Тепловой насос (своими руками)

Начал сборку системы отопления. Попробуем изготовить тепловой насос своими руками.

На сегодня (07.03.2013г.) эксперимент успешно завершен - на базе своего предприятия ООО "Пригородное строительное управление" мы можем обеспечить потребителей тепловыми насосами мощностью 10-15 кВт. 

Сейчас Август 2013г. испытываю тепловой насос воздух-вода на предмет его эффективности. Предполагается использовать его на ГВС и отопление дома.

История.

"Дорогое удовольствие" - но не дороже денег. Делаю ради эксперимента, ну и "нет у меня газа, пока".
Окупаемость и сколько можно отвалить за ТН (тепловой насос) можно почитать здесь.

Сегодня начал монтаж подземного горизонтального контура.

начало работ.

вид одной из траншей глубина 3.5 метра

зачищаем основание вручную

Завершение копания. вид со второго этажа дома.

Уложили 350м - 400м полиэтиленовой трубы ПНД 32 мм. на глубину от 3.5м до 1.5м в пять ярусов по 70-80 метров.

 

засыпаем

выходы контуров из земли

Контур обошелся в 53 тыс.рублей - земляные работы, 12.5 тыс.руб. ПНД 32мм 500 м.

Самое дорогое Тепловой насос, за него у меня запросили 240 тыс. руб. Есть у нас в Оренбурге "ООО Холодильная техника" у них есть тепловой насос за 150 тыс.руб., но он великоват в мощности(30 кВт по теплу кажись) и размерах (90см * 90см *90см) . Китайского производства ТН не внушает мне доверия да и мощность заявленная в 30 кВт просто пугает при весьма скромных размерах теплообменников.

Попробуем снизить цену за ТН путем его самодельной сборки.


Насчет окупаемости - это надо измерять.

Грубо говоря если ТН так и не построиться, то земляной контур можно использовать для летнего кондиционирования. По идее если воду заставить циркулировать между отоплением стен и земляным контуром то температура в доме летом станет понижаться и "уходить в грунт", своего рода пассивное охлаждение без кондиционеров. На дом 240 м2 понадобиться 3-4 кондиционера при стоимости 20 тыс. руб за штуку (а может и более) получиться от 60 тыс.руб. до 80 тыс. руб. А контур обошелся в 75 тыс. рублей. Значит затраты можно окупить одномоментно, и экономить на электричестве летом. Причем такое охлаждение охлаждает весь дом, а не то место где стоит и дует кондиционер. Отсутствует шум и ветер от кондиционера. Нужно обкатать эту тему.

На сегодня торчу на форуме с целью изучения материала и получения достоверной информации.

Выводы на сегодня:

1. Стоимость европейских ТН (тепловых насосов) сильно завышена для России и нерентабельна. Забывают европейские производители, что установка ТН в России не субсидируется государством.

2. Более или менее устраивающий по цене ТН можно приобрести в Казахстане.  Это не реклама, я сам этих насосов не видел, но судя по прайсу и по общению с представителем завода вполне достойное предложение на рынке.

3. Сборка ТН своими руками позволяет удешевить конструкцию ориентировочно в 2 раза по цене комплектующих.

Грабли, ну как без них. Начнем конструировать ТН (тепловой насос) на 10кВт.

1. Дешево и круче чем на заводе сделать трудно. Но есть удачные примеры.
2. Выбор компрессора - еще та головная боль при разбросе цены от 18 тыс.рублей до 80 тыс.рублей. Нужно обязательно считать окупаемость и долговечность. А долговечность никто точно указать не может. Вот и головняк отсюда. Для первого своего ТН выбрал компрессор от сплит-систем ротационный 55T300JTAEX цена 10 тыс. рублей самое оно для экспериментов. Сдохнет не так жалко как спиральник EVI за 80 тыс. рублей. Даже если проработает год, то окупит себя, если три года вообще прелесть.

3. Второй компонент пожалуй самый важный - это теплообменники. Вот здесь запара так запара. То что хорошее и дешевое, так это в германии и Латвии, а что в России так дорого. Есть два пути купить теплообменник и сделать самому. Купить оказалось непросто из реальных поставщиков оказалось СПС-ХОЛОД и МОРЕНА теплообменники Danfoss. Изготовить самому мешает высокая цена на медь, что сводит стоимость компонентов примерно к стоимости заводских теплообменников не считая трудозатрат.

Существует вариант ТН без теплообменников. В котором фреон конденсируется непосредственно в теплый пол и испаряется непосредственно из земляного контура без промежуточных теплоносителей.

Если решаем строить ТН с теплообменниками то смотрим далее.
По опросу участников форума ТН ситуация следующая, чем больше теплообменник тем лучше для ТН, но непомерно растет цена.

Для ТН мощностью 10 кВт оптимально - испаритель (желательно с распределителем - дистрибьютором)  общей площадью 2.3м2 поверхности теплообмена для фреона R22. Для конденсатора нужно 1.8м2 поверхности теплообмена.

Можно поспорить, что программы подбора теплообменников дают более низкие значения площадей, но мы же в России живем и у нас всегда нужен запас, ибо трудно удержать параметры на расчетном уровне. Особенно если что-то пойдет не так. А эти параметры как говориться проверены опытом.

А теперь как говориться деньги - обожаю считать.

Посчитаем стоимость и эффект от компрессора при расчете на 12 кВт (хладопроизводительности) (ориентировочно) маломощные компрессоры считаются парами по цене.

Из расчетов видно, что за первые пять лет лидером по цене является 55T300JTAEX если правда выдержит :). Вторым по эффективности является ZR61KCE. Через 20 лет лидером станет ZF13KVE не знаю протянет ли ТН столько - решать Вам. Дорого не всегда хорошо.

Посчитаем теплообменники.
Итак заводские паянные пластинчатые теплообменники.

Испаритель ориентировочно 2.3м2. 

Danfoss
B3-052-50-3,0-H (0.05*48=2.4 m2) (021B4545) 540*41=22140 рублей
GEA
GBS500H 40 (GEA) 2.24 m2 (532*134*40) 423 евро *41=17343 рублей
GBS525 40 (GEA) 0.07*38=2.66 m2 (577*175*40) 453 евро *41=18573 рублей
GBS525 34 (GEA) 0.07*32=2.24 m2 (577*175*34mm)  404 евро *41=16564 рублей

Конденсатор ориентировочно 1.8м2

Danfoss
B3-052-30-3,0-H (0.05*28=1.4m2) (мало)   цена 358 евро *41=14678 рублей
B3-052-40-3,0-H (0.05*38=1.9m2)               цена 448 евро *41=18368 рублей
GEA
GBS500H 34  (GEA) 1.89 m2 (532*134*34)     цена 380 евро *41=15580 рублей
GBS525 30  (GEA) 0.07*28=1.96 m2 (577*175*30mm) цена 372 евро *41=15252 рублей

GEA лучше по цене, но доставка из Латвии съедает от 140 до 240 евро Danfoss уже в России доставка меньше, но цена примерно столько же сколько GEA с доставкой. Разницу нужно уточнить если GEA с НДС работает то хорошо если нет? то для юридического лица лучше Danfoss через СПС-ХОЛОД или МОРЕНА это дает возможность вернуть 18% цена за счет НДС.

Итого испаритель+конденсатор = около 40 тыс. рублей. На сегодня идут переговоры с разными поставщиками, но цена не падает ниже указанных.

Самое трудное оказалось раздобыть технические характеристики теплообменников. Ориентировочно можно оценить площадь теплообмена это взять габаритную ширину и длину пластины перемножить и домножить на 0.75-0,85 (условный коэффициент) далее нужно умножить примерную площадь одной платины на N-2, где N-число пластин в теплообменнике.
Например GBS500H 34  -  0,532м  * 0,134м *0,8 = 0,057 м2 * (34-2) = 1,82 м2

Коэффициент теплопередачи находиться в интервале от 800 Дж на градус на кв.м до 1500 Дж на градус на кв.м. Что означает что один кв.м. теплообмена способен передать от 800 до 1500 Дж при средней разности температур 1 градус. Этот параметр зависит от скорости потока по обе стороны теплообмена. Учитывая что фреон совершает фазовый переход между жидкостью и газом его способность к теплоотдаче выше чем у воды которая к тому же обладает не очень высокой теплопроводностью. Поэтому один из путей повышения эффективности теплообмена это увеличения скорости циркуляции воды, что наталкивается на предел мощности циркуляционных насосов. Короче как обычно компромисс. Между площадью теплообмена и стоимостью циркуляционного насоса.

Теплообменник своими руками - самое больное и дорогое.

На 11.02.2013г. после продолжительных изысканий приобретены два теплообменника Danfoss. Испаритель B3-052-40HQ за 17000 рублей, конденсатор B3-052-30H за 13000 рублей.

Приобретен компрессор UR5T300JTAEX (Samsung) от сплита ориентировочной мощностью по холоду 8 кВт и стоимостью с доставкой 9990+750=10740 рублей.

  

ТРВ с дюзой 3, прессостат на высокое и низкое давление, контроллер холодильных витрин, пускатель магнитный, фильтр, отводы, тройники, переходники, гайки, амортизаторы. Все в сумме около 9000 рублей.

Сварен каркас для размещения ТН.

Ориентировочная компоновка

21.02.2013г. в этот знаменательный для меня день удалось спаять ТН. Спайку (сборку) осуществил опытный холодильщик со стажем и знаниями, что на сегодня редкость. Хотел сам паять, но отсутствие опыта и трубок разного диаметра и отсутствие приспособлений склонило чашу весов в сторону помощи специалиста. На пайку ушло 2 дня (по пол дня) и два дна (по пол дня) на изготовление каркаса. Ориентировочная мощность 8 кВт. Включение без воды на несколько минут не взорвали компрессор (смех) , уже замечательно. Температура на всасе упала до -20 (обледенел испаритель) на конденсаторе +60, компрессор прилично нагрелся руками не дотронешься. На днях попробую смонтировать в систему отопления.

Итак начнем. Есть некоторые данные.
1. Заправленный ТН потерял весь фреон после транспортировки.
2. Вчера (27.02.2013) с холодильщиками (а их уже двое - наша армия растет), заправили фреоном.
3. Запуск - испаритель замерз (обледенел) на 2/3 высоты, нагрева нет.
4. Проверили проток воды - протока в земляном контуре нет. Циркуляционный насос не может выдавить воздух.
5. Смотровое стекло заполнено фреоном не полностью (от 1/3 до 2/3) пузырьков нет.

Сегодня 28.02.2013г.
1. Обмазал весь ТН мыльной пеной - травит со шредеров (нипеля) и из под реле давления. Затянул посильнее вроде не травит.
2. купил 2 кг фреона шланг и манометр.
3. Выдавил с помощью еще одного насоса воздух из контура - облился и обматерил все жидкости в системах отопления.
4. до запуска манометр в испарителе показывает +6 градусов (для R22) - температуру легче смотреть чем давление (дофига лишних шкал на манометре).
5. запустил ТН давление упало ниже атмосферного - решил что вышел весь фреон за ночь. Залил наугад какое-то количество фреона. Температура сначала упала до -20, затем поднялась (в течении 30 сек) до -10. Долил еще сколько-то фреона.
6. повторный запуск - не запускается компрессор не может провернуть вал. Думаю заклинил что ли. Подождал минут 10.
7. температура испарителя +5. Запускаю температура поползла к -7 и зафиксировалась в течении 4 минут дошла до -9. температура в контуре отопления за 4 минуты поднялась с 29 до 33. Работает ТН собака все таки .
8. окошко при остановленном компрессоре едва заполнено фреоном. При рабочем заполнено примерно на 1/2.
9. давление конденсации судя по реле давления около 13-14 атмосфер.
10. Компрессор нагрелся градусов 50 наверно рукой уже не удержишь.
11. После остановки температура в испарителе медленно поднимается с -10 до -1 затем еще медленнее до +2
12 точка по середине окна темного цвета - видимо показывает влагу, не знаю с какой скоростью оно реагирует.

Земляной контур залит в одну ветку из пяти (остальные пустые) длина около 70 м (ПНД 32). Влезло в него 60 литров незамерзайки и примерно 15 литров воды.

После остановки компрессора его невозможно запустить. Т. е. приходиться ждать какое-то время точно не измерял, но мне эта байда не нравиться. Такое впечатление что давление в конденсаторе и испарителе не выравнивается и компрессору трудно стартануть.



Мои размышления.
1. Температура в том месте где стоит ТН +4. Из контура в не нагруженном состоянии +4-6. Значит ТРВ как ему и следует закрыт. Поэтому при старте давление падает до -20 потом спустя время поднимается до -10, когда открывается ТРВ.
2. ТРВ с внутренним уравниванием, а по проге Danfoss потери давления в дистрибьюторе около 30 кПа. Значит ТРВ будет ждать перегрева, я думаю градусов 7-10. Это означает, во-первых создается ненужное разрежение из-за дистрибьютора и ТРВ еще гадит на 7-10 градусов. Отсюда и кипение -7.
3. Запуск компрессора. При работе ТН температура в контуре падает (на сколько-то градусов), а температура баллона устанавливается на 7-10 градусов больше чем кипение. Когда компрессор останавливается циркуляция контура подогревает фреон в испарителе на несколько градусов, а баллон ТРВ никто не греет перегрев уменьшается ТРВ закрывается, давление не выравнивается, из-за это компрессор не стартует.

Решения.
1. Баллон ТРВ распаковать из утеплителя (холодильщик запаковал его в утеплитель - правда он смеялся, потому что мы никогда его не упаковываем, а для науки упакуем. ) и перенести его за самодельный РТО ну или как вариант посадить его поближе к жидкостной лини, что бы потеплее ему было .
2. Чтобы запустить компрессор нужно уровнять давления, я конечно не холодильщик, но мне видится только одно простое решение. Когда компрессор отключен нужно включить подогрев баллона ТРВ um: ), ТРВ откроется и как капилярка сделает свою работу. Хотя при изготовлении ТН этот аспект нужно учесть. Я подозреваю, что и заводской контроллер может не догадаться о таком стечении обстоятельств и спалить компрессор.
3. Нужен блок защиты компрессора на случай незапуска - через секунд пять он должен отключить компрессор иначе он сдохнет. Надо сходить в электрический магазин на предмет поиска соответствующей защиты.

Остался у меня вопрос по нагреву компрессора - он как я понял из рекламных картинок расположен верх ногами. То есть внизу у него компрессор, а на верху электродвигатель. Поэтому трудно сказать температура корпуса = температуре электродвигателя или нет.

Насчет конденсатора тоже думал - я специально поставил 2 по 30 мкФ на случай перегрузки конденсаторов по току. Измерить емкость нечем. Вернее можно косвенно, но его надо на работу тащить.

Я сильно тороплюсь потому как зима кончилась и летом ТН испытать негде - мне никто не поверит что он работает зимой.
Сегодня хочу залить еще один контур, но у нас тут метель и дорогу наверно занесло снегом.



Пятницу потратил на изучение поведения ТРВ.

Передвинул баллон от испарителя поближе к жидкостной линии - жидкостную линию 4 хомутами притянул к всасу. Теперь если компрессор отключить то через некоторое время происходит выравнивание и запуск компрессора без проблем.

При испытаниях никак не удается заполнить фреоном систему - может уже и хорош. Стекло заполнено на половину.

Наверно ТРВ слишком открыт и фреон без конденсации летит в испаритель. Сдвинул баллон ближе к компрессору подальше от жидкостной линии. Работа ТН стабилизировалась.

Сегодня.
Испытания с помощью контроллера. Настроил его на режим +38 +33 задержка в отключении компрессора не менее 4 мин (для надежного старта).

Греет собака, но не айс.
ТН входит в режим. Кипение -7 (-8). Температура в контуре около -3 (по градуснику). Замечено манометр показывает температуру выше чем термометр (возможно кто-то из них подвирает).
Из 5 контуров залито и используется 3 контура ориентировочной длиной 3*80 метров. Температура контура за ночь при выключенном ТН устанавливается +4. При работе ТН -3, за время простоя ТН устанавливается около -1.

ЭЭ ТН кушает примерно 1 кВт час за 17 мин, примерно 3кВт приходиться на ТН и 550 Вт на освещение + подогрев водопровода + циркуляционные насосы.


Температурный график работы ТН измерено время и температура в системе отопления
11:54 +38
11:47 +37
11:43 +36
11:41 +35
11:38 +34
11:37 +33

График работы электрокотла мощностью 9 кВт
11:33 +38
11:31 +36
11:30 +34
11:28 +32
11:26 +30
11:25 +28

График остывания СО
11:22 +30
11:20 +32
11:19 +34
11:18 +36
11:16 +38

ТН при нагреве тратит на нагрев от +34 до +38 время 16 минут, а электрокотел с +34 до +38 тратит около 3-4 минут.

за 4 мин простоя компрессора температура падает до +31.9. Контроллер настроен на температуру с +33 до +38. В момент запуска на счетчике было 11007.5 кВт в 12:04



Испытания подтвердили работоспособность ТН.

кушает ТН около 2.5 кВт. Все цирк. насосы и подогреватели кушают около 450 Вт.
кипение -9..-10. Конденсация +44 при +38 температуры воды.
в контуре -5.
на улице -25 градусов, в доме +6. площадь обогрева около 160 кв. м. СО теплые стены.
при температуре СО 39 градусов наступает равновесие в теплопроизводительности ТН и теплопотерь дома.

Заполнил все контуры в земле теперь работают 5 контуров по 80м., кипение -6 градусов, после остановки компрессора температура контура за 3 мин выходит -1..0. Ориентировочная мощность ТН 7-8 кВт по теплу. Потребление компрессора 2.35 кВт. Тепловая эффективность оценивается мной как 1 к 3, ну может чуток больше. В принципе на 1 кВт тепла нужно около 100 м. геоконтура. Когда залил 2 оставшиеся ветки то температура в них была +5 градусов, в то время как остальные 3 контура имели -5 градусов. Расстояние между контурами 50-60 см. За неделю никакого взаимного влияния на расстоянии 50см в земле не обнаружено.

На сегодня (07.03.2013г.) на базе своего предприятия ООО "Пригородное строительное управление" мы можем обеспечить потребителей тепловыми насосами мощностью 10-15 кВт. 

Обращайтесь к нам мы можем вам помочь. (987)847-47-44. Оренбург.


Может кому интересно будет. Я попробовал просчитать какова эффективность компрессора от кондиционера при использовании в ТН. Фреон R22

Я взял две программы Select 7.7 и CoolPack. Первая имеет базу данных спиральных компрессоров, а вторая умеет считать для любых если известны параметры компрессора.

Условия кип +7,2 конденс +54,5 перегрев 10, переохлажд. 5
1. Замечено ZR22K3E имеет КПД 63,7%, а ZR48K3E 67,26%, у маломощных КПД хуже.
2. Возьмем средний ZR34K3E кпд=67,4, тепломощность 10.5 кВт, потребление 2,56 кВт
Перейдем к условиям кип -10, конден +44, перегрев 3 перохлажд 5.
ZR34K3E при этих условиях имеет кпд=55.05, тепломощность 6,42 кВт, потребление 2,09 кВт, тепловой коп=6,42/2,09=3,07

Как видим кпд падает к=67,4/55,05=1,2243, т.е ухудшается в 1.22 раза. Если указать те же данные в CoolPack получается похожий результат, разве что потребление показывает чуть больше.
А теперь подставим компрессор от сплита в моем случае 55T300JTAEX.
по паспорту условия кип +7,2 конденс +54,5 перегрев 10, переохлажд. 5, потребление 3.02 кВт, холодопроизв 8.3 кВт. КОП=2,81. Однако CoolPack показывает КОП=2.77 и кпд=58,9%.

Если предположить что КПД также упадет в 1.22 раза то получим кпд=58,9/1,22=48,107% для.
кип -10, конден +44, перегрев 3 перохлажд 5. (учтено что при переходе кип =+7 на -7 теряется объемная производительность в 1.11 раз, если верить Select 7)
отсюда вычисленная 55T300JTAEX  тепломощность=7,14кВт и потребление=2.6 кВт, холодильный коп=1,845 тепловой коп=7,14/2,6=2,75

То же самое рассчитанное для кип -7 градусов,
ZR34 тепломощность 7.07 кВт, потребление 2,08 кВт, кпд=58,75, тепловой коп=7,07/2,08=3,4
55T300JTAEX тепломощность 7,44кВт, потребление 2,5 кВт, кпд=51,341%, тепловой коп=7,44/2,5=2,976 (учтено что при переходе кип =+7 на -7 теряется объемная производительность в 1.11 раз, если верить Select 7)

Для сравнения, при кипении -7 на самом деле 55T300JTAEX у меня в среднем кушает около 2.35 кВт если верить счетчику электроэнергии. Немного не дотягивает до теоретической 2,6 кВт, значит либо потеря объемно производительности больше, либо расчетный КОП у ротационника чуть повыше. В любом случае при кипении -7 ротационник на 8 кВт не выдаст больше 7 кВт тепла.

Мы видим что спиральник ZR34K3E для кондиционеров эффективнее чем ротационный 55T300JTAEX   в 3,4/2,976=1,14 раза, то есть на 14 процентов. Не так уж и много получилось.

К стати ZB26KCE при тех же условиях (кип-7, конд+44) тепломощность 8,28 кВт и потребление 2,44 кВт, тепловой коп=8,28/2,44=3,39.

А спиральники для ТН фреон R407C
ZH38K4E тепломощность 8,3 кВт, потребление 2,45 кВт, тепловой коп=8,3/2,45=3,39
а со впрыском чего-то там.
ZH09KVE тепломощность 8,01 кВт, потребление 2.23 кВт, тепловой коп=8,01/2,23=3,59

Вывод кондиционерный спиральник лучше дешевого ротационника по крайней мере на 14 %
холодильный спиральник круче дешевого ротационника по крайней мере также на 14%
крутой спиральник с впрыском по крайней мере лучше на 3,59/2,976=20,6% чем дешевый ротационник от сплита.

24.04.2013г. Эксперимент с использование скважной воды в качестве теплоисточника.
Из скважины глубиной 75 м (до воды от поверхности земли 35м), подаем воду в испаритель нашего доморощенного ТН (кондиционерный ротационник на 8кВт холода).
Объем перекачиваемой воды 12л за 15 сек = 0,8 л в сек. или 2,88 куб.м. в час.
Температура воды +10 градусов.
Запуск ТН. Давление упало до -10 градусов потом в течении полуминуты выросло до +3. Далее давление испарителя стабилизировалось +3...+4 градуса. Температура воды выходящей из испарителя упала до +6,5 градусов, при температуре в системе отопления +34.
Ориентировочная хладопроизводительность 3,5 * 2,88 * 4,18 / 3,6 = 11.7 кВт.
Однако неплохо. Следующий эксперимент довести температуру воды до +55 градусов. Цель исследовать ТН для горячего водоснабжения. Желательно измерить потребление электроэнергии.

Более точные измерения ТН на ГВС
На Август 2013г. Вышеуказанный ТН вода-вода проходит летние испытания на подогрев горячей воды в кафе "Затерянный рай", источником тепла для ТН является уличный воздух, побочным продуктом ТН является охлажденный воздух, который сбрасывается на летнее кафе.


Каскадные тепловые насосы позволяют повысить КОП.
На Август 2013г. идет разработка двухступенчатого  ТН воздух-вода для зимнего использования, есть спрос на ТН вохдух-вода способных работать при температуре уличного воздуха до -30, при температуре нагреваемой воды до +50. Такому ТН не нужен геоконтур и монтируется как сплит система на фасаде.

(продолжение 2014г. следует)