Ох уж этот загадочный тепловой насос...

1 некоторые соображения о возможности самостоятельно сделать ТН,

2  практическая реализация проекта

3 типичные ошибки

СООБРАЖЕНИЯ

На Западе отопление тепловыми насосами давно  прижилось, а у нас пока никак. Невыгодно было по многим причинам:  газ дешевый, дрова дешевые, уголь дешевый. И это далеко не все, сама установка ТН далеко не дешевая и требует много чего еще. По цене выйдет (если брать промышленные образцы и делать все по полной) в десятки раз дороже, чем на дровах или угле. Я не говорю о газе, поскольку цена газа и его подключение становится предметом загадочным.  Поэтому пока что установить у себя дома ТН - это просто экзотика, даже среди экзотических фруктов. Но, ... если вы обладаете средними слесарными навыками и романтику технического конструирования вам окончательно не отбил мировой глобализм,  тогда  у вас есть шанс. Конечно, во всем этом много но. Но много но, это далеко не бесконечно много.  Отрицательный результат  исключен законами термодинамики. Тех же, кто не дружит с инструментами могу обрадовать, китайцы  тоже выпускают тепловые насосы и они значительно дешевле фирменных. На них стоят лицензионные компрессора, так что по качеству они не должны  значительно отличатся, что бы там не говорили.

Тепловой насос это просто холодильная машина наоборот. Выбросите двери, коробку, и вот она вам в чистом виде - немного трубок, компрессор, конденсатор, испаритель.   По конструкции холодильник напоминает анекдот про слона, муху, нетрадиционное применение хобота и вечный кайф. Ничего сложного - тот же замкнутый, последовательный контур с узким проходом (на схеме сбросной клапан) и компрессором по которому по кругу перекачивается фреон. При работе компрессора в линии нагнетания до сужения образуется повышенное давление и происходит нагрев, а в линии откачки после сужения разрежение и охлаждение. Прокачиваясь по контуру фреон претерпевает фазовое превращение  в зависимости от температуры и давления при этом то испаряется то конденсируется. Помещаем конденсатор и испаритель в отдельные теплообменники согласно нижеприведенному  рисунку.  Забирая энергию у окружающей среды будем ее охлаждать, при этом греть наше жилище. Согласен, тоже несколько нетрадиционное применение  холодильника.

Как заявляют производители эффективность тепловых насосов составляет 4-5. То есть на одну величину затраченной электроэнергии получаем 4-5 единиц тепловой энергии.  Вполне закономерный вопрос - почему ТН  греет с "КПД" 400-500%? Ответ простой - он не просто греет он еще и охлаждает, тесть он просто создает разницу температур, а вот это как раз можно делать и очень даже эффективно, не нарушая закона сохранения. 

Перекачивать тепло то мы перекачаем, а теперь не растерять бы, да было бы  вообще откуда брать достаточное количество тепла на всю зиму, ведь его отнять  в таких количествах далеко не просто. Ну, во-первых:  дом должен быть утепленным, иначе все это не имеет смысла, так чтобы на его обогрев зимой хватало 10-15 кВт тепловой мощности.  Во-вторых: надо же где-то и источник тепла найти  достаточный для  обогрева жилья. Будем в качестве такого источника использовать тепло из теплообменника  закопанного в землю где температура практически всю зиму остается постоянной +7 С.

Принцип простой. Говоря на языке физики, если от более теплого тела передается какое-то количество тепла более холодному, может быть произведена полезная механическая работа, и это происходит во всех тепловых двигателях. Теперь наоборот, чтобы передать тепло от более холодного тела к более теплому, необходимо выполнить некую механическую работу, а это уже наш холодильник или тепловой насос. В обеих  случаях, эффективность передачи тепла от одного тела к другому x= |Q1|/|A|, где Q1 переданное тепло,  A- выполненная или произведенная механическая работа. x всегда больше единицы, чем мы и не преминем воспользоваться. То что плохо для двигателя, то как раз очень хорошо для теплового насоса, поскольку КПД теплового двигателя равен обратной величине x.

Что наша холодильная машина теперь делает - забирает тепло от менее нагретого тела у вас в огороде, еще более охлаждая его и передает более нагретому, то есть в ваше же жилье. Почему?.. Да потому что работает! Работает компрессор от электричества производя механическую работу A. При подходящих условиях может даже  получится ничего себе. Оценим это "ничего себе" исходя из того, что идеальной моделью таких устройств является тепловая машина Карно. Согласно теории, эффективность его машины

   Энергетическая схема теплового насоса. Q1 < 0, A < 0, Q2 > 0, T1 > T2 .   Где Т температура в градусах Кельвина.

Количество тепла перенесенного в помещение  тепловым насосом будет  |Q1| = |A|+ Q2, где A работа произведенная компрессором а Q2 количество тепла взятое из окружающей среды с температурой T2.

Будем считать, что наш тепловой насос не намного хуже машины Карно, тогда мощность теплового насоса Wtp, необходимая для обеспечения обогрева жилища,  которому нужно обеспечить мощность нагрева Wн=10 кВт, составит  Wtp= Wн/x. Подставляя числа более менее подходящие для наших зим,  будем иметь  T1=308 К (35 С на нагревательных элементах ), T2=280 К (+ 7 С) - температура под землей, тогда x= 308/(308-280)= 11.  И тогда Wtp~1кВт.  Холодильник или морозильник с такой мощностью наверно найти будет непросто но кондиционеры такой мощностью обладают. Лучше мощность иметь с запасом, поскольку 11 это максимальная оценка для идеального равновесного цикла Карно. Практически, я встречал в Интернете показатели для производственных образцов ТН порядка x=3-5;   Вдохновляет однако то, что на один кВт электроэнергии по счетчику получаем дополнительно 3-5 абсолютно безвозмездно. Просто акция от матушки природы - купи один кВт, пять получишь даром.  И какой хохол это не любит?! Для тех кто все еще мучается законом сохранения енергии могу добавить, что на 1 кВт электро энергии мы не только получаем 5 кВт тепла но еще 4 кВт холода. Отымаэм одно от другого и все как в аптеке, тепловой баланс сходится, общая енергия системы остается постоянной.

Для повышения x, согласно приведенной формуле, необходимо использовать в жилище низкотемпературные нагревательные элементы типа теплых полов, на которых температура не превышает 30-35 С, ну и конечно уменьшать утечки тепла в самой конструкции  системы. Для большей наглядности приведем табличку зависимости  x от температуры T1 и T2.   Реальный коэффициент в любом случае будет коррелировать с этими данными при изменении температуры. На практике же значения x для ТН оказываются ниже и сотавляют для рабочих ТН, как отмечалось, порядка 3-5. В чем же причина? Формула для вычисления эффективности ТН такая же фундаментальная для перекачки тепла как число Пи для круга. Надо разбираться, вопрос стоит того.

#

T1 С 

T2 С 

x

#

T1 С 

T2 С 

x

1

50

7

7,511628

1

35

7

11

2

40

7

9,484848

2

35

5

10,26667

3

35

7

11

3

35

2

9,333333

4

30

7

13,17391

4

35

0

8,8

5

25

7

16,55556

5

35

-10

6,844444

 

Одна из наиболее очевидных причин находится  в процессе теплообмена. Значения T1 и T2 в формуле реально надо брать не для воды а для фреона в конденсаторе и испарителе T1f и T2f . Для того, чтобы достичь требуемых температур воды на выходе из теплообменников, температура фреона должна быть соотвественно перегретая и переохлажденная. Таким образом разность T1f и T2f  может оказаться на 10-30 градусов больше, что существенно понизит значение x.  Как следствие, для уменьшения значений перегрева и переохлаждения необходимо применять как можно "большие" теплообменники.

В свою очередь КПД самого компрессора зависит от многих причин. Компресия в насосе не бесконечная. При больших разницах давления на всасывании и нагнетании часть газа, попросту говоря, проскакивает не по тому кругу. Коэффициент подачи и соответственно потери в компрессоре сильно зависят от отношения давлений на входе и выходе. Еще одна причина понижения КПД это "мёртвый" объём - газ сжимается но не прокачивается. В зависимости  от конструкции компрессора  (поршневые, роторные, спиральные, винтовые) и их мощности могут быть нюансы.

У поршневых не очень большие перетоки газа между высокой и низкой сторонами из за неплотностей в клапанах и зазоров в поршневых кольцах (5%), зато очень сильно влияет на эффективность "мёртвый" объём цилиндра (газ сжимается но не прокачивается), потери достигают 35-40% плюс вредный подогрев всасываемого пара 10 % и растворение фреона в масле на стенках цилиндра. Все потери в сумме могут достигать 70% у маленьких компрессоров, 40-50% у средних и 20-30% у крупных. Умножив на КПД однофазного маломощного электродвигателя (0,5-0,6) и добавив сопутствующие потери в трубопроводах получим общий КПД для маломощного компрессора для морозильника на уровне 20%.

Компрессоры мощностью 5-10 кВт (роторники и спиральники) имеют коэффициент подачи порядка 0,6, что вместе с  КПД трёхфазного электродвигателя 0,9-0,95 - дает общий КПД уже приблизится к 0,55. Такие компрессора ставятся  в кондиционерах и тепловых насосах. У больших компрессоров в сотни киловатт общий КПД может достигать 0,7-0,75 но там уже винтовые механизмы. У винтовых компрессоров мёртвого объёма нет, зато основные потери из за перетоков газа, которые растут с повышением отношения давлений. Спиральники обладают неплохими характеристиками при небольших отношениях давлений (до 3), но катастрофически начинают проигрывать и поршням и винтам при повышении этого отношения.

Существуют также иные причины понижения коефициента эффективности - это механические потери и термодинамические потери, однако они менее существенны. КПД компрессоров зависит от их конструкции, и для поставленной задачи построения ТН будет приблизительно 0,5. Таким образом  реально можна ожидать значения еффективности теплового насоса в два раза меньше от расчитаного по формуле.

Что можна еще сказать исходя  из таблицы. Поскольку эффективность теплового насоса сильно зависит от разности температур  в осенний и весенний периоды система будет более эффективная чем в очень холодные зимы. Отсюда становится понятным почему ТН более практичен в условиях мягкого климата.

Можно с большой уверенностью утверждать, что построить тепловой насос самостоятельно, который был  бы способен доставлять в жилище необходимое количество тепла, вполне реально, что бы там не говорили торговцы промышленным оборудыванием. Слищком уж проста схема холодильника.  Да вот только кроме самого ТН необходимо организовать приток, пусть даже низкопотенциального тепла, но на протяжении всей зимы.  Этот вопрос более существенный. Как и всякая акция,  эта - от матушки природы тоже... Необходимо именть или довольно большой участок земли, или выход к водойому, или бурить глубокие скважины, а еще..., лучше всего иметь теплую зиму. Если зимы непродолжительные и не очень холодные, а лето так, ничего, теплое - можно попробовать побороться.

И тут количество но, как и капиталовложений, может начать резко возрастать. Учитывая низкую теплопроводность грунта,  возможно понижение температуры вокруг подземного теплообменника и даже замерзание грунта. Поэтому он должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить стабильный подвод тепла.  В подземном теплообменнике в качестве рабочего тела необходимо использовать незамерзающую жидкость, обычно это смесь воды и бытового  антифриза - на схеме рассол.  Чтобы возможное промерзание не влияло на здание подземный теплообменник, надо обустроить подальше от жилища и, по возможности, на солнышке. Реально  и недорого можно получить требуемый результат, если вы рядом с рекой, большим водойомом или уровень залегания грунтовых вод, до куда можно еще реально докопаться. В-общем, каким-то образом там надо установить теплообменник и побольше. В водоносных слоях достаточная теплоемкость и теплопроводность, способная обеспечить подачу необходимого  тепла к коллектору, и при этом не произойдет заметного понижения температуры и замерзания грунта на протяжении длительного времени. Здесь  и конвекция нам поможет. В этих условиях наше T2, имеет шанс продержатся постоянным до весны ~+ 7 С.  А если все-таки остынет, то за летний период отогреется.  Если окажется мало одного подземного теплообменника, у вас всегда есть шанс обустроить еще один, пока вы не достигнете необходимой мощности подачи тепла. Важно, чтобы у вас было достаточно места для подобных работ на вашей территории и неукротимого желания копать.

Вещество

c, кДж/(кг∙К)

q, кДж/кг

 

l Вт/(м∙К)

Сталь

0,46

-

47

Кирпич

0,92

-

0,7

Лед

2,09

334

2,23

Вода

4,19

334

0,58

Поливинилхлорид

-

-

0,17

 

c  удельная теплоемкость; q   удельная теплота плавления; l теплопроводность

В таблице приведены физические величины, которые характеризуют процесс теплообмена.

В иных условиях достигнуть необходимого теплообмена будет стоить больших денег и уйму копательных работ, при этом не исключено, что через несколько лет эксплуатации все равно произойдет замерзание почвы вокруг подземного теплообменника и его мощность упадет. По расчетам, которые я видел в Интернете, могу привести следующие данные: при использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами коллектора-0,81 м. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 2030 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20 м). При правильном расчете контур не влияет на зеленые насаждения. Или, например, при использовании в качестве источника тепла близлежащего водоема контур укладывается на дно. Ориентировочное значение тепловой мощности в этом случае на 1 м трубопровода  30 Вт. Таким образом для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Другой вариант - бурить глубокие скважины 100 и более метров. Мощность тогда рассчитывается из расчета 1м. - 50Вт. Такой способ может быть еще дороже. Более или менее дешевое бурение будет  только в условиях легкой породы. Но если участок ограниченной площади, другого выхода нет.

Финансовые расчеты на все эти работы можно оценить самостоятельно. Цены на готовые образцы тепловых насосов прямо скажем офигенные. Но начали появляться и более или менее по цене приемлемые и как всегда от китайского производителя. Приведу  один из прайс-листов "нашей" компании, торгующей китайской продукцией.

 

Грунтовые тепловые насосы (хладагент R410A)

 максимальная температура нагрева теплоносителя +55С

Модель

 

Номинальная

тепловая

мощность,

кВт. (B0/W35)

Номинальная

мощность

охлаждения,

кВт(W30/W7)

Компрессор, тип, количество

Режимы работы

 Цена USD

*GHP-9 8,6 - 1x       Daikin,1x230В    только нагрев                                               3571

*GHP-9B 8,6 9,3 1x Daikin,1x230В    нагрев/охлаждение                                      3970

*GHP-10 10,0 - 1х Hitachi,3x380В только нагрев                                                   3509

*GHP-10B 10,0 10,6 1хHitachi,3x380В нагрев/охлаждение                                    3898

*GHP-12 11,8 - 1x Daikin,1x230В только нагрев                                                    3765

*GHP-12B 11,8 12,7 1x Daikin,1x230В нагрев/охлаждение                                    4182

*GHP-13 13,0 - 1х Hitachi,3x380В только нагрев                                                   4126

*GHP-13B 13,0 13,9 1х Hitachi,3x380В нагрев/охлаждение                                   4479

*GHP-15 15,5 - 1х Hitachi,3x380В только нагрев                                                   4564

*GHP-15B 15,5 16,3 1х Hitachi,3x380В нагрев/охлаждение                                   4957

GHP-20 20,1 - 1х Hitachi,3x380В только нагрев                                                    6800

GHP-20B 20,1 21,3 1х Hitachi,3x380В нагрев/охлаждение                                    7407

GHP-26 26,0 - 2 х Hitachi,3x380В только нагрев                                                   7140

GHP-26B 26,0 27,8 2 х Hitachi,3x380В нагрев/охлаждение                                   7756

GHP-30 31,0 - 2 х Hitachi,3x380В только нагрев                                                   7878

GHP-30B 31,0 32,6 2 х Hitachi,3x380В нагрев/охлаждение                                   8582

*Примечание:-в моделях GHP9-GHP15B, в отопительный контур встроены циркуляционный

насос и трехходовой клапан для режима приготовления горячей бытовой воды.

Цены все равно солидные и явно мне не по карману . Поэтому остается народное творчество, которое у нас не отнять.

Вся техническая сложность в изготовлении ТН состоит только в изготовлении теплообменников.  Все остальное, как в обычных отопительных системах - батареи, теплые полы, циркуляционные насосы. Пообщавшись с мастерами от холодильников понял, что тепловой насос можно сделать и самому из медной гибкой трубки. Из нее изготовить испаритель и конденсатор. Поместить это все в кожух, в котором будет принудительно циркулировать вода.  Получится что-то напоминающее два очень длинных самогонных аппарата. Единственное, придется все равно вызывать мастера, чтобы сварить систему и заполнить ее фреоном.

У меня водоносный слой начинается на глубине  4м и там просто подземная река в слое гравия 10-13м.  Поэтому есть смысл вместо замкнутого подземного контура использовать схему с двумя колодцами. Из одного брать воду в другой ее закачивать. Колодцы (скважины) копаются на расстоянии 10-20 м от дома. Между колодцами тоже должно быть расстояние порядка 10-20м. Со временем дренаж между скважинами или колодцами улучшиться, вот вам и "бюджетная" версия теплового коллектора.  Последний вариант выглядит более привлекательным и похоже гарантирует положительный результат при умеренных затратах.

Проведем оценку необходимого для отопления потока воды в этом случае. Допустим нам необходимо обеспечить мощность притока тепла в 10 кВт. Температура воды в колодце даже зимой 10 С, таким образом ее можно в тепловом насосе охладить на 5 С и при этом не произойдет замерзание. Зная теплоемкость воды 4,19 кДж/(кг∙К) и вспомнив формулу по физике за 8 класс Q= С*m*DT получаем, что для обеспечения мощности в 10кВт необходим поток воды 0,48 литров за секунду. Таким образом  требования к дебету колодцу становятся определенными. Это можно установить только экспериментально.

Перед тем как что-то  делать надо подумать а есть ли альтернатива. Сравним цены на различные энергоносители. Существует мнение, что газ это очень дешевое топливо. Проверим.   Итак теплотворная способность газа 15,9 или 20,1 МДж/кубм при давлении 101,3 кПа. Данные из справочника по физике Кухлинг 1980г. Две величины сразу как то настораживают. То ли тогда уже разводили по разному, то ли Северный и Южный поток. В принципе это не так существенно. Сравним по цене с электричеством стоимость одного МДж. Газ один куб у нас на Украине (пока) стоит 72 коп. и это (разводят однако) 15,9 МДж. Электричество (пока) один кВт час ~ 24 коп соответственно 1 кВт*3600с=3,6 МДж. Откуда за одну и туже единице энергии цена относится как 15,9/ 10,8=1.47 в пользу газа. Самый плохонький тепловой насос даст коефициент эффективности выше 2,5 и будет более дешевым для отопления.

Теперь оценим теплотворную способность дров. 1 кг сырых дров 8 МДж. Один складо метр дров 0,7 кубм. твердых пород где то 110 гр. Плотность твердых сырых пород 0,8 кг/дм^3. Итого   8*700*0,8=4480 МДж стоит 110 гр. Или отношение к электричеству 2,72. Тепловой насос и в этом случае более эффективный. Дрова еще надо привезти, попилить, поколоть и 30%  энергии улетит в трубу. Так что есть альтернатива, или нет альтернативы это вопрос.

 

Практическая реализация

Холодный контур воды реализовал по простой схеме. Из колодца вода идет на теплообменник испарителя. Затем по трубам сбрасывается в осушительный канал и сливную скважину. Куча земляных работ. 70 м. до канала  прорыл в ручную. Уложил пластиковую тубу и засыпал. Водозабор из колодца у меня общий для бытовых нужд и для ТН. Чтобы не конфликтовали два насоса на входе каждого пришлось поставить запорный кран.

  

Из вот этих деталюшек собрал собственно установку теплового насоса. Для этого изготовил теплообменники (труба в трубу). Медную трубу вставил в металлопластиковую трубу под конденсатор 12м. и в пластиковую трубу под испаритель 10м.. Поверх теплообменников натянул термоизоляционную паролоновую трубу. На концах установил фитинги от труб с тройниками и загерметизировал выходы медной трубы высокотемпературным герметиком. Преимущества такого теплообменника по сравнению с пластинчатыми, которые применяются в производственных образцах состоит в его неприхотливости к качеству воды. А вода у меня не очень хорошая, с большим количеством железа. К тому же они не боятся заморозки, и применение их на испарителе вполне оправдано. Для супер "бюджетного" проекта, когда нет возможности организовать замкнутый контур в земляном коллекторе, такие теплообменники это единственный выход из положения.

 

Для расчета теплообменников воспользовался формулой Q=K*S*t*dT. Q количество тепла передаваемое через поверхностьS за время t при разнице температур dT. Открыл справочник по физике Кухлинга, коефициент теплопередачи текущая вода- металическая стенка К= 350+2100* V^1/2    V = скорость потока воды. Необходимо передать мощность 5 кВт. Примем перегрев или переохлаждение dT= 5 гр. Скорость потока для передаваемой мощности получаем из формулы Q=Cv*m*dT. dT сдесь нагрев воды в теплообменнике. Примем его тоже в 5 гр. У меня трубы на испарителе диаметры внутренний пластиковой 0.02 и внешний медной трубы 0.012 м. Перещитав получилось длина теплообменника примерно 10м. Для конденсатора диаметры внутренний металопласта 0.02 и внешний медной трубы 0.01 м. взял  12 м. Все получилось и подтвердилось эксперементально. Как выяснил уже потом на практике принято расчитывать теплообменники для теплопередачи в схеме фреон-медь-вода по приблеженной формуле S(м^2)=W(вТ)/(0,8*dT) при потоке воды 1 м/с, dT температура нагрева воды. Теплообмен фреон - медь хуже, чем медь-вода. Указанная формула приближенно учитывает два процесса теплообмена.  Результаты расчетов отличаются, но не на порядки, а практика показала, что и моих теплообменникав достаточно. Как бы там нибыло, чем больше теплообменники, тем лучше. А покупать пластинчатые очень дорого. Для повышения теплопередачи в теплообменниках знатоки рекомендуют медную трубу немного неоднородно повальцевать (поколошматить), чтоб она имела вид сосиски. Это делается для создания турбулентности в токе воды и фреона.

Сварил раму и к ней на сайлент блоках от автомобиля установил компрессор. Использовал роторный компрессор от кондиционера на 1,2 кВт по току 3,8 кВт по холоду.

            

 

 

                 

 

Затем, что самое главное, пригласил мастера холодильщика на все готовенькое. Он сварил на медь все это в правильном порядке в один контур и заполнил систему фреоном. Вот что у нас получилось в разных ракурсах. Сварка медных трубок осуществлялась кислородно-пропановой горелкой и серебрянно-медным припоем. В принцыпе это освоить можна и самому, поскольку после прогрева трубок до 900 С припой сам довольно хорошо ростекается и заполняет собой все щели, но заморачиваться со всем этим ради десятка соединений поверте не стоит. Для себя понял,  что самостоятельно без необходимых навыков и знаний  всего не сделать всеравно по началу. От количества фреона в системе зависит температура кипения фреона  и соответственно регулируя его содержание можно подобрать необходимый оптимальный режим, что и сделал с успехом мастер.  В оределенных пределах температуру кипения также можна регулировать винтом на ТРВ, при этом также меняется температура на конденсаторе и производительность компрессора. Регулируя ТРВ необходимо  следить, чтобы не слишком перегревался компрессор. Предельно допустимая температура для компессора 80-90. Вобщем есть всякие тонкости, и натворить можно...

                   

Дальше я установку подсоединил к контуру отопления и охлаждения в противотоке, и все работает как не странно.

                   

На мой взгляд самое сложное это сделать надежную автоматику.  В колодец кинул поплавковый выключатель на всякий случай, хотя дебета воды вполне хватает. В системе также предусмотрена защита от заморозки испарителя, отсутствия циркуляции воды в теплообменниках и утечки фреона. Любая автоматика управляющая компрессором должна иметь "задержку" на случай отключения. Компрессор нельзя сразу включать после остановки, пока не выровняется давление фреона в системе. Это время обычно составляет 10-15 минут.  Пока автоматику реализовал очень просто пускателем и кнопкой. Если что-то отключит компрессор обратно его можно включить только вручную нажатием на кнопку. Это некий недостаток, однако я попросту побоялся довериться самодельной автоматике.

 

ИЗМЕРЕНИЯ   Купил два цифровых термометра, проверил на себе, оба показали 36,6. Также купил стандартный счетчик воды и установил эти приборы в контур входящей холодной воды. Один термометр установлен стационарно на выходе из теплообменника прямо в струе воды. Для этого залил заглушку в тройнике эпоксидкой, куда вставил щуп. Щуп другого изолентой приматывался к измеряемым местам и термоизолировался поролоновыми трубками. Ну что еще, таймером пользовался на мобилке для измерения скорости потока воды.

Измерив температуру фреона на конденсаторе и испарителе и подставив в вышеприведенную формулу, получил x=6,4. Более точные калориметрические  измерения Q=Cv*m*dT, где dT температура охлаждения воды в теплообменнике испарителя, показали коэффициент в районе 2,6-2,8. Стал выяснять что можно еще сделать, чтобы повысить эффективность.  Интернет не без добрых людей. Особенно полезным оказалось общение на форуме Дом и Дача http://www.forumhouse.ru/forum215/ . Оказалось что для ТН в схеме необходимо одно принципиальное усовершенствование.

Для повышения эффективности работы ТН необходимо устанавливать дополнительный промежуточный регенеративный теплообменник. Этого не знал я, не знал и мастер. Дело в том что из конденсатора фреон выходит с довольно высокой температурой и использовать эту енергию не представляется возможным для отопления. Температура воды в теплообменнике в цепи нагревания достигает этой температуры и  не может отнять больше энергии у фреона. Теплый фреон идет на распылитель и попадает перегретым в испаритель. Это  понижает производительность по холоду. Чтобы как то использовать эту энергию ставят регенеративный теплообменник на котором жидкий "горячий" фреон после конденсатора подогревает пары фреона после испарителя. Снижение температуры жидкого фреона перед ТРВ благоприятно влияет на режим работы, заполнение испарителя и как следствие на холодильную мощность и общую эффективность ТН.

На фото видно этот регенеративный теплообменник как дугу медной трубки. Изготовил я его по той же схеме труба в трубу. Взял гибкую медную трубу длиной 1.5 м диаметром 22 мм и в нее вставил трубку 10 мм. Для того, чтобы улучшить теплообмен с газом (увеличить площадь поверхности)на внутреннюю трубку предварительно намотал 3 м многожильного медного провода сечением 5 мм и край провода припаял к трубке, чтобы провод не разматывался. Согнул теплообменник в кольцо диаметром 0.5м и установил в середину бухты основных теплообменников. Теплообменник по краям мастер заварил на медь и соединил с системой по схеме, так чтобы по внутренней трубке проходил жидкий фреон, а газообразный между трубками. В результате теплообмена на ТРВ подается холодный фреон, что улучшает условия для его испарения в испарителе.  Такое усовершенствование повисело производительность ТН на 10 а то и 15%.

           

Недостатком такого метода повышения эффективность ТН является то, что на всасывании в компрессор может попасть слишком теплый фреон. Компрессора сконструированы так, чтобы охлаждаться холодным, газообразным фреоном. Поэтому такой способ не безопасен и возможен только при температурах фреона на всасывании до 20 гр. Как альтернативный может использоваться другой метод, по-видимому не мене эффективный при прочьих равных условиях, но технически проще и безопаснее. После теплообменника конденсатора устанавливают теплообменник для подогрева входной холодной воды или гликоля. При этом также можно повысить температуру кипения фреона в испарителе и повысить эффективность согласно с выше обсуждавшейся формулой.

Для более точной оценки производительности ТН необходимо будет в дальнейшем производить измерения в контуре теплой воды. А пока я достиг указанного в спецификации для моего роторного компрессора коэффициента x=3,1-3,3. Температура на теплых полах поддерживается 23-25С. В доме 17-18С при температуре на улице не ниже -5. Отапливаемая площадь 60 квм.  На подаче в контуре отопления температура 30-33С обратка 26-28С.

Еще одна тонкость, которую надо учитывать при проектировании ТН. В компрессоре всегда есть масло. Оно испаряется и циркулирует по системе. Ничего бы страшного не было, но на холодных участках оно загустевает и может ухудшить теплоотдачу. Специалисты рекомендуют делать  правильно уклоны газовых трубопроводов и  устанавливать перед каждым восходящим участком маслоподъемную петлю. Что хорошо - это то, что для маломощных установок все это не так важно.

В принципе все просто и не дорого. Собирался долго но сделал всего за два месяца с перебоями, когда появлялась возможность. Потом еще бегал за мастером полтора месяца, чтобы установить регенеративный теплообменник. Когда начинал многого из технических деталей не знал. Теперь когда все работает, все равно многого не знаю, зато начинаю понимать мудреные обсуждения на профессиональных форумах . Приведу только основные денежные затраты на установку собственно теплового насоса.

компрессор на 1,2 Квт по току (новый) - 200 УЕ

ТРВ терморегулируемый вентиль - 65 УЕ

медные трубы 6 Кг - 115 УЕ

Рессивер для фреона б/у - 20 УЕ

датчик давления фреона б/у 8 УЕ

Датчик температуры - 10 УЕ

Защита от холостого хода насоса - 15 УЕ

Таймер - 10 УЕ

всякие там трубы ~ 50 УЕ

фитинги, и прочая ерунда 50-80 УЕ

электропускатель с задержкой - 16 УЕ

мастеру за сварку медных труб и фреон 80 УЕ

Итого ~580-640 УЕ плюс собственная работа. Идите и попробуйте купить за эти деньги котел на дровах или на газу.

Остальные затраты у меня незначительные, поскольку копал сам, труба плюс фитинги 40 УЕ, насос на подачу холодной воды (250 Вт) -50 УЕ, колодец вырыл 4 года назад - насчитается. Теплые полы, батареи - все было установлено под  котел на дрова, переделывать практически ничего не пришлось.

Так как воды в колодце поначалу не хватало зимой для обеспечения 5 кВт тепла, попробовал реализовать самый простой вариант подземного коллектора. Суть этого метода состоит в бурении скважины недалеко от колодца для того, чтобы сливать  в нее воду, таким образом повышая дебет колодца. Расстояние от колодца до скважины должно быть 10- 20 м. На таком расстоянии охлажденная вода прогревается на пути к колодцу. При этом повышается локальный уровень грунтовых вод. Скважина сразу давала очень много воды, так что  "малышом" просто не удавалось ее откачать. Во всяком случае больше чем 1200 л/ч. В принципе есть такое правило для скважин - дебет забора и дебет сброса воды одинаков. Также прочистил и немного углубил колодец. Испытания показали увеличение дебета для обеспечения бесперебойной работы ТН до 600 л/ч и более.

Что можно еще сказать... После сезона эксплуатации все еще тяжело оценить точно выгоду в денежном выражении от эксплуатации ТН. В пиковые нагрузки дотапливал дровами,  однако выгода была очевидна и примерно составляла 20-30%. Правда, кое-что еще можно оптимизировать в системе отопления - поставить более эффективный насос подачи холодной воды, итд. Стоило ли городить огород покажет время.

Для тех же кто рискнет самостоятельно изготовить ТН могу добавить... Торговцы готовым оборудованием  авторитетно рассказывают про фирмы, бренды, опыт, головную боль и прочие ужасы самоделки, чтобы только взять свои денежки. Чуть ли ни крутят пальцем у виска, когда вы заикаетесь, что будете что-то там делать, не  по их понятиям. Сами то они в своей жизни вряд ли что сделали своими руками, хотя и среди них попадаются люди. Собрать ТН не так сложно, а готовые образцы такие неадекватно дорогие, что стоит хорошо задуматься умеете ли вы держать в руках инструмент.

 

ТИПИЧНЫЕ ОШИБКИ

 

1. Многие думают, что ТН это тот же котел, только намного эффективнее. Да эффективнее но не тоже. Для эксплуатации ТН придется использовать нагревательные элементы большой площади - теплые полы, теплые стены, в два а то и в три раза большее количество батарей чем для обычного котла. Вообще это решение практично в случае нового дома, специально утепленного и спроектированного. В ином случае необходимо будет производить значительные перестройки, и не все тут однозначно.

2. Многие не понимают разницу между энергией и температурой. По их мнению вода с температурой 70 грС содержит больше энергии чем вода с температурой 40 грС. Это утверждение безотносительно. Все зависит от того сколько мы имеем воды с температурой 70С а сколько с 40С.

3. Многие думают, что если в их колодцах три кольца воды, то их дебет большой. Это не всегда так. Это можно установить только экспериментально. Секундомер, насос, мерительное ведро, ну кто во что горазд. При этом дебет зимой обычно падает.

4. Многие думают, что если у них дома горит электрическая лампочка то ТН будет тоже работать. Это не всегда так, поскольку в сельской местности  ток обычно очень плохой. Для роботы компрессора желательно иметь стабилизированное напряжение, а в идеале три фазы. Стартовые токи однофазных  компрессоров очень большие и стабилизировать сеть могут только электронные стабилизаторы, которые весьма недешевые. Затраты, которые вы понесете на стабилизацию тока, необходимо учитывать при проектировании.

Написать письмо

 

Hosted by uCoz