ТН грунт-вода на 4 кВт (своими руками)

Всем привет.
Хочу рассказать о своей реализации теплового насоса грунт-вода. Теорию я здесь разводить не буду – только практика. От перечитанной по сотне раз теории меня уже слегка подташнивает.

Задуман ТН мною был больше 10 лет назад перед строительством дома, так как газа в нашей деревне не было. Предварительно я изучал тему ТН в инете (про ФорумХаус тогда еще не знал) и ездил на выставки в Питер по тепловому оборудованию. В ходе раздумий я пришел к следующему выводу: чтобы коэффициент преобразования СОР у ТН был максимальный в течении всего отопительного сезона нужно использовать теплоту земли, как наиболее постоянную величину. Идея с переливом (когда используются 2 скважины) мне не понравилась из-за дороговизны (водоносные слои в нашей деревне залегают на глубине больше 40 м), усиленной водоподготовки (чтобы в теплообменник не летел песок) и мощного насоса (для подъема воды с глубины). Идею ТН воздух-вода я тоже отмел из-за меленького СОР при минусовой температуре и сложной реализации оттаивания наружного теплообменника (что так же снижает СОР). В связи с этим я принял решение закопать часть теплообменника под фундамент при строительстве дома (к сожалению не сфоткал), а часть закопал вокруг дома (фото прилагаю)



В качестве земляного теплообменника я использовал гофрированную нержавейку Ф15 мм (фирмы Lavita). Часть труб была закопана в «голом» виде, а часть в полиэтиленовой оболочке. Пластиковые трубы я использовать не стал, так как посчитал, что мне их нужно раза в 4 больше из-за низкой теплопроводности стенок.
Злопыхателям, которые говорили, что труба сгниет в земле, сразу скажу: в земле за 8-12 лет ничего не сгнило (у нас в деревне глина). Но один контур я все же «потерял». На его концы в процессе строительство попадали всякие химикаты и нержавейка все же проржавела у самого спуска под землю (восстанавливать я его пока не стал).
На одном из контуров я запустил подогрев приточной вентиляции от тепла земли
https://www.forumhouse.ru/threads/540726/

 

Сам тепловой насос я порывался сделать последние лет 5, но пришел к выводу, что пока в доме не запущено отопление, то смысла отвлекаться на ТН нет (так как не будет нагрузки для его работы в виде батарей и теплого пола). И все эти 5 лет я пытался понять как же сделать правильную конструкцию с минимальными затратами и максимальным КПД. Насмотревшись ютюба и начитавшись ФорумХауса я так и не пришел к однозначному ответу. Очень много «налито воды», а практических нюансов сборки очень-очень мало. Кто-то что-то сделал, вроде работает, но технологию ни кто не раскрывает. Поэтому я пошел своим путем.

1) Выбор пластинчатых теплообменников (ПТО).
Почему именно пластинчатых, а не «труба в трубе»? Да чисто из-за экономии пространства и времени. Изначально я выбирал теплообменники на мощность ТН в 7 кВт. После многих консультаций и перелопаченной инфо подобрал на испаритель GPLK 60-30, а на конденсатор GPLK 60-20. Я выбрал ПТО условно максимальной длины, потому что вычитал, что процессы испарения и конденсации при такой конструкции будут максимально стабильны (будут на 100% завершены, в отличие от ПТО более коротких, но более толстых).
Пайка ПТО производилась в водяной ванне (на всякий случай, чтобы не перегреть).

Некоторые ставят последовательно два конденсатора меньшего размера, один из которых используют для горячей воды. Но я подумал, что это не правильно, так как если вода в какой-то момент нагреется до максимальной температуры, а разбора не будет, то на отопление будет работать только второй маленький теплообменник. В результате может сконденсироваться не весь газ и в ТРВ будет попадать воздух. А чтобы отсечь воздух в систему придется дополнительно впаять ресивер после конденсатора. И я пришел к выводу, что если нужно греть воду, то на нее лучше собрать отдельный ТН. Летом у меня вода греется от самодельного солнечного коллектора из то же гофрированной нержавейки https://www.forumhouse.ru/threads/416561/

 

2) Выбор компрессора
В качестве газа я решил использовать R22, как наиболее доступный и однокомпонентный. Меня привлекло то, что в случае утечки однокомпонентный газ можно легко дозаправить, в то время как многокомпонентный нужно сначала весь слить, вакууммировать систему, а затем заправить заново. Если R22 можно заправлять как в жидкой (горловиной вниз) так и в газообразной фазе (горловиной вверх), то многокомпонентный только в жидкой фазе.
Сам компрессор я изначально подобрал и купил Highly SHV33 YC6 на 7 кВт, но когда «отвалился» один земляной контур, то я предположил, что такую мощность точно не вытащу и купил Highly SL 222 CV на 3,7 кВт. Компрессоры этого производителя мне показались с наилучшим соотношением цена/качество и плюс у них есть докипатель, что уменьшает вероятность гидроудара и трудоемкость сборки ТН. Подбирая компрессор по производительности имейте ввиду, что в паспорте у них указана мощность охлаждения. А чтобы узнать ориентировочную мощность нагрева прибавьте к этому значению потребляемую мощность. Но и мощность охлаждения указана при определенных температурах испарения/конденсации. Обычно это +7/+54С. Если вы работаете при другой разнице температур, то и мощность будет отличаться. Чем меньше разница, тем больше СОР. А вообще лучше замерять выделяемую тепловую мощность с помощью теплосчетчика (я пока это не реализовал).

3) Общая конструкция
Прорисовывая общую конструкцию ТН я руководствовался следующими постулатами:
- жидкость должна испаряться вверх, а газ должен конденсироваться вниз;
- все соединения должны иметь минимальное гидравлическое сопротивление;
- жидкостная линия не должна иметь промежуточных расширений по сечению, так как это может привести к преждевременному кипению сжиженного газа.
В результате получилась вот такая конструкция.

Теплообменники вверху, компрессор внизу. Жидкостная линия не имеет возможности завоздушиться. Насосы по воде я тоже поставил внутрь, чтобы удобнее было ими управлять.

 

Общая схема ТН и обвязки приведена далее


Для максимального КПД теплообменников подключать подачу воды и газа надо в противотоке (на встречу друг другу). В испарителе у меня так не получилось из-за общей конструкции, но, думаю, что уменьшение эффективности компенсировалось переразмеренностью испарителя.
ТРВ я выбрал фирмы Danfoss со сменной дюзой на 3,5 кВт. В нем был дополнительный выход для компенсационной линии, но я его заглушил. Хочу обратить особое внимание, что баллон ТРВ (и термодатчик) нельзя крепить к выходу испарителя снизу, так как на него будет влиять перетекающее масло из компрессора. Только сбоку или сверху для корректной работы (на первой фотографии у меня смонтировано не правильно).
Датчики давления, манометры и клапан заправки я впаял на отдельных тройниках. Многие их впаивают прямо в подающие трубы, засверливая в них отверстия, но я решил не добавлять грязь в главный контур. Дополнительные детали стоят копейки, а поменять фильтр после первых пусков будет стоить в десятки раз дороже.
Еще один примененный лайф-хак, которым я пользуюсь уже давно: все медные трубы я покрыл лаком "Plastik 71". Это лак для покрытия печатных плат, но еще им я покрывал компрессорную арматуру холодильников, чтобы не окислялась (описал здесь https://dzen.ru/a/XyHOZhn7fBcYlzeB)

 

4) Электрическая схема
Она может быть разной, но нужно понимать главное: в случае сбоя по питанию в схеме должна отработать задержка пуска компрессора. Из-за разности давлений всасывания-нагнетания в несколько атмосфер компрессор просто не сможет запуститься и в конечном итоге сгорит. Необходимо дать некоторое время, чтобы система пришла в равновесие. Чтобы определить каким должно быть время задержки, после первого пуска выключите компрессор и засеките время, когда разность давлений по манометрам будет меньше 2 атм. На моем ТН это время получилось около 15 минут ну и еще пару я добавил на всякий случай.


По схеме видно, что сначала я включаю оба насоса, а уже от одного из них питание подается на реле задержки, которое включает компрессор. И насосы и компрессор я запитал через твердотельные реле (не люблю щелканья контактов). Так как я инженер-конструктор радиоэлектронной аппаратуры, то я применил в схеме еще одно «ноу-хау» - компрессор включается через NTC-термистор, который ограничивает пусковой ток и тем самым продлевает компрессору жизнь. Данные NTC-термисторы имеют начальное сопротивление 5 Ом, которое после прогрева уменьшается до нуля. Я их включил последовательно-параллельно для увеличения рабочего тока (у одного элемента он составляет 5А).

Рабочая температура термистора около 60С и это надо учесть при конструировании схемы.
Контроллер температуры можно использовать любой. Я применил самодельный на 4 датчика (назвал «МИРТ-1»). Нужно только определиться по какому параметру будете включать-выключать ТН. Мой ТН работает по температуре воздуха в котельной. Еще конечно необходимо установить всякие защиты (я пока не сделал):
- от поломки насосов (чтобы не заморозить испаритель). Можно поставить реле протока, можно работать по датчикам температуры;
- от перегрева подачи компрессора. Правда в нем есть встроенное тепловое реле на температуру свыше 105С, но до этого лучше не доводить.
- от превышения давления всасывания и давления нагнетания. Я поставил сдвоенное реле Danfoss. Но по факту оно оказалось пока бесполезно. Самое интересное, что оно срабатывет в момент простоя, когда газ испаряется от повышения температуры испарителя и его давление поднимается выше 8 атм. (после включения насосов оно снова падает ниже 7 атм.). Для меня проще обойтись термодатчиками, чем делать лишние механические соединения.

 

5) Первая заправка и пуск
Перед заправкой ТН нужно вакууммировать, чтобы убрать воздух и водяные пары. Торопиться при этом не надо! Даже если давление манометра упало на ноль, то вакуумный компрессор выключать не нужно еще минут 30-40. Проскакивание воздуха (влаги) определяется по небольшому бульканью. Как только компрессор начал работать ровно можно закрывать сервисный вентиль. ТН должен постоять минимум сутки и давление не должно упасть даже на десятую долю одного деления. У моего ТН обнаружилась течь внутри конденсатора (ситуацию описал здесь https://www.forumhouse.ru/posts/30480393/). Как я ее устранил – опишу чуть позже.
После вакууммирования я на несколько секунд запустил ТН, чтобы проверить работу компрессора.
Перед заправкой ТН сервисные шланги нужно продуть фреоном, чтобы удалить из них воздух (может этот воздух и ни на что не повлияет, но на всякий случай).

И вот тут возникает главный вопрос: сколько залить фреона? Конденционерщики все работают по массе, указанной на корпусе прибора, а у меня ведь самоделка. Инет то же не дал четкого ответа, а онлайн калькуляторы разнились в показаниях до 0,5 кг. Кто-то заправляет пока в смотровом стекле стабильно не пойдет жидкость, а кто-то пишет, что после этого можно влить еще килограмм фреона. От количества фреона зависит какую тепловую мощность вы получите на выходе, но если переборщить, то ТН будет работать рывками (так как испаритель будет полностью затоплен) и есть риск вывести из строя компрессор. При заправке я решил ориентироваться на перегрев испарителя в 4-6 С. Если кто не в курсе, то перегрев считается как разница между температурой термобаллона ТРВ и температурой кипения фреона (определяется по манометру). Заправлял ТН я по следующему алгоритму:
- запустил газ в ТН пока давление по манометрам не поднялось до примерно 5 атм.;
- включил ТН (водяные насосы были установлены на максимальную скорость);
- наблюдая за смотровым стеклом потихоньку добавлял газ пока в смотровом стекле не пропали пузырьки. Именно потихоньку, так как ТН нужно некоторое время чтобы выйти на режим;
- установившийся перегрев был около 8С;
- потом, открывая несколько раз баллон с газом на несколько секунд, я довел перегрев до 5С. После каждой порции выжидал около 1 мин, чтобы увидеть стабилизацию температуры.
- когда после очередной порции газа перегрев не уменьшился, то я прекратил заправку и отсоединил баллон.
Хочу отметить, что вес залитого газа после пропадания пузырьков составил 1,3 кг, а после установки перегрева увеличился до 1,8 кг. Разница существенная.

 

6) Эксплуатация ТН
В тестовую эксплуатацию я запустил ТН 1 октября 2022 года, подключив его через отдельный счетчик. За октябрь месяц, потребляя 1 кВт*ч (периодами, не постоянно), он накрутил 560 кВт*ч, отапливая мой двухэтажный дом до 26С (примерно 200 м2). Мне результат очень понравился, так как за сентябрь на отопление ушло около 1300 кВт*ч. Конечно считать результат лучше за весь отопительный сезон.
Но если изначально температура подачи воды из земляного контура была +16С (видать земля хорошо прогрелась за лето), то к концу месяца она упала до 8С и пока держится около этого значения. Хватит ли мощности теплового контура на зиму – пока не знаю (идет эксперимент). Температура кипения так же упала с 0С до -6С, но перегрев в 5С сохранился.
На 1 ноября 2022 г. чувствуется, что мощности ТН маловато (на улице +1С). Заданная температура не достигается и ТН работает без остановок.
Есть и неприятный эффект от эксплуатации: ТН значительно шумит. Лучше всего его эксплуатировать в отдельном помещении. Я обклеил корпус шумо- и вибро- изоляциями, обмотал сам компрессор. Уровень шума упал чуть ниже раздражающего (дверей в котельную пока нет), а на втором этаже его теперь совсем не слышно. Выглядит он теперь вот так

Вот собственно и все, что я хотел донести. Машинка довольно простая и я надеюсь, что после прочтения моей статьи у самодельщиков появится второе дыхание.

 

Отдельно хочу остановиться на ремонте пластинчатого теплообменника. Сразу оговорюсь, что это была моя бредовая идея, основанная на многолетнем опыте в других областях. Все специалисты мне сказали, что внутренняя утечка не «лечится» и надо менять теплообменник. Но теплообменник стоит 30 тыс. руб., а эксперимент мне обошелся в 3 тыс. руб. по материалам. Саму ситуацию по поиску утечки я описал здесь https://www.forumhouse.ru/posts/30480393/.
А теперь о технологии ремонта:

1) внутренний контур компрессора должен быть под атмосферным давлением
2) заливаем в «дырявый» водяной контур "Plastik 71" (мой любимый инградиент), как показано на рисунке, чтобы в верхнем уголке стояло «зеркало». Если «зеркало» не стоит значит дырка слишком большая и, скорее всего, ее заделать не удастся. У меня при обнаружении утечки вакуум падал примерно на 2% в час, а «зеркало» стояло при атмосферном давлении в компрессорном контуре.
3) Включаем вакуумный насос и наблюдаем за «зеркалом». Как только оно начинает «падать», выключаем вакуумный насос и убираем вакуум до атмосферного давления (чтобы лак больше не перетекал через дырку).
4) Аккуратно сливаем лак. Первый раз я это сделал не удачно и «поплавил» ЭППС.
5) Заливаем в водяной контур ацетон, даем выстоятся несколько минут и сливаем его (делаем промывку лака).
6) Сутки сушим лак. Можно с тепловентилятором.
7) Повторяем п. 2-6 столько раз, пока в п. 2 «зеркало» не останется на месте при вакууммировании. У меня «зеркало» стояло уже на 3-ю заливку.
8) Вакууммируем ТН, сливаем лак и сушим его без промывки.
9) Смотрим чтобы в течении суток вакуум не упал даже на 1%.
Отремонтированный таким образом конденсатор у меня отработал уже месяц без утечки. КПД такого теплообменника конечно уменьшится из-за лаковой пленки, но в моем случае это не повлияло на работу ТН из-за запаса по площади теплообмена.

 

Офигенно! респект!
на дом, наверное, нужно около 10кВт тепла в холодные дни, будете догревать теплоноситель или добавлять контура?
а так результат отличный! на 1кВт затрачиваемой мощности ещё плюсом 3кВт тепла, я так понимаю?

 

@id394442633,
Верните Линию выравнивания, как того требует инструкция, система будет работать лучше.
И еще, если у вас ПТО не испаритель а конденсатор, то есть, без дистрибьютора то противоток очень важен и там не 1 градус теряется, что видно по вашему кипению +6

 

Примерно так. Надо счетчик тепла ставить по-хорошему...

 

Кипение изначально было в 0С, а теперь минус 6С. Откуда вы +6С нашли?
А остальное можно разжевать "для чайников"? Что, зачем и почему именно так? Честно говоря я уже задолбался такие загадки разгадывать... Давайте взаимодействовать профессионально

 

да перепутал не +6
Кипение в 0 перегрев 5 и куда то делось еще 11 градусов, проток занижен или Трв зажат ?
возвращайте линию в родное место она на Трв не просто так стоит, можете изучить строение Трв с линией выравнивания и без. и к чему приводит закрытие линии.
По Пто если вода идет по потоку, то кипение всегда будет ниже, а если еще Пто не испаритель то еще хуже.

 

вы 11 градусов относительно чего считаете?
Температура воды на входе 8С, на выходе 2С
Температура кипения -6С, температура баллона ТРВ -1С
ТРВ не трогал настройку, вода по направлению с жидкарем в ПТО

 

У меня ее и не было (линии в смысле). Что она даст конкретно в моем случае?

К чему в моем случае?