Ох уж этот загадочный тепловой насос...

Автор: Internet. Опубликовано в Самоделки

Содержание материала

 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. Если не удастся полностью обеспечить отопление жилища, ну так хотя бы частично решите проблему. Отрицательный результат  исключен законами термодинамики, ну разве что не доведете дело до конца. 

Тепловой насос это просто холодильная машина наоборот. Выбросите двери, коробку, и вот она вам в чистом виде - немного трубок, компрессор, конденсатор, испаритель.  Особенно это касается заброшенного где-то на даче холодильника. Когда будете разбирать, постарайтесь не разгерметизировать систему. По конструкции холодильник напоминает анекдот про слона, муху, нетрадиционное применение хобота и вечный кайф. Ничего сложного - замкнутый, последовательный контур. Помещаем конденсатор и испаритель в отдельные теплообменники согласно нижеприведенному  рисунку.  Забирая енергию у окружающей среды будем ее охлаждать, при этом греть наше жилище. Согласен, тоже, несколько нетрадиционное применение  холодильника.

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 < 0A < 0Q2 > 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 Qколичество 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-0,8–1 м. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода, 20–30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 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 расчитывается из расчета 1м. - 50Вт. Такой способ может быть еще дороже. Более или мение дешевое бурение будет  только в условиях легкой породы. Но если участок ограниченой 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 мение по цене приемлимые и как всегда от китайского производителя. Приведу  один из прайс-листов "нашей" компании, торгующей китайской продукцией. Компрессора там во всяком случае лицензионные.

Грунтовые тепловые насосы (хладагент R410A)

 максимальная температура нагрева теплоносителя +55ºС

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 колектора.  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 клас Q= С*m*DTполучаем, 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 эксперементально.

Перед дем 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 електричеством стоимость одного МДж. Газ – один куб у нас на Ураине (пока) стоит 72 коп. и это (разводят однако) 15,9 МДж. Електричество (пока) – один кВт час ~ 24 коп соответственно 1 кВт*3600с=3,6 МДж. Откуда за одну и туже единице енергии цена относится как 15,9/ 10,8=1.47 в пользу газа. Самый плохонький тепловой насос даст коефициент еффективности 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 електричеству 2,72. Тепловой насос и в этом случае более еффективный. Дрова еще надо привезти, попилить, поколоть и 30%  енергии улетит в трубу. Так что есть альтернатива, или нет альтернативы это вопрос.