebsdiagramm und den Aufbau der Wärmepumpe kennen, können Sie diese selbst zusammenbauen und installieren alternatives Heizsystem gut möglich. Vor Beginn der Arbeiten müssen alle wesentlichen Parameter des zukünftigen Systems berechnet werden. Um die Parameter der zukünftigen Pumpe zu berechnen, können Sie Software zur Optimierung von Kühlsystemen verwenden.

Die einfachste Möglichkeit zum Konstruieren ist Luft-Wasser-System. Es sind keine komplexen Arbeiten zum Aufbau eines externen Kreislaufs erforderlich, die bei Wasser- und Erdwärmepumpen üblich sind. Für die Installation benötigen Sie lediglich zwei Kanäle, von denen einer für die Luftzufuhr und der zweite für die Ableitung der Abfallmasse sorgt.

Am einfachsten ist es, mit eigenen Händen eine Wärmepumpe zu bauen, die der Luftmasse Wärme entzieht. Ein Außenventilator bläst Luft zum Verdampfer

Zusätzlich zum Lüfter benötigen Sie einen Kompressor mit der erforderlichen Leistung. Für ein solches Gerät ist ein Kompressor erforderlich, der mit einem herkömmlichen Gerät ausgestattet ist Split-Systeme. Es ist nicht notwendig, ein neues Gerät zu kaufen.

Sie können es aus alten Geräten entfernen oder verwenden alte Kühlschrankteile. Es empfiehlt sich, die Spiralvariante zu verwenden. Diese Kompressoroptionen sind nicht nur recht effizient, sondern erzeugen auch hohe Drücke, die höhere Temperaturen erzeugen.

Für die Installation eines Kondensators benötigen Sie einen Behälter und ein Kupferrohr. Eine Spule wird aus einem Rohr hergestellt. Für seine Herstellung wird jeder zylindrische Körper mit dem erforderlichen Durchmesser verwendet. Indem Sie ein Kupferrohr darum wickeln, können Sie dieses Strukturelement einfach und schnell herstellen.

Die fertige Spule wird in einen zuvor halbierten Behälter montiert. Für die Herstellung von Behältern ist es besser, Materialien zu verwenden, die gegen Korrosionsprozesse beständig sind. Nach dem Einlegen der Spule werden die Tankhälften verschweißt.

Die Spulenfläche wird nach folgender Formel berechnet:

MT/0,8 RT,

Wo:

• MT - die Leistung der thermischen Energie, die das System erzeugt.
• 0,8 — Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, wenn Wasser mit dem Spulenmaterial interagiert.
• RT — Unterschied der Wassertemperaturen am Einlass und Auslass.

Bei der Auswahl eines Kupferrohrs zum Selbermachen einer Spule müssen Sie auf die Wandstärke achten. Sie muss mindestens 1 mm betragen. Andernfalls wird das Rohr beim Wickeln verformt. Das Rohr, durch das das Kältemittel eintritt, befindet sich im oberen Teil des Behälters.

Ein Kupferrohrwärmetauscher wird hergestellt, indem ein Kupferrohr auf einen zylinderförmigen Gegenstand gewickelt wird. Je größer die Oberfläche der Spule ist, desto höher ist die Pumpenleistung

Der Wärmepumpenverdampfer kann in zwei Versionen hergestellt werden – in Form eines Behälters mit einer darin befindlichen Spule und in Form eines Rohrs in einem Rohr. Da die Temperatur der Flüssigkeit im Verdampfer niedrig ist, kann der Behälter aus einem Kunststofffass hergestellt werden. In diesen Behälter wird ein Kreislauf aus Kupferrohr gelegt.

Im Gegensatz zu einem Kondensator muss die Spule der Verdampferschlange zum Durchmesser und zur Höhe des ausgewählten Behälters passen. Die zweite Verdampfervariante: Rohr in Rohr. In dieser Ausführungsform ist das Kältemittelrohr in einem Kunststoffrohr mit größerem Durchmesser untergebracht, durch das Wasser zirkuliert.

Die Länge eines solchen Rohres hängt von der geplanten Pumpenleistung ab. Sie kann zwischen 25 und 40 Metern betragen. Ein solches Rohr wird zu einer Spirale gerollt.

Das Thermostatventil bezieht sich auf Absperr- und Steuerarmaturen für Rohrleitungen. Als Schließelement im Expansionsventil dient eine Nadel. Die Stellung des Ventilabsperrorgans wird durch die Temperatur im Verdampfer bestimmt.

Dieses wichtige Element des Systems ist recht komplex aufgebaut. Es enthält:

• Thermoelement.
• Membran.
• Kapillarrohr.
• Thermoballon.

Bei hohen Temperaturen können diese Elemente unbrauchbar werden.Daher sollte bei Lötarbeiten an der Anlage das Ventil mit Asbestgewebe isoliert werden. Das Regelventil muss zur Verdampferleistung passen.

Nach Abschluss der Arbeiten zur Herstellung der Hauptstrukturteile kommt der entscheidende Moment, wenn die gesamte Struktur zu einem einzigen Block zusammengefügt wird. Die kritischste Phase ist Kältemitteleinspritzverfahren oder Kühlmittel in das System gelangen.

Es ist unwahrscheinlich, dass ein normaler Mensch eine solche Operation selbstständig durchführen kann. Hier müssen Sie sich an Profis wenden, die Klimageräte reparieren und warten.

Arbeitnehmer in diesem Bereich verfügen in der Regel über die erforderliche Ausrüstung. Sie können nicht nur Kältemittel einfüllen, sondern auch den Betrieb des Systems testen. Das eigene Einspritzen von Kältemittel kann nicht nur zu strukturellen Schäden, sondern auch zu schweren Verletzungen führen. Darüber hinaus ist für den Betrieb des Systems auch spezielle Ausrüstung erforderlich.

Beim Starten der Anlage entsteht eine Spitzenanlauflast, die in der Regel etwa 40 A beträgt. Daher ist ein Starten der Anlage ohne Anlaufrelais nicht möglich. Nach der ersten Inbetriebnahme ist eine Einstellung des Ventil- und Kältemitteldrucks erforderlich.

Die Wahl des Kältemittels sollte sehr ernst genommen werden. Schließlich gilt dieser Stoff im Wesentlichen als der wichtigste „Träger“ der nutzbaren Wärmeenergie. Von den vorhandenen modernen Kältemitteln sind Freone das beliebteste. Dabei handelt es sich um Derivate von Kohlenwasserstoffverbindungen, bei denen ein Teil der Kohlenstoffatome durch andere Elemente ersetzt ist.

Durch den Zusammenbau der einzelnen Elemente der Wärmepumpe soll ein geschlossener Kreislauf entstehen, durch den das Arbeitsmedium zirkuliert

Als Ergebnis dieser Arbeit wurde ein geschlossenes System erhalten. Darin zirkuliert das Kältemittel und sorgt für die Auswahl und Übertragung der Wärmeenergie vom Verdampfer zum Kondensator. Beim Anschluss von Wärmepumpen an die Hausheizung ist zu berücksichtigen, dass die Temperatur des aus dem Kondensator austretenden Wassers 50 – 60 Grad nicht überschreitet.

Aufgrund der niedrigen Temperatur der von der Wärmepumpe erzeugten Wärmeenergie müssen spezielle Heizgeräte als Wärmeverbraucher ausgewählt werden. Dabei kann es sich um einen warmen Boden oder volumetrische Strahler mit geringer Trägheit aus Aluminium oder Stahl mit großer Strahlungsfläche handeln.

Selbstgebaute Wärmepumpenoptionen werden am besten als Zusatzgeräte betrachtet, die den Betrieb der Hauptquelle unterstützen und ergänzen.

Jedes Jahr werden die Konstruktionen von Wärmepumpen verbessert. Industriedesigns für den Hausgebrauch nutzen effizientere Wärmeübertragungsflächen. Dadurch steigt die Systemleistung stetig.

Ein wichtiger Faktor, der die Entwicklung einer solchen Technologie zur Erzeugung thermischer Energie stimuliert, ist die Umweltkomponente. Solche Systeme sind nicht nur sehr effektiv, sondern belasten auch die Umwelt nicht. Das Fehlen einer offenen Flamme macht den Betrieb absolut sicher.

Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema

Video Nr. 1. So bauen Sie aus PEX-Rohren eine einfache selbstgebaute Wärmepumpe mit Wärmetauscher:

Video Nr. 2. Fortsetzung der Anleitung:

Wärmepumpen werden seit geraumer Zeit als alternative Heizsysteme eingesetzt.Diese Systeme sind zuverlässig, langlebig und vor allem umweltfreundlich. Sie werden zunehmend ernsthaft als nächster Schritt zur Entwicklung effizienter und sicherer Heizsysteme in Betracht gezogen.

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