Тепловой насос своими руками?

002Тепловые насосы (ТН), позволяющие использовать низкопотенциальное тепло окружающей среды, получили широкое распространение за рубежом. Большинство крупных компаний, производителей и разработчиков теплотехнического оборудования уже присутствуют в этом сегменте рынка. Потребителю, в том числе и российскому, предлагаются серийно выпускаемые аппараты, многократно отработанные решения. Сдерживающим фактором для их распространения является необходимость относительно больших первоначальных инвестиций. На интернет-форумах активно обсуждается опыт самостоятельного создания отопительных систем с тепловыми насосами, удешевления тех или иных работ и повышения эффективности теплоснабжения. Мы выбрали отдельные места из этих обсуждений, и попробовали прокомментировать их с позиции профессионального производителя оборудования.

Цена вопроса

Читаем на форуме: Фирмой было предложено поставить ТН и обустроить внешний контур за 1,1 млн руб. Автором самостоятельно приобретены ТН с ГВС производительностью 8 кВт за 93 тыс., пробурены шесть скважин стоимостью 500 руб./м, установлены трубы для теплоносителя, выполнено их соединение с коллектором и ТН. Общая стоимость работ составила 170 тыс. руб. При средней годовой оплате отопления электричеством 75 тыс. руб. все затраты на ТН должны окупиться за три–четыре года.

Средняя удельная стоимость организации «под ключ» геотермального отопления с ТН в доме площадью 200 м2 составляет порядка 5–7 тыс. руб./м2. Теплопотребляющая система оказывает решающее влияние на экономичность отопительной установки с ТН и должна обходиться как можно более низкими температурами прямой сетевой воды. Для отопительных установок с ТН справедливо правило: каждый градус снижения температуры прямой сетевой воды – экономия энергопотребления на 2,5 %. Общие издержки складываются из трех частей: инвестиции, стоимость электроэнергии, побочные расходы. При этом побочными расходами, обычно представляющимися незначительными, пренебрегать не следует: эксплуатационные затраты, трудно прогнозируемые при самостоятельном конструировании системы, могут составить значительную сумму.

Обсудить «Тепловой насос своими руками» на форуме

Технические находки

В качестве основы теплового насоса (ТН) использована обычная сплит-система. Потребляя электрическую мощность 1,3 кВт, получаем 6,5 кВт тепла. Используемый при этом внешний блок кондиционера на зиму помещают в фанерный утепленный ящик вместе с автомобильным радиатором, к которому подается теплоноситель из грунтового контура. Летом и в межсезонье стенки ящика открываются.
В другом случае достижения высокой эффективности был применен ТН из двух контуров в каскаде, с двумя компрессорами. Конденсатор выполнен из стальных емкостей, разделенных на два подконденсатора. В первом («горячем»), объемом 3 л, расположены две медные спирали из трубы длиной 10 м. В «холодный» конденсатор также встроена спираль для принудительного охлаждения компрессоров (рабочая жидкость – тосол). Параметры системы: испаритель – стальной бак (180 л); вода поступает из скважины с температурой 15 °C в объеме 2 м3/ч, сброс ее происходит в другую скважину, находящуюся в 15 м от водозаборной. Общая электрическая мощность, потребляемая всей системой, – 4,2 кВт. Температура хладагента (R22) на входе в «горячий» конденсатор составляет +110 °C, на выходе – +55 °C. При входе в «холодный» конденсатор – +55 °C, при выходе из него – +40 °C.

Реализация самого принципа ТН и приобретение необходимого при этом оборудования не представляют трудностей. Однако согласование параметров отдельных частей, их увязка в единую установку может быть затруднительна даже для специализированной фирмы. Ведь речь идет о проектировании и изготовлении технически сложного оборудования. Поэтому удачная (эффективная) работа самостоятельно изготовленного ТН относится больше к области везения, чем точного инженерного расчета: никто не может дать гарантии, что такой аппарат будет хорошо функционировать с пятой, десятой или сотой попытки модернизации.

Первичный контур

Самостоятельное бурение и обустройство глубоких скважин, требующее применения спецтехники, может вызвать немало проблем уже на начальной стадии: «три дня бурили, два дня чинили машину, день разгребали кучи глины, сделали четыре зонда по 25 м. Стоимость скважин – 650 руб./м». Для зонда применены трубы из ПНД, рассчитанные на давление 6 бар. Опускаемые в скважину трубы (их может быть две или четыре, в зависимости от диаметра скважины) соединены U-образным наконечником. При этом в зимних условиях для предотвращения разрушения при монтаже такие трубы были предварительно подогреты в помещении. Можно добиться большей экономии, выполнив наружный контур самостоятельно, но без бурения глубоких скважин. Варианты его расположения: под домом или снаружи, в земле.

В ТН с вертикальными зондами теплообменная система устанавливается в скважинах глубиной от 20 до 100 м. В среднем двойной U-образный зонд с каждого метра длины дает примерно 55 Вт тепловой мощности. Точное значение зависит от геологических и гидрогеологических условий, которые, как правило, неизвестны монтажнику отопления. Поэтому проектирование и бурение скважин должно быть поручено опытной и сертифицированной на проведение соответствующих работ компании. Грунтовые воды в качестве источника тепла обычно подходят для реализации моновалентного режима работы теплового насоса. Из соображений экономичности грунтовые воды для тепловых насосов типа «вода–вода» мощностью до 30 кВт не должны поступать с глубины более 15 м.

Борьба за эффективность

lamp-green-heatpump-solarsystemПри самостоятельном конструировании отопительной системы с ТН можно повысить ее эффективность, модернизировав отдельные части. Предлагается, например, отказаться от обычного теплоаккумулятора, заменив его бетонной стяжкой, и избежать нежелательных колебаний температуры на подаче установкой смесительного (демпферного) бака. Для управления самодельным ТН типа «воздух–вода» используют автоматику обычной сплит-системы.
Рассматриваются также возможности получать дополнительное тепло, экспериментируя с хладагентом, применяя компрессоры с «плавающей» производительностью, электронные терморегулирующие вентили, комбинированные теплообменники, а также за счет установки в цепи испарителя солнечного коллектора, рекуператора вытяжки и тепла сточных вод, кухонного «зонта» и т.п.

Обусловленные конструкцией параметры теплообменника должны обязательно быть согласованы с другими параметрами ТН. Это расчетные характеристики, самостоятельный экспериментальный подбор которых проблематичен. При этом, оперируя понятиями «не тянет» и «работает, но неэффективно», очень сложно попасть в область оптимальных параметров.
В отопительных системах с ТН, где исчезновение напряжения может быть не обнаружено своевременно, необходимо предусмотреть защиту от замораживания. А буферный накопитель сетевой воды необходим для увеличения времени выбега теплового насоса при незначительном теплопотреблении. Воздушно-водяным насосам он обязателен для того, чтобы обеспечить минимальный 10-минутный выбег в режиме оттаивания. Эксперименты с хладагентами нежелательны: в лучшем случае не удастся достичь намеченных целей, в худшем, например, при использовании пропана, все может закончиться аварией.

Есть опасения…

При работе грунтового теплового насоса зона земляного контура будет сильно охлаждаться и, в конце концов, на участке получишь маленький «ледниковый период». Избежать этого можно, закапывая контур глубже, чтобы происходила равномерная компенсация тепла, отданного землей, или достичь мощных подземных водоносных слоев. Не допустить появления «вечной мерзлоты» возможно также путем создания одной или двух расположенных на воздухе петель внешнего контура вдоль забора и соединенных на лето с находящейся в земле частью (для «подзарядки» грунта теплом). Предлагается и другой вариант расположения скважин – на дороге около участка, а воздушная часть внешнего контура закольцовывается со скважинами.

 Действительно, ошибки при определении максимально возможного теплосъема и конструировании внешнего контура приводят не только к неудовлетворительной работе ТН, но могут вызвать сильное и глубокое промерзание грунта. Так называемая зебра (полосы зеленой травы, чередующиеся с голой, глубоко промерзшей землей) иногда формируется над петлями проложенного с нарушениями необходимых требований горизонтального земляного контура. Температура грунта в метре от поверхности может достигать точки замерзания и без утилизации грунтового тепла, на глубине 2 м минимальная температура составляет примерно 5 °C. С увеличением глубины она возрастает, однако уменьшается и тепловой поток от поверхности грунта. При этом уже не гарантируется оттаивание земли весной. Минимальная глубина прокладки горизонтального контура должна составлять 1,2, максимальная – 1,5 м.
Самостоятельное конструирование первичного контура или следование аналогам без привязки к конкретным параметрам скважины водоносного горизонта, реки, озера (для ТН «вода–вода»), почвы, может привести к серьезным нарушениям в работе системы теплоснабжения.

Т. Сергеев
Журнал «Аква-Терм» №5 (63), 2011