Отопление тепловыми насосами
Продолжим обсуждение способов экономичного отопления в ИЖС без использования трубного газа.
Ранее были рассмотрены варианты отопления электричеством и отопления с применением СУГ.
https://habr.com/ru/articles/785280/
По желанию читателей решил рассмотреть и вариант отопления с помощью «кондиционеров на тепло».
То есть нужно рассмотреть простую и дешёвую систему получения халявного тепла на отопление от и так уже установленного для лета кондиционера, который простым нажатием кнопки на пульте начнёт выкачивать тепло из воздуха холодной улицы, переправляя его внутрь отапливаемого домика.
Изначально предполагается использовать именно самую дешёвую версию сплит-кондиционера, у которого компрессорно-конденсаторный блок (далее ККБ) установлен на улице.
Идея сама по себе увлекательная, но содержит в себе ряд подводных камней, не очень афишируемых в рекламных проспектах.
Рассмотрением этих незаметных или преднамеренно скрываемых препятствий мы и займёмся в этой статье.
Условия работы сплит-кондиционера «на холод» летом
Первоначально нужно рассмотреть нормальный режим работы кондиционера «на холод» в помещении в летнюю жару, а уж потом рассматривать «обратный» режим работы этого же оборудования на «на тепло» зимой. (см.рис.1)
Рис.1. Схема работы простейшего сплит-кондиционера «на холод» в летнем режиме.
На данном рисунке показан простейший вариант кондиционера без функции работы «на тепло».
Это самый дешёвый кондиционер, так как из него убраны все лишние детали и всё в нём оптимизировано на исполнение основной функции, а именно.
Нести холод внутрь помещения, когда на улице тепло.
Именно дешевизна простейших сплитов создаёт иллюзию, что отопить дом зимой с его помощью будет тоже дёшево.
Для подтверждения этого заблуждения торговцы рисуют следующие картинки с вариантами работы сплит-кондиционеров. (см.рис.2)
Рис.2. Рекламные картинки с объяснением принципов работы кондиционеров «на тепло» и «на холод».
В реальности данная картинка является явной ложью.
Чтобы понять, что тут не так, нужно рассмотреть происходящее внутри самого сплита чуть детальнее.
В реальной жизни обычный компрессор невозможно заставить работать в обратную сторону, так как это ему не позволят сделать обратные клапаны, установленные в линиях всасывания и нагнетания.
Из двух следующих схем видно, что для сплит-кондиционера в режиме «на тепло» пришлось добавить весьма сложный узел разворота потоков фреона на 4-х ходовом клапане, а также резко усложнить дросселирующее устройство (капиллярную трубку).
Рис.3. Схема сплит кондиционера с возможностью работы в режиме только «на холод».
Рис.4. Схема сплит кондиционера с возможностью работы в режиме как «на холод», так и «на тепло». Для разворота направления движения фреона используется 4-х ходовой клапан.
Устройство компрессора
Для работы компрессора важен объём газа, который может принят компрессор за один оборот вала.
При этом у компрессора не существует понятия «степень сжатия», как это принято обозначать для двигателей автомобилей.
Поршень идеального компрессора полностью выдавливает (реальный почти полностью) весь объём газа из цилиндра (рабочей полости) в ресивер через клапан выпуска, не оставляя никаких свободных пространств в цилиндре. (см.рис.5)
Рис.5. Схема работы поршневого компрессора. Направление движения воздуха определяют впускные и выпускные подпружиненные клапаны, которые не могут поменять направления пропускаемого потока газа. Этапы цикла: а-всасывание, б- нижняя мёртвая точка (полный цилиндры), в- сжатие с закрытыми клапанами (давление ещё меньше, чем в ресивере), г- нагнетание с открытым клапаном на выход (давление равно давлению в ресивере), д- верхняя мёртва точка ( выпускной клапан ещё открыт, выпуская остатки сжатого газа), в- обратный ход поршня с увеличением объёма в цилиндре без всасывания новой порции газа (все клапаны закрыты) за счёт расширения остаточных «паразитных» не выдавленных объёмов газа в рабочем цилиндре. Этот «паразитный объём» характеризует несовершенство компрессора, снижающее его КПД.
Для компрессоров определяющим является максимальный перепад давления, который способен продавить электродвигатель без полной остановки.
В тоже время у компрессора существует ограничение по количеству циклов сжатия в единицу времени (ограничение скорости вращения вала двигателя).
То есть у компрессора есть ограничение по объёму прокачиваемого газа в единицу времени, что и указывается в характеристиках компрессора.
Для бытовых компрессоров обычно указывают производительность в литрах за минуту (л/мин) и максимальное давление в единицах атмосфер ( 1 атм=1 бар=100кПа=0,1Мпа).
Газовая динамика работы компрессора
От общей схемы нужной переходить к мелким деталям, а именно к физическим процессам, происходящих внутри сплит-кондиционера при его работе.
Рассмотрим рабочий цикл сплит-кондиционера мощностью 3кВт по холоду и 1 кВт по электричеству, что даёт нам Кх=EER=3.
Каждый этап работы сплита оценим согласно параметрам из таблицы характеристик газо-жидкостных фаз фреона R410а.
Охлаждение воздуха в комнате на внутреннем блоке осуществляется при температуре кипения фреона +3..+6С, то есть чуть выше температуры замерзания воды при 0С.
Для сравнительной оценки работы компрессора в режиме «на холод» и «на тепло» надо сравнить перепады давления и плотности газов в обоих режимах при разных температурах.
Для этого надо знать температуру кипения жидкого фреона при разных давлениях, что узнаётся из справочной таблицы (см.рис.6.)
Рис.6. Таблица параметров насыщенных паров и жидкой фазы фреона R410а в зависимости от температуры.
Охлаждение воздуха в комнате.
Для наиболее популярного в сплитах фреона R410а при температуре +5С согласно таблице давление кипения фреона составляет Тк5=9,2 бар.
Именно при таком давлении в 9-10 бар происходит кипение фреона в калорифере-испарителе внутреннего блока сплит-кондиционера при охлаждении воздуха в помещении.
С этим же давлением 9 бар и при температуре +5С уже газообразный фреон поступает по медной трубе от внутреннего блока на внешний блок к компрессору.
Компрессор сначала всасывает порцию газообразного фреона под давлением 9 бар, а потом сжимает газообразный фреон до давления Р=24 бар с температурой сжатого газа +40С.
После чего пары фреона с температурой +40С конденсируются в калорифере за счёт обдува уличным воздухом с температурой +35С.
Чтобы было удобнее следить за трансформациями фреона при работе кондиционера цикл необходимо изобразить графически (см.рис.7. )
Рис.7. Схема тепловых потоков и смены параметров газов в цикле движения фреона в бытовом кондиционере-охладителе ( сплит-системе). Вертикальный ход по схеме пропорционален изменению внутренней энергии фреона. Согласно этому балансу холодильный коэффициент должен составлять Кх=160/6=26, что совсем не так в реальности, где наблюдается реальный холодильно-электрический коэффициент ЕЕR=3 . Не достающие в расчёте потери 47кДж/кг расходуются на потери трения в компрессоре, а также на работу вентиляторов в ККБ и в фанкойле.
Охлаждение и конденсация фреона в конденсаторе ККБ при работе «на холод»
Сжатый газ при температуре +40С и давлении 24бар начинает охлаждаться на калорифере внешнего блока за счёт обдува более холодным уличным воздухом с расчётной максимальной температурой +35С.
В результате такого охлаждения газообразный фреон начинает конденсироваться в жидкость при неизменном давлении в калорифере-конденсаторе наружного ККБ.
В процессе конденсации фреона выделяется большое количество тепла, которое и уносится с потоком уличного воздуха при обдуве конденсатора.
Для максимальной теплоотдачи ККБ на единицу площади в летнем режиме нужно чтобы конденсатор был с минимальным уровнем жидкой фазы, чтобы жидким фреоном был заполнен только нижний сборный коллектор перед выходом к медной трубке до фанкойла.
Из ККБ сжиженный фреон выходит горячим с температурой конденсации +40С.
При этом калорифер фанкойла должен быть полностью заполнен жидким фреоном с температурой +5С, чтобы жидкий фреон кипел по всему калориферу.
Получается, что при остывании жидкого фреона с +40С до +5С выделяется энергия:
dUт=270-207=63 кДж/кг
Эта разница энергий крайне важна, так как в трубку к фанкойлу может поступать горячий фреон с температурой конденсации +40С, а его остывание внутри помещения будет уже происходит при частичном испарении фреона ещё в трубе к фанкойлу за счёт энергии фазового перехода.
Процесс вскипания и остывания фреона после капиллярной трубки на схеме (рис.7.) выражено в виде ступеньки вниз.
С этим связано желание максимально переохладить уже жидкий фреон ещё на улице в ККБ, тем самым повысив холодопроизводительность внутреннего фанкойла.
То есть надо увеличивать калорифер конденсатора ККБ, чтобы его нижняя часть заполнялась жидким фреоном для его дальнейшего охлаждения при обдуве уличным воздухом.
Получается, что для повышения эффективности работы сплит-системы в жару нужно увеличивать размер конденсатора в ККБ и увеличивать объём фреона в системе, а это влечёт за собой удорожание системы в целом.
Рис. 8. Схема работы холодильной машины (бытового кондиционера) на фреоне с электродвигателем для привода газового компрессора. Капиллярная трубка — это дросселирующее устройство, своим гидравлическим сопротивлением создающее очень большой перепад давления между контурами конденсации (высокое давление) и испарения (низкое давление).Компрессор и электродвигатель в герметичном кожухе находится в атмосфере холодных паров фреона от фанкойла, тем самым охлаждаясь в процессе работы.
Работа компрессора в режиме «на холод»
Перепад давления на компрессор.
дР=24-9,2=14,8 бар
Отношение давлений на компрессоре Кр=24/9,2=2,6.
Это не геометрическая степень сжатия, а лишь отношение давлений. Геометрическая степень сжатия будет чуть иной, а именно в степени 1/К, где К- показатель адиабаты данного газа.
Согласно таблицы (см.рис.6) плотности при +40С составляет 96кг/м3, а при +5С плотность 33,7кг/м3, что даёт геометрический коэффициент сжатия газа в компрессора Кг=96/33,7=2,85
Получилось, что Кр<Кг, то есть показатель адиабаты оказался меньше единицы!
Результат весьма странный.
Как это ни удивительно звучит, но у фреонов действительно бывают показатели адиабаты близкие к единицы, или даже меньше единицы.
Показатель адиабаты около или меньше единицы- это значит, что у газа пониженная упругость.
То есть при сжатии газа давление растёт медленнее роста температуры. Для кондиционера такая характеристика фреона очень удобна, так как снижает расходы энергии на сжатие в компрессоре.
Не нашёл данных для фреона R410а, но сам факт наличия показателя адиабаты К<1 у других фреонов интригует (см.рис.9)
Рис.9. Показатели адиабаты К для паров воды и некоторых марок фреона. Для фреона-13 показатель адиабаты опускается ниже единицы уже при минус-20С и далее вверх до комнатной температуры. Показатель адиабаты меньше единицы говорит об аномальном свойстве газа сжиматься при изобарном нагреве.
Эффективность процесса сжатие в компрессоре
Компрессор кондиционера сжимает пары низкого давления Р=9 бар с температурой +5С из испарителя до высокого давления Р=24 бар при температуре +40С в конденсатор.
При этом газ в компрессоре проходит две фазы:
1. Повышение плотности газа при сжатии объёма рабочего цилиндра до величины давления в конденсаторе.
2. Нагнетание сжатого объёма газа из цилиндра компрессора в объём конденсатора (ресивера) при постоянном давлении.
Эти два процесса выглядят как ломаный график из наклонной части – сжатие; и горизонтального участка- нагнетание сжатого газа в ресивер и конденсатор. (см.рис.10.)
Рис.10. Схема процесса сжатия и нагнетания газа в компрессоре.
Работа компрессора на этом графике определяется простым суммирование треугольной и прямоугольной части. Начальное давление не учитывается, так как оно является давлением внешней среды для герметичного компрессора в кожухе, где внутри кожуха давление создано давлением газов от испарителя (фанкойла). (см.рис.8.)
Проведём расчёты затрат компрессора на сжатие газов:
Асж=дР *(Vпрок-Vнагнет)/2
При этом:
Vнагнет=Vпрок*(Qисп/Qконд)
Работа сжатия Асж соответствует площади заштрихованого треуголника на схеме (рис. 10.)
Работа нагнетания уже сжатого газа Апрес вычисляется следующим образом:
Апрес=дР*Vнагнет=дР*Vпрок*(Qисп/Qконд)
Где Q –плотность газовой фазы фреона в данном процессе
Результаты расчёта по разным температурам фреона представлены в расчётной таблице (см.рис.11..
Рис.11. Результат расчёта эффективности работы ККБ слит-кондиционера «на холод» при различных температурах фреона R410а. Синим -выделен основной номинальный режим работы сплит-кондиционера «на холод»; серым- частичная мощность при меньшей разнице температур ККБ/фанкойл с более высоким ЕЕR (сверху) или перегрузка компрессор с более низким EER в экстремальную жару на улице (снизу). На частичных режимах ЕЕR резко повышается, что позволяет в ТТХ кондиционеров писать очень высокий «сезонный» SEER.
При сжатии фреона в компрессоре происходит изменение энтальпии газа всего на.
dU=436-430=6кДж/к.
Согласно этому циклу теоретический холодильный коэффициент простейшего сплит кондиционера должен быть крайне высок, так как прямые приращения энергии газа составляет в компрессоре всего 6 кДж/кг, тогда как при испарении фреона поглощается аж 160 кДж.
То есть Кх=160/6=27
В реальности же есть значительные потери как на самом компрессоре, так и на электродвигателях вентиляторов ККБ и фанкойла.
Для получения ЕЕR=3,3 нужно дополнительно затратит ещё 40кДж на каждый килограмм перекачиваемого фреона.
Так 3кВт охлаждения должны сопровождаться почти 1кВт потребления энергии и около 4кВт сброса тепла на ККБ.
Для сведения энергобаланса до фактически известного ЕЕR=3 нужно подобрать вентиляторы на ККБ и фанкойл с адекватной производительностью и мощностью.
Вентилятор ККБ сплита с мощностью 3кВт по холоду должен обеспечивать сброс около 4кВт тепла на перепаде дТ=5С, что даёт расход воздуха:
V=4*3600/(1,2*5)=2400 м3/ч
Примем для подбора вентилятора развиваемое давление 80Па, необходимое для преодоления сопротивления калорифера.
Этому соответствует осевой вентилятор диаметром Ф400мм с электродвигателем мощностью около 0,18кВт (см.рис.12.)
Подробную характеристику вентилятора можно увидеть на диаграмме и в таблице (см. рис.13.)
Рис. 12.Примерный выбор вентилятора с расходом 2400м3/ч при давлении 80Па для продувания ККБ.
Рис.13. Характеристики осевых вентиляторов для ККБ и фанкойла.
Вентилятор фанкойла с мощностью 3кВт по холоду должен обеспечивать снос менее 3кВт явного тепла, при этом заметная часть тепла уходит с конденсацией паров воды, не вызывая изменения температуры воздуха. Таким образом на перепаде дТ=15С расход воздуха через фанкойл составит около :
V=3*3600/(1,2*15)=600 м3/ч
Рабочее давление для вентилятора фанкойла примерно на том же уровне, что и в ККБ, то есть 80Па.
Этим требованиям соответствует осевой вентилятор диаметром Ф250мм и мощностью 90Вт (см.рис.14)
Рис.14. Оценочный выбор вентилятора с расходом 600м3/ч при давлении 80Па для продувания внутреннего фанкойла.
Суммарная мощность двух вентиляторов примем 180+60=240Вт (см.рис.)
Мощность вентилятора для фанкойла берём всего 60Вт, что меньше паспортной мощности для осевика, но близко к пропорции расходов с большим вентилятором ККБ.
Осевые вентиляторы на малых размерах менее эффективны в развиваемом статическом напоре, а потому внутри фанкойлов устанавливают тангенциальные вентиляторы (настенные блоки) или радиальные вентиляторы (кассетные блоки), у которых развиваются более высокие давления при меньших скоростях потока и меньших расходах воздуха.
Вид рабочего колеса радиального вентилятора можно оценить по рисунку ниже (см.рис.15)
Рис. 15. Примерный вид рабочего мотор-колеса радиального вентилятора для кассетного фанкойла.
Тепловой режим работы фанкойла «на тепло»
В режиме работы фанкойла «на тепло» зимой внутренний фанкойл работает при температуре конденсации, которая обеспечивает достаточный теплосъём с калорифера.
Чтобы обеспечить равную мощность нагрева и охлаждения в фанкойле достаточно обеспечить такой же перепад температур относительно целевой комфортной температуры +22С в помещении.
В режиме «на холод» температура калорифера в фанкойле была +5С, со средним тепловым напором дТ=(30+16)/2-5=18С.
При нагреве с равной мощностью на фанкойле сохранится тот же тепловой напор 18С, что даст температуру калорифера Тг=(30+16)/2 +18=+41С..
Примем температуру конденсация +40С , чтобы проще было брать данные из таблицы свойств фреона.
Давление конденсации при +40С в фанкойле будет около 24 бар.
Именно до этого давления 24 бар с температурой +40С должен будет сжимать компрессор ККБ холодные пары при минус -30С и давлении 2,7 бар из уличного испарителя. (см.рис.16)
Работа компрессора с переохлаждённым до минус -30С газом.
Что произойдёт при работе компрессора на «тепло» при сильном холоде в минус -25С на улице?
В этом случае на всасывание к компрессору будут попадать пары фреона, испарявшиеся при температуре минус -30С, при этом плотность газов составит всего 10,2кг/м3.(см.рис.16)
Рис.16. Схема изменения состояния фреона в цикле работы сплит-кондиционера «на тепло» с учётом компенсации остаточного тепла в горячем жидком фреоне при охлаждении с температурой Т=+40С после фанкойла до температуры Т=-30С в испарителе при давлении 2,7 бар за счёт вскипания фреона поле дросселя.
То есть при работе «на тепло» в расчётных условиях минус -25С на улице и минус -30С в уличном испарителе с плотностью паров фреона 10,2кг/м3 изменится массовый расход газа в компрессоре в отношении 33,7/10,2=3,3 раза относительно тёплого фреона в режиме работы «на холод» при +5С с плотностью паров 33,7кг/м3 .
Именно этим массово-геометрическим соотношением перекачиваемого газа определяется падение мощности сплита в режиме «на тепло».
Получается, что в место 1 кВт в режиме «на холод» тот же компрессор при максимальном холоде минус-30С на улице сможет перекачать газов всего на мощность около 0,3кВт в режиме «на тепло».
В действительности при минус-30С у режима «на тепло» всё куда хуже, и реальная расчётная эффективность работы сплита «на тепло» составляет всего ЕЕR=1,05. (см.рис.17)
То есть практически выделяется только тепло, затраченное электродвигателями, и не большой довесок в 5% от работы фреона.
Можно сказать, что «Гора родила мышь».
Чтобы получить 1 кВт тепла от самого фреона в режиме «на тепло» нужно брать в 3 раз более мощный «по холоду» ККБ сплит-кондиционера.
Тогда собственные электродвигатели в 3 раз более мощного ККБ по потребляемой электрической мощности уже окажется равен необходимой от него тепловая мощность. То есть в сильный мороз сплит-кондиционер будет работает как электроотопление, но очень дорогое по исполнению.
Избыточная мощность электродвигателя связана с работой компрессор «на тепло» в неоптимальном режиме, чем исходная задача работы «на холод», под которую оптимизировался компрессор изначально.
Это как ездить на работу на грузовике, вместо легковушки.
Вроде бы грузовик пустой, но при собственной массе в 10 тонн он всё равно жрёт топливо в разы больше, чем самый мощный легковой автомобиль с массой 2 тонны.
Ниже приведена таблица с расчётом эффективности работы кондиционера «на тепло» при температуре конденсации +40С в фанкойле и разных температурах в испарителе на улице (рис.17.)
Рис.17. Расчёты работы ТНУ в режиме «на тепло» при различных температурах на улице и постоянной температуре конденсации +40С на фанкойле в помещении. Отдельно внизу (зелёным) приведён «экономный» режим дежурного отопления с пониженной температурой +15С в помещении (Тконд =+20С в фанкойле) при реалистичной для ТНУ рабочей температуре минус-15С на улице (при Ткип=-20С в испарителе). В «дежурном» режиме с пониженной температурой в помещении эффективность работы ТНУ «на тепло» резко растёт CОР=2,81.
При учёте средней уличной температуры за отопительный сезон Тул=-3С вполне допустимо показывать высокий статистический SСОР=3 за отопительный сезон в целом. Что справедливо даже при включении на 2-3 недели электрокотла на отопление при температурах ниже минус-15С на улице.
Результаты двух табличных расчётов можно сравнить в графическом виде, сравнив в едином масштабе работу компрессора в режиме «на холод» и в режиме ТНУ «на тепло» (см.рис.18).
Из графика очевидно, что работа компрессора в режиме «на тепло» оказывается в 3 раза больше, чем в режиме «на холод», при равном полезном тепловом потоке на фанкойле.
Рис.18. Сравнительная графическая оценка энергозатрат на перекачивание 1 кВт*ч тепла в цикле Сплит-системы «на холод» и в цикле ТНУ «на тепло». Заштрихованная площадь пропорциональна работе электродвигателя привода компрессора.
Обмерзание уличного калорифера в режиме работы «на тепло»
При охлаждении уличного калорифера на несколько градусов ниже уличной температуры возникает возможность для выпадения конденсата из окружающего воздуха с высокой относительной влажностью.
При сильно отрицательных температурах на улице эта вода из газовой фазы сразу переходит в состояния льда на поверхности охладителя с ещё более сильной отрицательной температурой.
Так за некоторое время весь уличный охладитель может покрытся льдом, после чего он перестанет работать, так как воздух перестанет через калорифер проходить, уперевшись в сплошную корку льда. (см.рис.19)
Рис.19. Примеры обмерзания ККБ при работе «на тепло». С лева работа на тепло в зимнее время с относительно сухим воздухом (обледенели зоны вокруг медных трубок), справа работа «на тепло» в период холодного лета с очень влажным воздухом после дождя.
Чтобы избавиться от оледенения калорифера необходимо периодически отключать вентилятор обдува ККБ и позволять горячему фреону из помещения с температурой более +20С оттаивать калорифер. При этом компрессор нужно переключать на работу в обратную сторону, чтобы выдавить из калорифера холодный жидкий фреон, замещая его горячим газообразным сжатым фреоном.
В режиме оттаивания калорифера намороженый слой льда может отвалиться большим куском, растаяв только на поверхности самого калорифера. То есть при оттаивании калорифера не обязательно доводить до плавления весь массив льда на нём.
Отвалившиеся куски льда будут падать с калорифера вниз под ККБ, где будет скапливаться достаточно большая куча упавших льдин, которую надо периодически из-под ККБ убирать.
При температуре около +5С в воздухе может содержаться до 5г паров воды на 1 кг воздуха. (см.рис.20)
Рис.20. I-d диаграмма для определения влагосодержания воздуха при различных температурах.
В сплит-кондиционере с мощностью 3кВт холода при обдуве ККБ смывается уже 4кВт тепла, что с перепадом дТ=5С обеспечиваестя при расходе воздуха вентилятором:
V=4*3600/(5*1*1,2)=2400м3/ч
Таким образом, ККБ сплит-кондиционера холодильной мощностью 3кВт при работе «на тепло» прокачивает через себя те же 2,4тыс м3/ч или 3000кг/ч, тем самым способен сконденсировать за 1 час д.
3000*5=15 кг воды, а потом и превратить её в лёд.
То есть каждый час под наружным блоком может образовываться по несколько килограмм льда, которые при отрицательных температурах даже не будут таять.
При конденсации воды из воздуха на каждый килограмм сконденсированной воды выделяется тепло в количестве:.
Еконд =2500/3600=0,7кВт*ч/кг.
Теплота плавления льда около 330кДж/кг, таким образом замерзание конденсата добавляет некоторое количество тепла, а именно:
Еплав=330/3600=0,09 кВт*ч/кг.
Всего от обмерзания ККБ получается выход тепла Елёд= 0,7+0,09=0,79кВт*ч/кг.
А вот при оттаивании ККБ тратится только Еплав=0,09 кВт*ч/кг , да и то не полностью, так как значительная часть льда отваливается твёрдым куском.
То есть при оттайке ККБ плавится не весь намороженный лёд.
Получается, что образование льда на ККБ позволяет в разы снизить проток воздуха через калорифер без падения холодильной мощности.
Так для снятия с ККБ 3кВт тепла нужно сконденсировать всего Мвод=3/0,7=4,3 кг/ч, что даёт нам возможность снизит проток воздуха через калорифер ККБ в =15/4,3=3,5 раза без потери его мощности при интенсивном обмерзании ККБ в период околонулевых температур на улице в межсезонье.
Из этого следует несколько выводов по работе ТНУ в режиме отопления:
1. Для работы зимой в режиме «на тепло» при сильно отрицательных уличных температурах необходимо использовать специальные ККБ, оптимизированные на работу с сильно разреженными газами фреона на всасыванье из уличного калорифера.
2. Внешний калорифер должен быть плоским (без загибов)и его нужно устанавливать плашмя горизонтально на высоких опорах с большим пространством пустоты под ним для сбора большого количества льда при периодическом размораживании калорифера, соппровождаемым падением ледяных пластов вниз под калорифер. То есть ККБ с режимом работы «на тепло» нужно устанавливать высоко над землёй, а не прямо на отмостку около стены дома.(см.рис.21-23)
3. Уличный плоский калорифер должен быть сверху накрыт теплоизолирующим кожухом с низкой теплоёмкостью внутреннего слоя для снижения теплопотерь в режиме оттайки. Термозащитный кожух с низкой теплоёмкостью внутреннего слоя нужен для того, чтобы при оттаивании верхняя часть калорифера не могла интенсивно охлаждаться в сторону кожуха при разогреве калорифера до плюсовой температуры.
4. Продувание калорифера должно осуществляться снизу вверх, с выходом воздуха через вентилятор на кожухе сверху.
Таким образом лёд будет намерзать на калорифере снизу и ему легче всего будет отрываться от калорифера нерастаявшими кусками с наименьшим процентом плавления при оттаивании.
Рис.21. Пример уличного драйкулера с горизонтальным калорифером и вертикальным продуванием снизу вверх. Использованы стандартные настенные осевые вентиляторы с собственной квадратной монтажной пластиной.
Рис.22. Пример уличного драйкулера с горизонтальным калорифером и вертикальным продуванием снизу вверх. Использованы безкорпусные осевые вентиляторы с креплением электродвигателя на собственную защитную сетку..
Рис.23. Фото уличного драйкулера с водяным теплоносителем, горизонтальным калорифером и вертикальным продуванием снизу вверх.
Периферийные системы для ТНУ в режиме отопления.
Обычно специализированные ККБ «на тепло» называют «тепловыми насосами», а их периферийные теплопотребители делают с водяным наполнением в виде «тёплых полов».
Но при трёхкратном росте потребной мощности электродвигателя компрессора, затея с работой «на тепло» при минус -25С на улице уже кажется сильно сомнительной, учитывая ещё значительные потери энергии на периодическое оттаивание наледи на уличном охладителе (ориентировочное время на оттаивание 10 минут в час).
Удел эффективной работы дешёвого сплит- кондиционера «на тепло» — это погода с температурой Тул=+8C , когда обмерзания ещё не наступает, а цикл развёрнутого процесса «на тепло» почти не отличим от работы «на холод» по эффективности (см.рис.24)
Получается, что отопление с помощью ТНУ применимо в тёплых регионах, где практически нет снежной зимы, а есть лишь прохладно-дождливое межсезонье.
К таким регионам в РФ относятся районы северного причерноморья: Краснодарский край, Крым, Сочи, Таганрог, Приазовье.
Рис.24. Специализированный тепловой насос для отопления дома через водяной контур, для чего предусмотрена буферная ёмкость-теплоаккумулятор для воды, способная принять запас тепла при циклической работе компрессора. Фреоновый теплообменник находится непосредственно в объёме бака-теплоаккумулятора. Тем не менее тепловая эффективность при работе на тепло падает от значения СОР=4,16 при Тул=+7С, до значения СОР=3 при Тул=-7С. Показатель эффективности СОР при Тул=-25С вообще не приводят, чтобы не отпугивать потенциальных покупателей.
Работа «тепловых насосов» с водяными контурами.
Если принято решение использовать на отопление специальную компрессорную установку типа «тепловой насос» ( ТНУ), то она будет сильно отличаться от привычных «сплит-кондиционеров».
Основными отличиями будут следующие:
— оконечными устройствами (конденсатор, испаритель) для фреонового контура ТНУ являются теплообменники типа «фреон-вода» в составе самого ТНУ под его общим кожухом.
— периферийные потребители тепла выполняются с отдельным водяным теплоносителем или с водным раствором незамерзающих реагентов (рассол, раствор этиленгликоля или пропиленгликоля, спиртовой раствор), которые прокачивают отдельными дополнительными насосами через теплообменники в ТНУ.
Контур отопления внутри дома
В качестве отопительного прибора с использованием ТНУ обычно применяют систему «тёплый пол» с водяным теплоносителем.
Это позволяет сделать максимально комфортную систему отопления на низкотемпературном теплоносителе с графиком +35/30С, при этом температура фреона в конденсаторе ТНУ будет те же +40С, что и в калорифере фанкойла при работе сплит-системы «на тепло».
В режиме «лето» фанкойл должен находится под потолком, чтобы забирать на охлаждение самый тёплый слой воздуха из верхней зоны помещения.
Использование воздушной системы отопления с ТНУ тоже возможно, но для этого всё равно придётся устраивать отдельные напольные фанкойлы, способные подбирать с пола самый холодный слой воздуха для нагрева на калорифере. (см.рис.25)
Рис. 25. Напольный фанкойл для эффективной работы в режиме обогрева помещения.
В этом состоит основная проблема применения одних и тех же внутренних блоков для воздушного кондиционирования вместе с отоплением в режиме как «зимы», так и «лета».
Для объединения систем отопления и охлаждения под один внутренний фанкойл можно использовать канальные версии фанкойлов, от которых необходимо вести отдельный воздухозаборный короб с большим сечением к полу для режима «зима».(см.рис.26.)
Рис.26. Применение канального потолочного фанкойла как в режиме отопления (слева), так и в режиме охлаждения (справа), для чего от фанкойла сделан воздуховод к полу для подбора наиболее холодного слоя воздуха с пола на нагрев его в фанкойле.
Вывод:
1. Выгоднее делать две независимые системы из дешёвых сплит-систем «на холод» для лета и ТНУ с «тёплым полом» на зиму, учитывая высокую стоимость напольного фанкойла для режима отопления (см.рис.25), который дороже целого полноценного сплит-кондиционера «на холод» (см.рис.27.).
Рис. 27. Пример дешёвого сплит-кондиционера для целей летнего охлаждения.
2. Для отопления с помощью ТНУ разумнее делать независимую систему с тёплыми полами и блоком ТНУ в доме, а на улице для ТНУ устанавливать внешний горизонтальный плоский калорифер с кожухом и с вентилятором. В летнем режиме ТНУ тоже может работать «на холод», охлаждая контур водяных «тёплых полов», нагретых прямыми лучами солнца через окна .
3. При температурах на улице холоднее минус-15С выгоднее выключить воздушный калорифер и ТНУ, а вместо этого включить дублирующий электрокотёл для нагрева тех же водяных «тёплых полов».
Режим охлаждения помещения водяными полами от ТНУ особенно эффективен в сочетании со сплит-кондиционерами, которые сушат воздух в помещении.
В помещениях с большими остеклениями под прямым солнечным светом без охлаждаемых водяных полов добиться теплового комфорта почти невозможно.
Это актуально особенно для континентального климата в РФ, где летняя жара бывает за +40С.
Так в Волгоградской области на лето даже закрывают больничные стационары из-за непереносимой жары и невозможности поставить сплит –кондиционер в палатах, установка которых запрещена в медицинских учреждениях по СанПиН, так как мокрый калорифер сплит-кондиционера- это рассадник внутрибольничных инфекций.
В тоже время «холодные полы» в больницах могут прекрасно охлаждать здание целиком без использования запрещённых фанкойлов, при этом ничуть не нарушая требования СанПиН по ежедневной дезинфекции всех твёрдых поверхностей хлорными растворами.
Уличный контур ТНУ
Для целей отопления дома от ТНУ необходим уличный контур, который будет нагреваться от внешнего источника низкопотенциального тепла.
Такими источниками может быть: воздух, водоёмы, грунт. (см.рис.28)
Рис.28. Различные варианты внешних источников низкопотенциального тепла для работы ТНУ на отопление дом. Интересно, что вертикальный теплообменник в буровой скважине показан непосредственно из подвала дома, что действительно возможно сделать на маленьких участках земли. При большой глубине бурения скважин вполне достижима ситуация сохранения положительных температур уличного хладоносителя, чтобы не замораживался грунт непосредственно под домом.
Воздух
Охлаждать уличный воздух для нагрева контура ТНУ – это самый доступный вариант, так как воздух есть всегда.
Уличный охладитель в зимнее время будет иметь глубоко отрицательную иемпературу, на 5-10С ниже температуры на улице. Это означает, что на поверхности охладителя будет всегда выпадать иней, который со временем превратится в толстую ледяную шубу, препятствующую теплообмену.
С вопросом обмерзания калорифера ККБ при работе «на тепло» уже разобрались ранее, выяснив, что это практически не проблема при исползовании отдельного плоского наружного охладителя с верхним кожухом.
Водоём
При использовании в качестве источника низкопотенциального тепла ближайшего водоёма (река, озеро) проблемы возникают почти те же, что и с воздухом.
Так теплообменник уличного охладителя будет замораживать воду вокруг себя.
Чтобы этого не происходило нужно поддерживать теплообменник на уровне не ниже нуля Цельсия, при этом температура воды в водоёме должна быть положительной, причём на несколько градусов выше нуля.
Таких тёплых незамерзающих водоёмов в средней полосе РФ достаточно мало: так малые пруды и озёра промерзают иногда до дна, а незамерзающих тёплых рек тоже почти не встречается.
Опасность обмерзания затопленного теплообменника ещё в том, что лёд имеет привычку всплывать на поверхность. При этом всплытие льда создаваёт опасность срыва теплообменника с креплений на дне, обрывая при всплытии подводящие трубы с антифризом.
В режиме намораживания льда маленький дом в ИЖС с теплопотерями 36тыс.кВт*ч за отопительный сезон сможет наморозить:
Мльда=36/0,07=514 тонн за отопительный сезон.
Это приблизительно 500м.кв дна водоёма с намороженным слоем льда толщиной 1м.
При разнице плотностей льда и холодной воды в 8% намороженный объём льда будет стремится оторвать теплообменник с силой 514*0,08=40 тонн.
То есть на теплообменник на дне водоёма придётся навесить ещё и балластные грузы из железобетона массой более 80 тонн.
Превышение массы балласта в 2 раза над компенсируемой нагрузкой объясняется потерей веса бетона в воде из-за архимедовой силы, то есть надо вычесть 40 тонн собственного водоизмещения из массы грузов из ЖБ.
80 тонн балластных блоков из гидротехнического бетона тоже стоят не малых денег, что также сказывается на экономической эффективности геотермальных контуров в водоёмах.
Грунт
Грунтовые теплообменники не обмерзают, так как уже закопаны в грунт.
Но и у них наблюдается снижение теплоотдачи по мере выхолаживания грунта от осени к зиме и далее к весне.
К началу весны объём замороженного грунта достигает максимальных значений.
Именно объём весеннего вымороженного грунта определяет возможность отопления с помощью ТНУ в течении отопительного сезона.
Исходя из этого объёма можно рассчитать размер грунтового теплообменника для ТНУ.
Если считать теплоёмкость грунта с=1кДж/кг*С, то на годовое теплопотребление исходного дома 36тыс.кВт*ч (см. предыдущую. статью.) при охлаждении грунта на дТ=10С потребуется охладить массу грунта:
Mг=36000*3600/(1*10)=12 960 000 кг= 13 тыс.тонн
При плотности песка или глины 2000кг/м3 получим объём V=13000/2=6,5 тыс.м3
Получается какое-то гигантское земляное поле, которое за зиму вымораживается.
При этом площадь вымораживаемого поля толщиной 1м никак не влезает в реальные площади загородных участков.
Если предположить вымораживание грунта на 10 м в глубину, то теплообменик может уместиться в 6 соток обычного участка в СНТ (см.рис.29-30). Правда сажать садовые растения на этом промороженном участке будет уже невозможно, а выживет там только тундровая растительность из мхов и ягеля.
Рис.29. Грунтовый теплообменник для отопления с помощью ТНУ небольшого частного дома. Укладка достаточно толстой пластиковой трубы отдельными петлями на глубине 1-1,5м. Глубину укладки трубы можно оценить по масштабу с человеком и домом рядом с котлованом.
Рис.30. Грунтовый теплообменник для отопления с помощью ТНУ. Укладка пластиковой трубы спиральными петлями с перехлёстом труб на глубине более 2м. Глубину укладки трубы можно оценить по масштабу с человеком и тракторами на дне котлована.
Стоимость горизонтального грунтового теплообменника
Теплообменник в грунте может быть выполнен трубой диаметром Ф25х3,5мм из сшитого полиэтилена.
При шаге укладки 0,2м на площадь 600м потребуется
600/0,2=3000м.п.
При цене около 250р/м.п стоимость грунтового теплообменника составит
250*3000=750 тыс.руб.
Если добавить стоимость грунтовых работ в количестве 600м3 по цене от 1500руб/м3 за операцию «отрыть траншею- зарыть траншею», что составит ещё 900тыс.руб.
Ещё надо прибавить стоимость антифриза (спирт-денатурат) объёмом 750 л по 500 руб /л, что составит ещё
750*500=375 тыс руб.
Итоговая стоимость грунтового теплообменника перевалит за 2 млн.руб.
К этому ещё надо добавить стоимость самой ТНУ около 500тыс.руб и коллекторной системы.
С такими первоначальными затратами от 2,5 млн руб. вопрос в целесообразности использования ТНУ с геотермальным или гидротермальным контуром ставится под большое сомнение.
Куда более целесообразным видится более дешёвый вариант с котельной на СУГ и газгольдером в грунте. Цена котельной с газгольдером составит всего около 500 тыс.руб. включая газовый котёл, что даст экономию начальных капитальных затрат в 2млн.руб..
На сэкономленные 2 млн. руб. можно доплачивать за более дорогой СУГ по 100тыс.руб/год следующие 20 лет, а с учётом текущих процентов по вкладам этого депозита на 2 миллиона хватит на весь срок службы дома в 50 лет, и ещё останется на пару замен оборудования котельной.
Скважины для грунтового теплообменника
В качестве альтернативы площадному земляному контуру можно предложить более компактные грунтовые контуры в вертикальных скважинах.(см.рис.31)
Рис.31. Схема устройства вертикального скважинного теплообменника в грунте для получения низкопотенциального тепла при отопление с помощью ТНУ типа «вода-вода».
Так на 10кВт номинальной мощности может потребоваться 6-10 скважин глубиной до 100м, с шагом 6-8 м между скважинами. Такое скважинное поле уже может поместится почти на любом земельном участке для ИЖС по периметру забора. При этом поверхностные слои грунта не будут сильно вымораживаться, так как основной поток тепла будет идти с большой глубины из зоны положительных температур.
Правда, при цене бурения скважины 2800руб/м.п такой вертикальный теплообменный контур из скважин станет воистину «золотым». Только бурение одной скважина обойдётся в 280тыс.руб, а минимальное количество из 6 штук перевалит в цене за 1,5 млн, превышая одними земляными работами стоимость всего горизонтального грунтового теплообменника.
То есть и вертикальный буровой контур не даёт никакой надежды на экономическую выгоду против котельной на СУГ из газгольдера.
Использование артезианских скважин для питания ТНУ
Часто предлагают для внешнего контура ТНУ использовать две артезианские скважины: из одной воду выкачивать насосом, а в другую закачивать эту же уже охлаждённую воду обратно, снимая тепло с воды на протоке через теплообменник ТНУ.(см.рис.32-33)
Рис. 32. Схема применение двух артезианских скважин для получения низкопотенциального тепла для отопления с применением ТНУ.
Рис. 33. Схема изменения уровня грунтовых вод в случае применение двух артезианских скважин для получения низкопотенциального тепла на отопления с применением ТНУ. В зоне нагнетания обратной воды возможен подъём грунтовых вод и заболачивания участка местности вокруг скважины.
Данная схема достаточно дорогая, так как две артезианские скважины с обустройством и глубинным насосом сами уже будут сравнимы с ценой горизонтального или вертикального грунтового теплообменника.
К тому же эта схема ещё и трудна в эксплуатации, так как вода из скважин весьма загрязнена мелкой песчаной и известковой взвесью, которая с завидной регулярностью будет забивать теплообменник ТНУ.
Что связывает городскую ТЭС и бытовой кондиционер?
Глядя на картинку цикла отопления с ТНУ (см.рис.34.) возникают странные ассоциации:
Где-то я это уже видел?
Вспомнил!
Это же структурная схема ТЭС или АЭС!!!!…(см.рис.35-38)
Рис.34. Принципиальная схема системы отопления с ТНУ и водяными периферийными контурами.
Рис.35. Структурная схема ТЭС. Перегрев пара перед турбиной до +540С при давлении 240 атм. На схеме не показаны контуры 2-го перегрева пара.
Рис.36. Схема работы ТЭС на воде с паровой турбиной для привода электрогенератора. Насос- это устройство, создающее очень большой перепад давления между контурами нагрева в котле (высокое давление) и конденсатор отработанного пара (низкое давление). На схеме не показаны контуры 2-го перегрева пара.
Рис.37. Схема работы АЭС типа РБМК с кипящим реактором и с паровой турбиной для привода электрогенератора. Выглядит как схема ТНУ с воздушным испарителем на улице и водяными контуром отопления.
Рис.38. Схема работы АЭС типа ВВЭР с паровой турбиной для привода электрогенератора. Выглядит как схема ТНУ с двумя водяными контурами. На схеме не показаны контуры 2-го перегрева пара на турбине.
Высокий тепловой эффект работы сплит-кондиционера связан с высокой энергий фазового перехода при испарении фреона, которую удаётся снять на небольшом перепаде температуры от конденсатора к испарителю.
Эта же большая энергия конденсации становится проблемой в большой энергетике на ТЭЦ и ТЭС, где такой-же как и у бытового кондиционера паро-конденсационный цикл запущен в обратную сторону с выработкой электричества на паровой турбине.
ТЭС- это тепловая электростанция с паровой турбиной для привода электрогенератора (синхронного электродвигателя).
Только на ТЭС вместо фреона используют воду, которая дешевле фреона в несколько тысяч раз. При этом теплота конденсации водяных паров в 14,5 раз больше, чем у фреона при той же температуре (см.рис.39).
у воды r=2400кДж/кг (при Т=+40С) против r=166 кДж/кг у фреона (при Т= +40С).
2400/166=14,5
Рис.39. Энергетические параметры воды и пара на линии конденсации.
Вот только у цикла ТЭС почему-то КПД всего 32%, что сильно отличается от Кх=3 у бытового кондиционера??
Правда, если вспомнить, что Кх=1/КПД=1/0,32=3,1 то всё вдруг начинает волшебным образом совпадать.
Бытовой сплит-кондиционер для охлаждения- это просто вывернутый в обратную сторону цикл паро-турбинного генератора ТЭС.
Если ТЭС запустить в обратную сторону, то она тоже сможет работать с холодовым коэффициентом Кх=3..5, нагревая котёл до температуры Тк=+300..500С, при этом вытаскивая тепло из бассейна охлаждения со слегка тёплой водичкой при температуре Тв=+40С.
Надо заметить, что у ТЭС без второго перегрева пара на турбине КПД составляет всего 20%.
То есть в развёрнутом цикле ТЭС с одним перегревом пара холодильно-тепловой коэффициент составит уже EER=1/0,2=5, что было бы замечательным показателем эффективности и для фреонового кондиционера.
Специальные водо-водяные ТНУ с турбинными бесклапанными компрессорами непрерывного действия (чиллеры) способны получать EER=6 на графике теплоносителя по холоду +7/12С и по тёплой стороне +30/35С.
Вопрос:
Если вода- это такой эффективный тепло-холодоноситель, то почему воду не используют в кондиционерах вместо фреона?
Ответ:
При нужных для работы кондиционера температурах плотность водяных паров в 5 тысяч раз меньше, чем у фреона. Так при Т=+5С плотность паров воды всего 0,006 кг/м3 против 33кг/м3 у фреона. То есть плотность паров воды при Т=+5С на столько мала, что приведёт к распуханию компрессора до абсолютно нерациональных габаритов.
А вот безкомпрессорные «тепловые трубы» с паро-водяным теплоносителем повсеместно используют внутри ноутбуков для отвода тепла от процессора к периферийному вентилятору (см.рис.40-41). В системе паро-водяного охлаждения высокая теплота парообразования оказывается крайне полезной для снижения габаритов «тепловой трубы».
Рис.40. Разрез и схема «тепловой трубы» с паро-водяным циклом.
Рис.41. Пример применения «тепловой труб» с паро-водяным циклом на охладителе компьютерного процессора.
