ТН (тепловой насос) без теплообменников, безжидкостная система отопления

Часть первая. Система отопления с ТН без жидкости - непосредственный конденсатор

26.12.2012г. Замерз один из контуров в отоплении дома из-за низкой температуры воздуха в доме. Это натолкнуло на мысль непосредственного конденсатора.

При всей распространенности жидкостного (водяного) отопления оно имеет существенный недостаток - это "замерзаемость". Можно конечно в систему добавить "незамерзайку", но проблемы от этого не исчезнут. Во первых гликоль немного ядовит и при разгерметизации разливается лужей которая сохнет очень долго, и как говориться "воздух не озонирует". В третьих создать абсолютно герметичную систему отопления из-за большого количества соединений МП трудновато (хоть и возможно). В третьих если появилась убыль из системы отопления то как ее восполнить? Добавка воды из водопровода разбавит гликоль и спирт и через некоторое количество "разбавлений" система станет уже не такой "незамерзающей". Спирт не ядовит, но имеет склонность к разрушению цветных металлов из которых состоит запорная и переходная арматура.

В случае теплового насоса у нас есть конденсатор задача которого "забрать тепло фреона" и отдать его дому. По сути теплообменник. С другой стороны МП в полу или стене тот же самый теплообменник только распределенный по всему дому. Так почему их не объеденить? Возмем к примеру теплый пол, для дома на 150 кв.м. у меня уйдет примерно 500 метров МП млм подобной трубы. Что составляет 0,016 * 3,14 * 500 = 25 кв.м. теплообменной поверхности, причем тепло отдается не воздуху, а полу площадь которого 150 кв.м. Площадь теплообменника в ТН на 10 кВт составляет в лучшем случае 2.5 кв.м. 
Трубка МП диаметром 16мм при скорости 1 куб.м. воды в час содержит в себе воду со скоростью 1 / (0,016 *0,016 * 3,14 / 4) = 4976 метра в час или 1,38 м/с. Вода несет энергию 0,016 * 0,016 * 3,14 / 4 * 1000 * 4 200 = 844 Вт на градус при 1 м/с или 844 * 1,38 = 1160 Вт на градус при циркуляции в 1 куб.м в час воды. При охлаждении воды на 5 градусов в теплых полах и увеличении циркуляции до 2 куб.м. в час получим мощность теплых полов 1160 * 5 * 2 =  11600 Вт. Уже как бы заметно. Если режим полов +40 на +35 при дельте в конденсаторе еще 5 градусов получим температуру конденсации примерно (+40 + 35) / 2 + 5 = 42,5.

Теперь предположим мы заменим МП трубу на медную (непосредственный испаритель). 
Чтобы получить те же 11 600 Вт нам необходимо конденсировать 11 600 / 168 000 = 0,07 кг фреона R22 (теплота конденсации 168 кДж/кг) в секунду или 252 кг в час. Это примерно в 8 раз меньше ( 2 / 0,252 = 7,9) чем в случае с водой. Таким образом в системе с фреоновыми теплыми полами циркуляция жидкости меньше в 8 раз при одинаковой мощности. Учитывая что внутренний диаметр МП 16 около 12 мм в фреоновом контуре можно обойтись меньшим диаметром трубки по крайней мере в корень из 8 раз что приводит нас к диаметру 6мм.

Теперь деньги. 

МП 500 метров обойдется примерно 500 * 35 = 17500 рублей.
Медная трубка 6мм стоит около 800 руб за 15 метров или 500 * 800 / 15 = 26 700 рублей. 

Вроде бы дороже, но в случае МП в ТН нужен теплообменник (конденсатор) стоит около 20000 рублей, и нужен циркуляционный насос стоит 2500 рублей. Итого в случае МП материалы потянут 17 500 + 20000 + 2500 = 40000 рублей. Это без учета незамерзающей жидкости.

В случае медной трубки монтаж дороже все таки ее паять нужно, но разница в 13 тыс рублей наверно покроет затраты.

Теперь еще один момент в случае если ТН работает в режиме испарение -10, конденсация +42,5 в случае водяных полов. КОП составит 2,539. 

В режиме непосредственного конденсирования во фреоновый теплый пол, температура конденсации станет около (+40 + 35 ) = 37,5 градусов и КОП соответственно 2,897.

Переход от МП к медно трубке даст выигрыш в эффективности теплового насоса (ТН) 2,897 / 2,539 = 1,14, или 14% плюс к эффективности ТН. Это прямая экономия электроэнергии.

Замечание. 
1. Одной веткой вести 500 метров медной трубкой 6мм нет никакого смысла, возникнет также проблема гидросопротивления. Зато медную трубку можно брать параллельными контурами в пределах одной комнаты длиной по 15 метров. Герметичность стыков медной трубки (паяные) гораздо надежнее фитингов для МП. Фреон при конденсации сам отрегулирует температуру. То есть при конденсации идет автовыравнивание температуры контура - это когда фреон больше конденсирует там где температура ниже. Такой теплый пол сам старается выровнить температуру по всему объему трассы. Если в какой-то ветке начнет подниматься температура (под ковром например) - фреон станет меньше конденсироваться или перестанет совсем, тем самым больше фреона станет конденсироваться в холодных участках.
2. Фреон содержит масло из компрессора, необходимо учесть его возврат в компрессор. Если компрессор находиться примерно на одном уровне по высоте с фреоновым теплым полом, то проблем возникать по идее не должно.

Часть вторая. Геоконтур без гликоля (спирта) - непосредственный испаритель

Гликолевый или спиртовой контур имеет те же недостатки что и водяное отопление. Разве что делается он из трубы большего диаметра 32-40 мм. Как выяснилось из первой части статьи фреоновый контур может иметь меньшее сечение при равных условиях.
Не буду повторять те же самые расчеты потому что длина его примерно 350-400 метров и цена погонного метра ПНД 32мм около 25 рублей. По цене материалов получиться то же что и в первой части.
Здесь необходимо учесть возврат масла в компрессор с помощью маслоподъемных петель.   

Если сравнить эффективность то применение контура из медной трубки равного по длине гликолевого позволяет поднять температуру испарения примерно на 5 градусов. Что приведет к увеличению КОП.

В случае с гликолевым (спиртовым) контуром и водяным отоплением ожидаемый наихудший режим -10 (испарение) + 42,5 конденсация, КОП = 2,539.

В случае если мы заменим гликолевый контур на непосредственный испаритель ожидаемый наихудший режим -5 (испарение) + 42,5 конденсация, КОП = 2,920. Это прирост эффективности 2,920 / 2,539 = 1,15, на 15 % больше КОП.

А теперь объединим оба улучшения.

В случае если мы заменим гликолевый контур на непосредственный испаритель ожидаемый, а так же заменим систему водяного отопления на непосредственный конденсатор получим, наихудший режим  -5 (испарение) + 37,5 конденсация, КОП = 3,365. Что дает общее увеличение эффективности 3,365 / 2,539 = 1,325, или на 32.5%. 

По электричеству такое улучшение дает переход с компрессора мощностью 3,15 кВт на компрессор мощностью 2,38 кВт. Или экономию электроэнергии в 3,15 / 2,38 = 1,32 раза, ТН станет кушать на 32% меньше электроэнергии при той же теплоотдаче. Никакой воды, гликоля, спирта и циркуляционных насосов не требуется.

Причем в таком случае тепловой насос в общем то будет состоят только из компрессора и ТРВ с контроллером (ну еще можно добавить коллектор управления контурами).