Wie man eine Luft-Wasser-Wärmepumpe baut: Aufbauschema und Selbstmontage

Aufgrund der regelmäßigen Steigerung der Heizkosten werden alternative Heizmethoden immer gefragter. Ein Beispiel ist die praktische Luft-Wasser-Wärmepumpe, die die Energie der Luft zum Heizen nutzt. Die Anlage benötigt kein teures Verbrauchsmaterial, ist einfach zu bedienen und sicher.

Wegen des hohen Preises für werkseitig montierte Aggregate interessieren sich viele für den Eigenbau dieser Anlage. Wir erläutern, was ein Heimwerker für den Bau einer selbstgebauten Wärmepumpe benötigt. Bei uns erfahren Sie, welche technischen Hilfsmittel Sie vorrätig haben sollten.

Besonderheiten des Luft-Wasser-Wärmesystems

Die Wärmepumpe, die in diesem Artikel behandelt wird, hat im Gegensatz zu anderen Modifikationen ähnlicher Geräte (insbesondere Wasser-Wasser und Sole-Wasser) eine Reihe von Vorteilen:

• spart Strom;
• für die Installation sind keine umfangreichen Erdarbeiten, Bohrungen oder Sondergenehmigungen erforderlich;
• Wenn das System an Solarmodule angeschlossen wird, kann seine vollständige Autonomie gewährleistet werden.

Ein gewichtiger Vorteil des Wärmesystems, das Windenergie gewinnt und an das Wasser weitergibt, liegt in der hundertprozentigen ökologischen Sicherheit.

Bevor Sie mit der Konstruktion der Pumpe beginnen, müssen Sie herausfinden, in welchen Fällen das System am effektivsten arbeitet und wann sein Einsatz nicht sinnvoll ist.

Eine Wärmepumpenanlage, die Energie aus der Luftmasse gewinnt, kann zur Erwärmung aller in den GUS-Staaten verwendeten Wärmeträger eingesetzt werden: Wasser, Luft, Dampf

Anwendung und Funktionsweise

Eine Wärmepumpe arbeitet nur in einem Temperaturbereich von -5 bis +7 Grad effizient. Bei einer Lufttemperatur über +7 Grad erzeugt das System mehr Wärme als nötig, bei unter -5 Grad reicht sie nicht zum Heizen aus. Dies liegt daran, dass das konzentrierte Kältemittel in der Konstruktion bei -55 Grad siedet.

Theoretisch kann das System auch bei 30 Grad Frost Wärme erzeugen, aber diese reicht nicht zum Heizen aus, da die Heizleistung direkt von der Differenz zwischen der Siedetemperatur des Kältemittels und der Lufttemperatur abhängt.

Daher ist dieses System für Bewohner der nördlichen Regionen, in denen die Kälte früher einsetzt, nicht geeignet, während es in Häusern der südlichen Gebiete einige kalte Monate lang effizient genutzt werden kann.

Wenn im Raum Standardheizkörper installiert sind, arbeitet die Wärmepumpe weniger effizient. Am besten lässt sich das Luft-Wasser-Gerät mit Konvektoren und anderen Radiatoren mit großer Fläche sowie mit Fußbodenheizungssystemen und wassergeführten Wandheizungen kombinieren.

Außerdem sollte der Raum selbst von außen gut isoliert sein und über eingebaute Mehrkammerfenster verfügen, die eine bessere Wärmedämmung bieten als herkömmliche Holz- oder Kunststofffenster.

Eine Wärmepumpe arbeitet am besten mit einer wasserbasierten Fußbodenheizung zusammen, die keine Erwärmung des Wärmeträgers über 40 – 45 °C erfordert.

Ein selbstgebauter Wärmepumpe kann Häuser mit einer Fläche von bis zu 100 m² effizient beheizen und garantiert eine Leistung von 5 kW erbringen. Es ist zu beachten, dass das Kältemittel in einer im Haushalt hergestellten Konstruktion nicht ausreichend qualitativ eingefüllt werden kann, daher sollte man mit einer Siedetemperatur von bis zu -22 Grad rechnen.

Ein selbst zusammengebautes Gerät eignet sich ideal zur Wärmeversorgung einer Garage, eines Gewächshauses, von Wirtschaftsräumen, eines kleinen privaten Pools usw. Das System wird üblicherweise als Zusatzheizung verwendet.

Elektrokessel oder andere herkömmliche Heizgeräte werden für die Heizsaison auf jeden Fall benötigt. Bei starkem Frost (-15 bis -30 Grad) wird empfohlen, die Wärmepumpe auszuschalten, um Stromverschwendung zu vermeiden, da ihre Effizienz in dieser Zeit nicht mehr als 10 % beträgt.

Wärmepumpen liefern ausreichend Energie zur Erwärmung des Wassers in privaten Hallenbädern (+)

Funktionsprinzip des Systems

Das Arbeitsmedium in der Konstruktion ist Luft. Durch das Außengerät, das im Freien installiert wird, gelangt Sauerstoff über Rohre in den Verdampfer, wo er mit dem Kältemittel in Wechselwirkung tritt.

Das Kältemittel wird unter Temperatureinfluss gasförmig (da es bei -55 Grad siedet) und gelangt erhitzt unter Druck in den Kompressor. Das Gerät komprimiert das Gas und erhöht dadurch seine Temperatur.

Das heiße Kältemittel gelangt in den Kreislauf des Speichertanks (Kondensator), wo die Wärme an das Wasser abgegeben wird, das anschließend für die Heizung und Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Im Kondensator verliert das Kältemittel nur einen Teil seiner Wärme und befindet sich noch in gasförmigem Zustand.

Beim Durchströmen des Drosselventils wird das Kältemittel versprüht, wodurch seine Temperatur sinkt. Das Kältemittel wird flüssig und gelangt in diesem Zustand in den Verdampfer. Der Kreislauf wiederholt sich.

Die Abbildung zeigt schematisch die Umsetzung des Prinzips einer elementaren Wärmepumpe, die durch Kompressor und Expander in zwei Kreisläufe unterteilt ist – einen Hochdruck- und einen Niederdruckkreislauf.

Diejenigen, die aus Altmaterialien und ausgedienten Geräten, wie zum Beispiel einem alten Kühlschrank, eigenständig eine Wärmepumpe bauen möchten, finden hilfreiche Informationen in dem von uns empfohlenen Artikel.

Bau einer Luft-Wasser-Wärmepumpe

Das System der Wärmepumpe besteht aus vier Hauptkomponenten:

• Außeneinheit;
• Behälter des Wärmetauschers-Verdampfers;
• Einheit für den Kompressor;
• Speicherbehälter (Kondensator).

Betrachten wir die Besonderheiten der Konstruktion jeder Einheit.

Montage des Außengeräts

Für den Bau der Außeneinheit wird benötigt:

• Gehäuse. Traditionell eignet sich ein Gehäuse einer Split-Klimaanlage, Waschmaschine oder eines anderen großen Geräts, manchmal wird es auch selbst durch Verschweißen von Metallelementen hergestellt. Wichtig ist, das Metall nach der Montage mit einer Pulver-Antikorrosionsfarbe zu behandeln.
• Lüfter. Das Bauteil kann aus einem alten funktionierenden Klimaanlagensystem entnommen oder separat erworben werden.

Das Lüftermodell sollte breite Kunststoffflügel und vorzugsweise einen abnehmbaren Motor haben, um ihn an einen Sensor anschließen zu können.

Für die Montage der Außeneinheit werden ein Gehäuse und ein Lüfter aus einer Klimaanlage benötigt. Ungefähre Abmessungen der Einheit: 75 x 85 x 30 cm.

In die Außeneinheit können der Verdampfer und Hilfselemente für dessen Betrieb eingebaut werden, es ist jedoch sinnvoller, diese Teile in einem separaten Gehäuse unterzubringen.

Die Außeneinheit wird in einem Abstand von 2–10 m vom Haus installiert. Wichtig ist, ein Fundament zu errichten und einen Überdachung anzubringen, um die Konstruktion vor Niederschlag zu schützen. Außerdem muss vor dem Lüfter ein Gitter angebracht werden, um zu verhindern, dass Schmutz, Abfall und Blätter in die Lüfterflügel und Rohre gelangen.

Zusätzlich empfiehlt es sich, Heizungen zu installieren, die die Seiten und Paneele vor Vereisung schützen. In diesem Fall ist keine zusätzliche Beheizung des Gehäuses erforderlich. Der Aufstellort der Einheit sollte gut belüftet und von offenen Feuerquellen entfernt sein.

Einheit mit Verdampfer-Wärmetauscher

Den Verdampfer kann man fertig kaufen, indem man die Dienste von Online-Anbietern nutzt, oder selbst herstellen. Dafür wird ein 80-Liter-Behälter und ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von mindestens 1 mm benötigt.

Die Länge wird individuell unter Berücksichtigung der erforderlichen Leistung berechnet. Für ein Gerät mit 5 kW kann man 10 m nehmen. Im Verdampfer findet die Erwärmung und Zirkulation des Kältemittels statt, sowie der Kontakt mit der Luft.

Um den Wärmetauscher zu bauen, muss eine Spule konstruiert werden. Dazu wird der Draht um ein dickwandiges Rohr gewickelt, dessen Durchmesser die Breite des Tanks nicht überschreitet. Es ist wichtig, die Enden über die Höhe des Gehäuses hinausragen zu lassen. Sie werden benötigt, um die Spule mit anderen Systemkomponenten – dem Kompressor und dem Speicherbehälter – zu verbinden.

Für die Herstellung der Spule wird ein Kupferrohr mit einer Wandstärke von etwa 1 mm um eine Gasflasche, ein Rohr oder eine mit Wasser gefüllte Plastikflasche gewickelt.

In das Gehäuse werden zwei Anschlüsse für die Rohrleitungen eingeschraubt, und es werden zwei Anschlüsse für den Drahtausgang geschaffen. Die Verbindungen werden abgedichtet. Die fertige Konstruktion wird mit L-förmigen Halterungen befestigt.

Es wird empfohlen, am Verdampfer zusätzlich ein Abtaurelais zu installieren, da im Tank eine Luftzirkulation mit negativer Temperatur stattfindet. In diesem Fall kann das im System angesammelte Kondensat zu einer Vereisung des Verdampfers führen. Um die Bildung von Feuchtigkeit zu vermeiden, kann außerdem ein Filtertrockner in das System integriert werden.

Installation des Kompressors

Für die Installation des Kompressors wird ein separates Gehäuse mit Schall- und Vibrationsdämmung benötigt, da praktisch alle Gerätemodelle während des Betriebs Lärm verursachen. Der Kompressor kann gebraucht aus einem Kühlschrank oder einer Klimaanlage stammen oder als neues Modell erworben werden.

Für Wärmepumpen eignen sich die folgenden Kompressorarten:

1. Rotationskompressoren sind die günstigsten, haben jedoch einige Nachteile: Sie sind laut, haben eine geringe Effizienz und eine Lebensdauer von 8–10 Jahren.
2. Spiralkompressoren werden in alle modernen Modelle von Klimaanlagen und Kühlschränken eingebaut. Sie sind langlebig (15–20 Jahre), leise, effizient, aber teuer.
3. Kolbenkompressoren werden hauptsächlich in Industriekühlschränken eingesetzt. Die Geräte haben einen guten Wirkungsgrad, sind langlebig (15–20 Jahre), aber extrem laut und teuer.

Für die Wärmepumpe muss ein Kompressor in einphasiger Ausführung gewählt werden. Vor dem Kauf ist es wichtig zu erfahren, mit welcher Art von Kältemittel das Gerät arbeitet. Es ist empfehlenswert, ein Modell zu kaufen, das mit R22 arbeitet, besser noch mit R422. Mit dieser Art von Kältemittel ist die Arbeit einfacher als mit jeder anderen Art von Kältemittel.

Der Kompressor wird mit Rohren an den Verdampfer- und Kondensatorblock angeschlossen. Durch das Gerät erhöht das Kältemittel seine Temperatur.

Bau des Speicherbehälters (Kondensators)

Für die Herstellung des Kondensators wird ein Gehäuse eines 100-Liter-Boilers oder ein anderer Edelstahltank mit dem gleichen Volumen benötigt. Außerdem wird eine Spule aus einem Kupferrohr benötigt. Für eine Pumpe mit einer Leistung von 5 kW kann ein 12 Meter langer Draht verwendet werden. Durch das Rohr der Spule fließt heißes Kältemittel, wodurch das Wasser erhitzt wird.

Schritt Nr. 1: Herstellung der Spule

Für die Herstellung der Spule wird ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von mindestens 26 mm und einer Wandstärke von mindestens 1 mm benötigt. Dieser muss auf ein Rohr mit einem geringeren Querschnitt als der Tank gewickelt werden.

Die Höhe der Spirale muss mit der Höhe des Gehäuses übereinstimmen. Es ist wichtig, die Rohraustritte außerhalb des Behälters zu lassen, um die Spule mit dem Verdampfer und dem Kompressor verbinden zu können.

Schritt Nr. 2: Vorbereitung des Gehäuses

Für die Installation der Spule muss der Behälter geschnitten werden. Oben und unten müssen Öffnungen für die Austritte des Kupferdrahts geschaffen werden, sowie zusätzliche Abteile für die Montage von 2 Anschlussstutzen, einer für den Wasserauslass und der andere für den Wassereinlass. Nach diesen Schritten muss der Behälter abgedichtet werden.

Der Wärmetauscher-Kompressor kann separat als fertige Konstruktion erworben werden. Mit einem werksseitig montierten Gerät kann die Leistung und der Wirkungsgrad der Anlage erhöht werden.

Das Kältemittel mit der Kennzeichnung R22 soll gemäß den Montrealer Protokollen bis 2030 aus dem Verkehr gezogen werden. Für die Befüllung des Systems ist es besser, seinen Ersatzstoff – das Kältemittel R422 – zu verwenden.

Verbindung des Außengeräts mit dem Verdampfer

Für die Verbindung des Außengeräts und des Verdampfers sind zwei Polyethylenrohre HDPE 32 erforderlich. Durch das eine Rohr wird Luft zugeführt, durch das andere abgeführt.

Die Rohre können in der Erde vergraben werden, nachdem man zuvor den Graben mit einem sandigen Material aufgefüllt hat, oder sie können an der Oberfläche belassen werden, wenn sich das Außengerät in der Nähe des Hauses befindet.

Verbindung von Verdampfer, Kompressor und Speicher

In diesem System zirkuliert Kältemittel. Für den Anschluss der Spulen mit dem Kompressor und dem Expansionsventil ist es erforderlich, sich an Kältetechnik-Spezialisten zu wenden. Eine Person ohne Erfahrung in Lötarbeiten wird es selbst mit Werkzeugen und Materialien schwierig haben, alle Elemente ordnungsgemäß zu einem System zu verbinden, um den Betrieb der Konstruktion zu gewährleisten.

Darüber hinaus werden viele zusätzliche Materialien benötigt – Rohre unterschiedlicher Durchmesser, verschiedene Varianten von Ablasshähnen, Entlüftungsventilen, Sicherheitsventilen sowie Rohrschellen, Klemmen, Rohrschneider zum Zuschneiden von Rohrabschnitten.

Es werden auch andere spezialisierte Geräte benötigt, die in jeder Werkstatt für Kühlschrank- und Klimaanlagenreparatur vorhanden sind.

Das professionelle Einfüllen von Kältemittel erfolgt ebenfalls mit Spezialgeräten. Daher ist es bequemer und vorteilhafter, sich an Fachleute zu wenden, um die Wärmetauscher, den Kompressor und das Expansionsventil zu einem funktionierenden System zu verbinden.

Implementierung der Steuerungssysteme der Anlage

Zur Überwachung von Druck und Temperatur des Kältemittels kann eine Platine mit Display aus einer beliebigen Klimaanlage verwendet werden. Während der Lötarbeiten kann die Konstruktion mit Hilfe von Spezialisten fachgerecht in die Anlage integriert werden.

Es ist auch möglich, ein spezielles Gerät anzuschließen – einen Drehzahlsensor für den Lüfter. Dieser regelt die Drehgeschwindigkeit der Lüfterblätter und automatisiert auch die Drehzahl der Kältemittelumwälzpumpe.

Zusätzlich können ein Timer, ein Elektrostartgerät und eine Einrichtung installiert werden, die den Kompressor vor Überhitzung schützt. Alle diese Teile können in Reparaturwerkstätten oder auf dem Ersatzteilmarkt erworben werden.

Berechnung der Leistung der Luft-Wasser-Wärmepumpe

Für die Beheizung eines Raums mit einer Fläche ab 100 m² ist eine Wärmepumpe mit höherer Leistung erforderlich. Die benötigte Leistung der Anlage kann man näherungsweise anhand der folgenden Tabelle berechnen:

Die Daten der Tabelle helfen dabei, die Fläche des Wärmetauscherrohrs (Spirale) für die Erstellung einer Anlage mit einer bestimmten Leistung zu berechnen.

Um zu bestimmen, welche Leistung der Kompressor haben sollte, welche Rohrdurchmesser zu verwenden sind und andere wichtige Daten bei der Konstruktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, muss man auf eine der folgenden Methoden zurückgreifen:

• Nutzen Sie Online-Rechner, die auf den Websites der Wärmetauscherhersteller verfügbar sind.
• Wenden Sie die Software CoolPack 1,46, Copeland an.
• Beauftragen Sie einen Fachmann, der die erforderlichen Messungen und Berechnungen durchführt.

Die Fläche der Kondensatorspule (PZK) kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

PZK = M/0,8DT,

wobei M die Leistung der Anlage in kW ist; 0,8 der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient beim Kontakt von Wasser und Kupfer; DT die Temperaturdifferenz zwischen einströmender und ausströmender Luft im System.

Die oben genannten Parameter der Wärmepumpe sind für Räume bis zu 100 m² geeignet. Die Leistung der Anlage beträgt – 5 kW. Wenn Sie spezielle Wärmetauscher kaufen, ist es durchaus möglich, die Leistung der Anlage auf 10-15 kW zu erhöhen.

Die Abbildung zeigt ein System, bei dem Wärmetauscher, Kompressor und Drossel in einem Behälter vereint sind. In der Konstruktion werden werkseitige Wärmetauscher verwendet (+).

Wartung der selbstgebauten Anlage

Für einen qualitativ hochwertigen Betrieb benötigt die Wärmepumpe zusätzliche Wartung. Wenn das Gerät im Winter verwendet wird (vorausgesetzt, dass im Gehäuse keine zusätzliche Heizung installiert ist), muss der Block regelmäßig aufgetaut werden, da sich auf seiner Oberfläche eine Eisschicht bildet.

Außerdem müssen Sie regelmäßig:

• Reinigen Sie die Lüfterflügel von Schmutz – Blättern, Staub, Dreck, Schnee usw.
• Schmieren Sie den Kompressor gemäß dessen Anleitung.
• Wechseln Sie das Öl im Kompressor und Lüfter.

Darüber hinaus müssen für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems regelmäßig die Unversehrtheit der Kupferrohrleitung, des Netzkabels, das den Kompressor, den Lüfter und andere Geräte versorgt, überprüft werden.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Das folgende Video erläutert das Funktionsprinzip und den Aufbau einer Wärmepumpe, die Windenergie nutzt:

Eine selbstgebaute Luft-Wasser-Wärmepumpe ist eines der effektiven und kostengünstigen Geräte für die zusätzliche Beheizung von Wohnräumen. Jeder kann dieses System herstellen und installieren.

Bitte schreiben Sie Kommentare in den unten stehenden Block. Haben Sie interessante Informationen und Fotos zum Thema des Artikels? Stellen Sie Fragen, teilen Sie Ihre eigene Meinung und nützliche Ratschläge für die Besucher der Website.