Подсказки для самостоятельного изготовления теплового насоса

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Отвечал вчера, но что-то с инетом.

 

Прошу прощения, не сразу прочитал "вордовское" вложение.

Исходя из предполагаемых температур кипения и конденсации как раз и подбирается компрессор.
В кондиционерах ввиду нетяжелых условий работы (плюсовая температура кипения и небольшое отношение давления конденсации к давлению испарения) применяют простые и недорогие компрессоры, чаще ротационные, иногда высокотемпературные спиральники.

При кипении -15 и при небольших температурах конденсации высокотемпературные компрессоры (применяемые в оборудовании для кондиционирования) тоже в принципе могут работать, но это будет происходить почти на границе их возможностей, так как допустимое значение отношения давления конденсации к давлению кипения у таких компрессоров небольшое.

И если понижается температура кипения, при которой компрессор работает, то должно пропорционально снижаться и давление конденсации, чтобы не выйти из разрешенного производителем коридора.

Поэтому при таких температурах кипения (-15) лучше все же использовать среднетемпературники, допустимое отношение давлений у них больше.

Например, поршневые компрессоры работают в широком диапазоне температур, среди популярных спиральников среднетемпературными считаются компрессоры с впрыском пара. Винтовые тоже подойдут, но на маленькие мощности их практически не выпускают.

Для работы при температуре конденсации +40, а кипении -15 подойдет практически любой фреон.

При таком режиме работы энергетическая эффективность различных фреонов практически одинакова, естественно только при условии правильно подобранных и согласованных между собой элементов агрегата.

Различия заключаются в нюансах:

- для 410 нужны теплообменники по площади меньше, зато все оборудование должно быть прочнее (по рабочему давлению)

- для 407 рабочие давления такие же как для 22 и соответственно меньше, чем для 410, но
теплообменники должны быть поболее, кроме того присутствует температурный глайд.

Давно и повсеместно применяемый R22 пытаются полностью выдавить с рынка путем запрета на применение из-за возможного влияние на парниковый эффект, как в свое время уже расправились с R12 из-за теоретически возможного влияния на озоновый слой.

В свое время пытались заставить применять вместо R22 407 фреон, в уже работающих установках это возможно только с промывкой системы и заменой масла. Так как народ с неохотой менял шило на мыло, да ещё с заменой неприхотливой минералки на капризную синтетику, то стали придумывать заменитель для R22, что-то типа R417, для смены хладагента без замены масла в компрессоре.

Почему тот же R407 не может работать с минеральным маслом?

Потому, что компоненты из которых он состоит (R32+R125+R134) не могут взаимно растворяться (смешиваться) с минеральным маслом и в связи с этим не могут обеспечить его полноценное перемещение по фреоновым трубопроводам.

В принципе ничего страшного, вон аммиак тоже не растворяется в минеральном масле, что тем не менее совсем не мешает его использовать. Для этого нужно усложнять систему смазки компрессора, вводить маслоотделители, сепараторы и т. д, что совсем невыгодно в небольших установках

Пошли другим путем. Добавлением в хладагент ещё одного компонента, способного смешиваться с минералкой и переносить её по системе.
В 417 смеси для этих целей применяют R600, добавляя 3,5% к уже присутствующим R125 и R134.
Как этот коктейль будет работать?
Не знаю. Производители уверяют, что будет.
Потребители говорят, что вроде работает...
А как, хорошо или плохо, мнения значительно разнятся.

 

Теперь по поводу работы грунтового коллектора при -5 С, в вечной мерзлоте например.
На процесс теплосъема снижение температуры грунта скажем с +5 до -5 конечно повлияет.
Увеличением температурного напора на 10 градусов и снижением температуры кипения в испарителе на те же 10 градусов. При этом упадет холодопроизводительность компрессора и т. д и т. п. что уже говорилось не раз.

Как Вы справедливо заметили это может несколько компенсироваться большей теплопроводностью вечной мерзлоты, относительно теплопроводности просто мокрого грунта.
Остальное падение эффективности можно постараться скомпенсировать увеличением длины зарытых труб, их диаметра, площади теплообменников ТН, увеличением скорости теплоносителя, применением более подходящего по температуре кипения компрессора.

И на первый взгляд получим достаточно эффективную установку, как Вы говорите.
Но забываем главное.
Нам ведь кроме эффективной установки нужно достаточное количество теплоты в грунте, чтобы эту установку загрузить работой.

Давайте рассмотрим на примерах и сравнениях.
Для понимания динамики происходящих процессов можно сравнить тепловой насос с погружным водяным насосом.
Чтобы мощный и эффективный водяной насос смог бесперебойно качать воду из колодца или скважины, приток воды в колодец из водоносного горизонта (дебит) должен превышать возможности насоса по производительности.
Если производительность с приличным запасом относительно дебита, насосу придется простаивать, дожидаясь поступления воды. Это допустимо в системе водоснабжения, где потребление воды носит прерывистый характер.
Система отопления должна постоянно компенсировать теплопотери дома, характер потерь непрерывный, интенсивность потерь зависит от утепления ограждающих конструкций и разницы температур.

Разница есть между динамикой потребления воды от погружного насоса и потреблением тепла от теплового насоса.
А динамика изменения производительности при откачке воды погружным насосом из скважины и тепла из теплосборной скважины тепловым насосом довольно схожи.

По мере откачивания воды и понижения уровня в колодце, если производительность насоса превышает приток вод из водоносных слоев, эта самая производительность насоса падает (из-за увеличения необходимой высоты подъема воды наверх). Когда приток воды и снижающаяся производительность насоса сравняются по величине, наступит равновесие - динамический уровень.
То же самое происходит с тепловым насосом.
По мере откачивания тепла и снижения температуры грунта холодопроизводительность компрессора теплового насоса падает, пока не сравняется с теплопритоками к грунтовому теплообменнику от окружающих пород.

Если мощность водяного насоса очень большая и достаточное количество ступеней, то он откачает колодец досуха, невзирая на глубину. Теоретически погружной насос можно сконструировать и заставить качать с любой глубины, хоть со дна Марианской впадины, хватило бы мощности привода и прочности материалов.
По мере понижения уровня мирового океана избыточное давление, действующее на насос со стороны столба воды в трубе будет изменяться от 0 до 1000 бар.
Производительность насоса наоборот будет падать

То же и с тепловым насосом, по мере откачивания тепла из окружающей среды и без притока туда, температурный напор будет расти, производительность компрессора падать, только глубина температурной впадины ограничивается -273 градусами по Цельсию.
Это второе отличие.

Ну а дальше надо подумать откуда берется тепло в грунте, которое откачивает тепловой насос.

Если не будет хватать поступления воды в водяную скважину, то погружному насосу иногда качать будет нечего. Или вода там кончится или насос уже не сможет поднимать её с установившегося уровня.
То же самое можно сказать про тепловой насос. Если не будет хватать поступления тепла в грунт, тепловой насос будет стараться высосать теплоту "досуха", до -273 С.
А насколько он реально сможет понизить температуру зависит от конструкции компрессора, применяемого хладагента, теплоносителей и т. п.

Практики могут рассказать о сложностях с прогнозированием мощности грунтовых теплосборников.

Теоретически можно рассчитать теплосъем.
Для этого нужны данные по теплоемкости и теплопроводности грунтов, окружающих трубу, интегрированные по длительности отопительного сезона.
Важна ведь не мгновенная тепловая мощность зонда, а возможность равномерно получать тепло от грунта в течении всего отопительного периода.
Ведь теплоемкость конкретного грунта имеет вполне определенную величину на каждый градус охлаждения и после того как какое-то количества тепла для отопления будет получено, соответственно на столько градусов грунт станет холоднее.
В результате появившегося температурного градиента начнется приток теплоты из дальшележащих слоев.

Приток тепла извне ограничивается теплопроводностью грунта и тепломассобменом (через грунтовые воды), в разных местностях это происходит по разному, и даже в разных углах огорода может отличаться, поэтому универсального рецепта расчета не бывает.
Как возобновляется тепло отобранное тепловым насосом от грунта, какими путями вновь там появляется, и в каких количествах?

Какая разница между вечной мерзлотой и обычными грунтами с подвижными водными горизонтами подумайте на досуге.

Теплопроводность льда в 4 раза лучше теплопроводности воды и обводненного грунта и в 20 раз лучше сухого песка.
Но в абсолютных величинах это все равно мало, лёд там, глина, скальные породы или песок.
Где-то около 2 Вт/(м*К) для льда и 0,56 Вт/(м*К) для неподвижной воды или 0,1 Вт/(м*К) для сухого песка.
Лед и вода все равно практически теплоизоляторы, скажем по сравнению с металлами.
Кроме того лед лишен важного преимущества воды - её текучести. Перемещаясь (фильтруясь) через грунт вода может переносить громадные количества теплоты, так как обладает большой теплоемкостью.

Продолжим позже, пока посмотрите на тепловой баланс Земли, сколько тепла приходит с солнечным излучением, сколько уходит, какая часть передается над поверхностью с атмосферой и океанскими течениями, а какая часть идет под землей с грунтовыми водами и теплопроводностью.
Ну например тут

 

Наверное - хладогента?

 

Ну хладагент само собой должен быть подходящий.

А та фраза, если более правильно, должна звучать так:
"...применением более подходящего компрессора по температуре кипения."
или ещё точнее:
"...применением компрессора, более подходящего по температуре кипения"

 

Данные по грунту ведь очень простые - лед.
По температуре. Если он (лед) температурой -2 - -5град., и охлаждать его до -10град. т. е. на 5 град. то одна скважина глубиной 100м.(мой любимый размер) может за сезон дать до 15тыс. квт.\ч. или я не так считаю?

 

Да, кстати, а как считали?
Из каких соображений появилась цифра 15 000 кВт*час?
Если брать по 50 ватт на погонный метр скажины, то эта цифра для эксплуатации зонда в обычных грунтах, со средним водонасыщением и почвенной фильтрацией, для средней продолжительности отопительного сезона, когда в остальное время идет регенерация (накопление) теплоты.
И никак эта цифра не подойдет для мерзлоты.

Давайте посчитаем, исходя из "простых" данных по грунту мерзлоты - лед пополам с землёй.
Пусть даже удалось взять 15 000 за первый сезон за счет охлаждения грунта в соответствии с его теплоемкостью.
Для этого надо охладить за сезон примерно 6000 м3 мерзлого грунта еще на 5 градусов, чтобы получить 15 000 квтчас.
Если брать "любимую" глубину 100 метров, то диаметр охлаждаемого цилиндра из 6000 м3 грунта составит почти 9 метров. Одной трубой в центре равномерно такой цилиндр не охладить.
Ну да ладно, пока не про то речь.
Ведь это же количество тепла (15 000 квтчас) должно поступить в этот цилиндр откуда-то, чтобы и на второй сезон и на третий было что снова оттуда брать.

Зимой приток тепла идет в основном под землей от окружающих пород теплопроводностью и тепломассобменом, летом приток значительно усиливается за счет солнца и атмосферы.
Тепломассообмен в вечной мерзлоте отсутствует по причине её неподвижности.
Сверху, от солнца тепла поступает слишком мало, чтобы расчитывать на него для регенерации, ведь неспроста образовалась-то вечная мерзлота. Среднегодовая температура при этом ниже нуля.
Из глубин Земли тоже тепла идет мало, в среднем 0,06 Вт/м2.
Если от вышеуказанного 100 метрового зонда пытаться получать 5 кВт мощности, то для сбора такого же количества тепла, идущего из глубин Земли потребуется площадь около 9 Га, участок 300х300 метров.
То есть тепловой баланс не сходится на порядки.

Стоит только грунтовой водице начать движение под землей, как все кардинально меняется.
Несмотря на худшую теплопроводность относительно льда, вода обладая способностью перемещаться в водоносных слоях переносит с собой громадные количества теплоты.
Поэтому в сухих породах средний за отопительный сезон теплосъем никакой.
То же самое и в мерзлоте. Хотя кратковременный теплосъем может быть и неплохим из-за лучшей теплопроводности. Но исключительно в пределах теплоаккумулирующей способности грунта, то есть уже запасенного тепла, поступавшего посредством теплопроводности за довольно продолжительный период времени.
Если сухие породы в теплых краях могут хотя-бы накапливать летом тепло от солнца, то мерзлота и этого лишена, для неё остается 0,06 Вт/м2 снизу и сколько-то сверху, в зависимости от интенсивности инсоляции.

Поэтому делать теплосборники в вечной мерзлоте довольно сомнительное мероприятие. Если разве только бурить ниже уровня мерзлоты, до незамерзающих грунтовых вод, но это не для всех территорий подойдет, так как в некоторых местах мерзлота доходит до глубины 1 км, а территория России вообще на 65% с вечной мерзлотой.
Да и на всей планете более четверти поверхности суши - вечная мерзлота.

 

Цифра появилась так: радиус действия скважиы (по Виссманну) 3м., объем грунта (льда) 3000м3, при охлаждении на один градус одного м3 имеем 1 квт.\ч., при охлаждении на 5град. 15 000квт.\час.(может это слишком оптимистично)

Т. е. скважины делать не через 6метров, а через 9м. я думаю это хорошая идея.

Но теплопроводность льда выше, чем грунта (сухого тем более), поэтому не 6м., а 9м. в диаметре.

Охлаждая лед вокруг скважин мы обеспечиваем этот тепломассообмен.

Ведь как пишут и грунт в скважинах приходит в стационарное (пониженное от естесственного) состояние на пятый год эксплуатации.
Также и с "вечной мерзлотой", ну понизится фон на 1-2 градуса, а потом все стабилизируется.
Тот же Виссманн пишет, что с одного погонного метра скважины за сезон можно снимать 100квт.\ч.
Я снимаю с одной 100м. скважины 10 000квт.\ч. за сезон (хочется больше), в сухих грунтах (вода 130м.).
В мерзлоте, в виду её высокой теплопроводности, наверное можно больше.

 

Можно и больше но кипение будет значительно ниже - т. е. снимать будем с более низким КОПом, значит не стОит, если только шипко надо ну и регенерировать мерзлота думаю будет длиньше.

 

Для обычных грунтов вполне может быть цифра и поболее, а для льда да, несколько оптимистично, даже учитывая лучшую, чем у воды теплопроводность.
Теплоемкость льда в 2 раза хуже воды, значит получим не более 0,5 кВтчас с м3 на один градус, даже не учитывая что плотность льда меньше и в мерзлоте присутствует обычный грунт, с ещё меньшей теплоемкостью и теплопроводностью.

Какой в твердой мерзлоте может быть тепломассообмен?
Тепломассообмен - это когда нагретая вода перемешивается с холодной принудительно или в результате естественной конвекции. Кто лед под землей перемешивать будет?
Поэтому для мерзлоты остается только теплопередача посредством теплопроводности, так как остальные виды передачи тепла отпадают - конвекции нет, излучения почти нет.
Расчет упрощается, так как сводится к решению типовой задачки из теплотехники о теплопередаче через цилиндрическую стенку.

Зачем гадать?
При желании можно легко посчитать для неограниченного по размерам куска льда граничные (минимальн. и макс.) значения теплосъема. Попробуйте для начала сами, наводку на задачку про цилиндрическую стенку я указал.
Теплопроводность льда 2,2 Вт/(м*К), теплоемкость 2,1 кДж/(кг*К)

А для куска льда, имеющего пределы по размерам теплосъем ограничится теплоемкостью этого куска и -273 градусами по Цельсию, к которым будет стремиться температура кипения в испарителе.

Водонасыщенные фильтрующие грунты привести к простой теплотехнической задачке сложно, слишком много дополнительных параметров надо учесть, поэтому простой математической модели до сих пор так и нет.

Виссман указывает сложившиеся на практике средние значения.
Откуда Виссману знать какой в Вашей скважине грунтовый слоеный пирог, какой коэффициент фильтрации в каждом из слоев, на каком уровне верховодка, сколько осадков за сезон, какая температура воды, воздуха, инсоляция, и т. д.
Не говоря уж про возможные отклонения монтажа от ихней технологии, которая приведена в методичке по проектированию, типа замена рекомендованного импортного бентонита на нашу глину с песком, вместо четырех труб в зонде - две, вместо сорокового диаметра тридцать второй и т. п.
Виссман приводит стандартные значения сезонного теплосъема по обычным грунтам, цифры эти лежат между двумя крайними (граничными) условиями.
Меньшее значение ограничивается возможностями сухого грунта с минимальной теплопроводностью.
Это где-то около 5 Вт с погонного метра зонда, неважно одна труба будет, две или четыре.
Максимальное значение теплосъема ограничивается уже теплоотдачей поверхности грунтового теплообменника, например когда зонд опускают в реку или озеро.
В этом случае теплоотдача не может превысить 150-200 Вт/(м2*К), что характерно для теплоотдачи змеевика, погруженного в воду. Чтобы повысить этот показатель необходимо значительно ускорить течение воды относительно теплообменной поверхности.
Как это можно сделать в реке, озере или под землей?
Никак. Проще увеличить площадь теплообмена, добавив количество труб в зонде.
Один погонный метр двухтрубного зонда из сороковой трубы имеет площадь теплообмена 0,25 м2, стало быть с учетом паразитки может снимать 25-30 Вт на каждый градус температурного напора. Если учесть потери теплового напора в стенке ПНД трубы, то четырехтрубный зонд, который рекомендуют заграничные методички может снимать до 100 Вт с погонного метра при температурном напоре пару градусов.
Этого с лихвой хватит даже если грунты отличные, уровень грунтовых вод высокий, фильтрация хорошая или вообще под землей озеро.
При плохих грунтах, в смысле теплосъема, такую мощность продолжительно снимать нельзя, поэтому достаточно двухтрубного зонда или коаксиала.

 

Уважаемый Dekabrino большое спасибо за развернутые ответы. Почему появились эти вопросы? Есть реальный объект - небольшая церковь в зоне "в.м.", электроотопление ~12квт. Благотворитель, построивший и содержащий её, попросил, если возможно применив ТН снизить эксплуатационные затраты. Как сказал дед марос "если только шипко надо". Я больше практик вот и прошу помощи на форуме (теорией и расчетами). Сам прикидывал так, что надо четыре скважины по 100м (мой любимый) и ТН с компрессором киловатт на 5 - 5,5. Что скажете может получится?

 

Дайте местоположение, для начала посмотрим температуры грунта по данным метеорологии.

 

Бурятия, с. Багдарин.

 

А "вечная мерзлота" на какую глубину простирается?

 

Думаю, что в районе Багдарина глубина мерзлоты будет поболее "любимого" 100 метрового размера.
Наверно до полукилометра, так что надежды добуриться до жидкой воды нет никакой.
При среднегодовой температуре -7 градусов, морозов зимой -50, средней температуры января -30 и плюсовой температуре летом не более 2 месяцев иначе и быть не может.
Снега выпадает мало, летом земля оттаивает на пару метров, температура мерзлоты -7 - 8.
Чтобы задумать теплонасосное отопление в таких условиях надо быть очень большим фанатом энтого дела.
Ну посудите сами, надо 12 кВт тепла для отопления. В том сооружении, про которое говорили, теплых полов наверно нет, будут радиаторы или фанкойлы, значит температура конденсации должна быть достаточно высокая, а температура кипения -15 или менее при начальной температуре грунтов -7.
СОР (КОП) будет не очень-то, где-то до 2,5-3, стало быть электрическая мощность привода компрессора 5 кВт в принципе выбрана правильно, остальные 7 кВт надо получать от мерзлых скважин.
Четырьмя штуками по 100 метров думаю не обойдется, по 20 Вт с метра от мерзлоты в течении всей долгой зимы получать не удастся без замораживания грунта ещё сильнее.
Может десяток скважин понадобится или ещё больше, экономическая подоплека всего этого мероприятия очень туманная...