Самодельный тепловой насос

Предлагаем вашему вниманию интересную информацию о самостоятельном изготовлении теплового насоса для системы отопления котеджа. А также выражаем благодарность автору данной статьи.

По материалам forumhouse.ru

Предыстория

Имелся только построенный дом на 2,5 этажа. Площадь:

1 этаж 64 м2,
2 этаж 94 м2,
2,5 этаж 55 м2,
гараж 30 м2.

С самого начала был куплен б/у газогенерационный котел на дровах мощностью 40 кВт. Но как подошло время инсталляции, меня совсем перестала радовать перспектива заготовки дров, извечная борьба с мусором, да и по натуре, я больше дервишь, могу запросто пару дней дома не появляться.

И тогда я склонился к сжиженному газу. Замечу, что труба природного газа низкого давления проходит в 1,5 км от дома. Но плотность заселения у нас маленькая, и тянуть трубу ради меня одного + проект + инсталляция просто ввергает меня в ужас.

Ставить бочку на несколько кубов на участке я тоже не могу. Не хочется портить внешний вид. Решил установить пару шкафов с батареей 8-ми литровых пропановых баллонов из 6 штук в каждом.

Газовый оператор уверял, что сами приезжают, сами меняют, вы лишь только нам позвоните. К неудобствам относил лишь головную боль раз в три недели, а также возможность несанкционированного заезда газовой машины на мою бедующую брусчато-легковую стоянку, качения-волочения баллонов по ней же. В общем человеческий фактор. Но проблему разрешил случай.

Идея теплового насоса

Идею теплового насоса вынашивал давно. Но камнем преткновения было однофазное электричество и допотопный счётчик на 20 ампер максимальной нагрузки. Поменять эклектическое питание на трёхфазное или прибавить мощность в нашем районе пока нет. Но неожиданно мне планово поменяли счётчик на новый, 40-ка амперный.
Прикинув, решил, что этого хватит на частичный обогрев (2,5 этаж я не планировал использовать зимой), взялся зондировать рынок тепловых насосов. Запрошенные в одной фирме цены (однофазные тепловые насосы на 12 киловатт) заставили задуматься:

• Thermia Diplomat TWS 12 к.в.ч. 6797 евро
• Thermia Duo 12 к.в.ч. 5974 евро

Требовалось не менее 45 ампер на пусковой ток.

К тому же, так как планировалось брать теплосъём со скважинной воды, не было уверенности в дебете моей скважины. Чтобы не рисковать такой суммой решил собрать тепловой насос сам, благо какие-то навыки были из жизни. Работал в бытность менеджером по распространению вентиляционно-кондиционерного оборудования.

Концепция

Решил делать тепловой насос из двух однофазных компрессоров по 24000 БТУ (7 кВт.ч. по холоду). Так получался каскад общей тепловой мощностью 16−18 киловат при потреблении электричества при СОP3 около 4−4,5 киловатт/час. Выбор двух компрессоров был обусловлен меньшими стартовыми токами, так как их запуски думано не синхронизировать. А также поэтапность ввода в эксплуатацию. Пока обжит только второй этаж и хватит одного компрессора. Да и, поэкспериментировав на одном, потом будет смелее доделать вторую секцию.

Отказался от использования пластинчатых теплообменников. Во первых, из соображения экономии, не хотелось выкладывать за Данфос по 389 евро за штуку. А во вторых, совместить теплообменник с ёмкостью теплоакомулятора, то есть, увеличив инерционность системы, убив тем самым двух зайцев. Да и не хотелось делать водоподготовку для нежных пластинчатых теплообменников, снижая тем самым КПД. А вода у меня плохая, с железом.

Первый этаж уже оснащён обвязкой тёплого пола с примерным шагом 15 см.

Второй этаж радиаторы (слава Богу, хватило скупости поставить их с 1,5 тепловым запасом ранее). Забор теплоносителя из скважины (12,5 м. Установлена на первый слой доломита. +5,9 замер на 03.2008). Утилизация отработанной воды в общедомовую канализацию (двух камерный отстойник + инфильтрационный грунтовый поглотитель). Принудительная циркуляция в контурах теплосъема.

Вот, принципиальная схема:

1. Компрессор (пока один).
2. Конденсатор.
3. Испаритель.
4. Терморегулирующий клапан (ТРВ)

От других устройств безопасности решено отказаться (фильтр-осушитель, смотровое окно, пресостат, ресивер). Но если кто видит смысл их использования, буду рад услышать советы!

Для расчёта системы скачал из интернета программу расчёта CoolPack 1,46.

И неплохую программку по подбору компрессоров Copeland.

Компрессор

Удалось закупить у старого знакомого холодильщика, мало б/у-шный компрессор от 7 киловатной сплит системы какого-то корейского кондиционера. Достался практически даром, да и не соврал, масло оказалось внутри совсем прозрачным, поработал всего сезон и был демонтирован в связи изменением концепции помещения заказчиком.

Компрессор оказался на мощность 25500 Бту, а это около 7,5 к.в. по холоду и около 9−9,5 по теплу. Что обрадовало, в корейском сплите стоял добротный компрессор американской фирмы Текумсет.

Компрессор на R22 фреоне, а это значит чуть больший коэффициент полезного действия. Температура кипения −10с, конденсации +55с.

Ляпсус номер 1: по старой памяти думал, что на бытовых сплит системах ставятся только компрессоры Скрол типа (спиральные). Мой же оказался поршневым… (Выглядит чуть овальным и внутри болтается обмотка двигателя). Плохо, но не смертельно. К его минусам на четверть меньший ресурс, на четверть меньший коэффициент полезного действия, на четверть более шумный. Но ничего, опыт сын ошибок трудных.

Важно: Фреон R22 по Монреальскому протоколу полностью будет выведен из эксплуатации к 2030 году. С 2001 года запрещён ввод в эксплуатацию ввод новых установок (но я ввожу не новую, а модернизировал старую). С 2010 года использование R22-го фреона только бывшего в эксплуатации. Но в любой момент можно перевести систему с R22 на его заменитель R422. И не испытывать затруднений далее.

Закрепил компрессор на стене кронштейнами L-300мм. Если буду потом монтировать второй, удлиняю имеющиеся с помощью U-профиля.

Конденсатор

У знакомого сварщика удачно приобрёл бак из нержавейки примерно на 120 литров.

Кстати, все сварные манипуляции с баком безвозмездно произвел уважаемый сварщик. Но просил упомянуть и его скромную роль для истории!

Было решено разрезать его на две части вставить змеевик из медной трубы фреоновода, и сварить его обратно. Заодно и вварить несколько технических дюймово-резьбовых соединений.

Формула расчёты площади поверхности трубы медного змеевика:

M2 = kW/0,8 x ∆t

Где,

M2 — площадь трубы змеевика в квадратных метрах.
kW — Мощность тепловыделения системой (с компрессором) в киловатах.
0,8 — коофициент теплопроводности меди/воды при условии противотока сред.
∆t — разность температуры воды на входе и выходе системы (см. Схему). У меня это 35с-30с= +5 градусов Цельсия.

Так получается около 2 квадратных метров площади теплообмена змеевика. Я чуть уменьшил, так как температура на входе фреона около +82с градуса, на этом чуть можно сэкономить. Но как писал ранее Дед Морос, не более чем в размере 25% от размера испарителя!

Смоделированная системы в CoolPack показала Cop 2,44 на штатных диаметрах труб теплообменника. И Cop 2,99 при диаметре на шаг выше. А это мне и на руку, так как в будущем рассчитываю присоединить и второй компрессор на эту ветку. Решил использовать медную трубу ½’ дюйма (или 12,7 мм наружного диаметра), холодильную. Но, думаю, можно и обычную сантехническую, не так там и много грязи внутри будет.

Ляпсус номер 2: использовал трубу со стенкой 0,8 мм. На деле она оказалась очень нежной, чуть передавил и уже она заминается. Сложно работать, тем более без особых навыков. Поэтому рекомендую брать трубу 1мм или 1,2 мм стенки. Так и по долговечности будет дольше.

Важно: фреоновод змеевика входит в конденсатор сверху, выходит снизу. Так конденсируя жидкий фреон будет скапливаться внизу и уходит без пузырьков.

Взяв, таким образом, 35 метров трубы свернул её в змеевик, намотав на удобный цилиндрический предмет (баллон).

По краям зафиксировал витки двумя алюминиевыми рейками для прочности и равношаговости петель.

Концы вывел наружу с помощью сантехнических переходов на медную тубу на скрутку. Чуть рассверлит их с диаметра 12 на 12,7мм, и вместо обжимного кольца после сборки намотал льна на герметике и зажал контргайкой.

Испаритель

Для испарителя не требовалось высокой температуры, и я выбрал пластмассовую ёмкость типа бочки на 127 литров с широкой горловиной.

Важно: Идеально подошла бы бочка на 65 литров. Но побоялся, труба ¾ очень плохо гнётся, поэтому взял размер побольше. Если у кого другие размеры или есть хороший трубогиб и навыки работы, то можно рискнуть и на этот размер. С бочкой 127 литров размеры моего теплового насоса повысили ожидаемые габариты на 15 см вверх, 5 см в глубину и 10 см в ширину .

Рассчитал и изготовил испаритель по такому же принципу как и у конденсатора. Понадобилось 25 метров трубы ¾’ дюйма (19,2мм наружный) со стенкой 1,2мм. Как рёбра жёсткости использовал отрезки UD профиля для монтажа регипса. Скрутил обычной медной электротехнической проволокой без изоляции.

Важно: Испаритель затопленного типа. То есть жидкая фаза фреона заходит в охлаждаемую воду снизу, испаряется и в газообразном состоянии поднимается вверх к компрессору. Так лучше для теплопередачи.

Переходы можно взять пластмассовые от питьевой трубы PE 20*¾’ с наружной резьбой, свинтив из с бочкой контргайками и уплотнением из льна и герметика. Подачу и сток воды сделал из обычных канализационных труб и резиновых уплотняющих манжет вставленных враспор.

Испаритель также был установлен на кронштейны L-400мм.

ТРВ

Приобрёл ТРВ (термо регулирующий вентиль) фирмы Honeywell (бывшая FLICA). На мою мощность потребовалась дюза к нему 3мм. И наличие выравнивателя давления.

Важно: ТРВ во время пайки нельзя перегреть выше +100с! Поэтому обматал его тряпочкой пропитанной водой для охлаждения. Прошу не ужасаться, после налёт почистил мелкой наждачной.

Припаял трубку линии выравнивания как положено к инструкции по монтажу ТРВ.

Сборка

Прикупил комплект для жёсткой пайки Rotenberg. И электроды 3 штуки с 0% содержания серебра и 1 штуку с 40% содержания серебра для пайки в стороне компрессора (вибростойкий). С их помощью собрал всю систему.

Важно: Берите сразу баллон Максигаз 400 (жёлтый баллон)! Он не многим дороже Мультигаза 300 (красный), но производитель обещает до +2200с пламени. Но и этого недостаточно для ¾’ трубы. Паялось из рук вон плохо. Приходилось изловчаться, использовать тепловой экран, и т.д. В идеале конечно иметь кислородную горелку.

Да, и надо впаять в систему заправочный пипсик с ниппелем для подсоединения шланга. Не помню с головы его точное название.

Его впаял на входе в компрессор. Рядом же видна и входная труба выравнивателя ТРВ. Она впаивается после испарителя, термобаллона ТРВ, но до компрессора.

Важно: Заправочный пипсик паяем предварительно вывернув из него ниппель. Ни то от жары уплотнитель ниппеля однозначно выйдет из строя.

Редукционные тройники не использовал, так как боялся уменьшения надёжности от дополнительных паечных швов вблизи компрессора. Да и давление в этом месте не большое.

Заправка фреоном

Собранную, но не заполненную водой систему надо вакуумировать. Лучше использовать вакуумный насос, если нет, то умельцы приспосабливают обычный компрессор от старого холодильника. Можно и просто, продуть-продавить систему фреоном выдавив воздух, но я вам этого не говорил, потому что так делать нельзя!

Баллон фреона самой небольшой ёмкости. Для системы вообще не нужно будет более 2 кг. фреона. Но чем богаты.

Также я приобрёл манометр для замера давления. Но не специальный фреоновый за 10 у.е., а обычный для насосной станции за 3,5 у.е. По нему и ориентировался при заполнении.

Заправил систему, на сколько возможно с помощью внутреннего давления фреона в баллоне. Дал постоять пару дней, давление не упало. Значит, утечки нет. Дополнительно промазал все соединения мыльной пеной, не пузырило.

Важно: Так как в моём случае заправочный ниппель впаян сразу перед компрессором (в дальнейшем будет замеряться давление в этом месте при настройке) ни в коем случае не заправлять систему с работающим компрессором жидким фреоном. Компрессор наверняка выйдет из строя. Только газообразной фазой — баллоном вверх!

Автоматика

Необходимо однофазное пусковое реле, и при этом, на очень приличный пусковой ток около 40 А! Автоматический предохранитель С группы на 16А. Электрический щиток с DIN рейкой.

Также установил два реле температуры с копелярными термодатчиками. Один поставил на воду на выходе из конденсатора. Выставил примерно на 40 градусов, чтобы отключал систему при достижении водой этой температуры. И на выход воды из испарителя на 0 градусов, чтобы аварийно отключал систему и не разморозил её случаем.

В будущем думаю приобрести простейший контроллер, который учитывает эти две температуры. Но кроме внешнего вида и наглядности пользования у него есть и недостаток — запрограмированные значения сбиваются при даже кратковременном перебои электроснабжения. Пока в раздумьях.

Запуск (пробный)

Перед запуском напумповал в систему примерно 6 бар давления из баллона. Больше не получалось, да и незачем. Кинул временный провод, подсоединил пусковой конденсатор. Наполнил ёмкости водой предварительно. Они постояли с сутки, наполненные и потому, на момент запуска имели комнатную температуру около +15с.

Торжественно включил автомат. Его сразу же выбило. Ещё, то же самое. В этот небольшой промежуток слышно как двигатель гудит, но не запускается. Перебросил клеммы на конденсаторе (их почему-то три). Включил снова автомат. Приятный рокот работающего компрессора приласкал мой слух!

Давление на всасывании сразу упало до 2 бар. Открыл баллон с фреоном, чтобы система заполнялась. По табличке рассчитал необходимое давление кипения фреона.

Для моих необходимых на входе +6 и выходе воды +1, требуется температура кипения −4с. Фреон кипит при такой температуре при давлении 4,3 кг.см. (бар) (атмосфер). Таблицу можно найти и в интернете.

Как не пытался выставить точное это давление, ничего не получалось. Система пока ещё не выведена на рабочий режим температур. Потому преждевременные регулировки лишь примерны.

Через минут пять подача достигла примерно +80 градусов. Пока не изолированная труба испарения покрылась лёгким инеем. Вода в конденсаторе через минут десять на ощупь уже нагрелась до +30 — +35. Вода в испарителе приблизилась к 0с. Чтобы чего не разморозить отключил систему.

Резюме

Пробный запуск показал полную работоспособность системы. Аномалий не замечено. Потребуется дальнейшие регулировки ТРВ и давления фреона после подключения контура отопления и охлаждения скважинной водой. Поэтому продолжение фоторепортажа и отчёта примерно через две-три недели, когда разберусь с этой частью работы.

К тому моменту, думаю:

1. Подсоединить контур обогрева помещений и контур теплообмена скважинной водой.
2. Произвести полный цикл пусконаладочных работ.
3. Изготовить какой-то корпус.
4. Сделать выводы и дать небольшое резюме.

Важно: тепловой насос получился не такой уж маленький по размерам. Применив за место ёмкостных теплообменников пластинчатые, можно очень сильно сэкономить пространство.

Затраты на изготовление теплового насоса примерной мощностью 9 киловатт/час по теплу:

Конденсатор:

Бак нержавейка 100 литров — 25 у.е.
Электроды нержавейка — 6 у.е.
Муфты нержавейка — 5 у.е.
Услуги сварщика (обед) — 5 у.е.
Медная труба 12,7 (½»)*0,8мм. 35 метров — 105 у.е.
Медная труба 10*1 мм. 1 метр — 3 у.е.
Переходы на медь (комплект) — 3 у.е.
Отвоздушиватель Ду 15 — 5 у.е.
Предохранительный клапан 2,5 бар — 4 у.е.
Кран сливной Ду 15 — 2 у.е.

Итого: 163 у.е. (к сравнению, пластинчатый теплообменник Данфос 389 у.е)

Испаритель:

Бочка пласм. 120 литров — 12 у.е.
Медная труба 19.2 (¾»)*1.2мм. 25 метров — 130 у.е.
Медная труба 6*1мм. 1 метр — 2 у.е.
Терморегулирующий вентиль Honeywell (дюза 3мм.) — 42 у.е.
Кронштейны L-400 2 штуки — 9 у.е.
Кран сливной Ду 15 — 2 у.е
Переходы на медь (комплект) — 3 у.е.
РВС труба 50−1м. 2 штуки — 4 у.е.
Резиновые переходы 75*50 2 штуки — 2 у.е.

Итого: 206 у.е. (к сравнению, пластинчатый теплообменник Данфос 389 у.е)

Компрессор:

Компрессор мало б/у 7,2 к.в. (25500 бту) — 30 у.е.
Кронштейны L-300 2 штуки — 8 у.е.
Фреон R22 2 кг. — 8 у.е.
Комплект монтажный — 4 у.е.

Итого: 50 у.е.

Монтажный комплект:

Паяльная лампа ROTENBERG (комплект) — 20 у.е.
Электроды жёсткой пайки (40% серебра) 3 штуки — 3,5 у.е.
Электроды жёсткой пайки (0% серебра) 3 штуки — 0,5 у.е.
Манометр для фреона 7 бар — 4 у.е.
Шланг заправочный — 7 у.е.

Итого: 35 у.е.

Автоматика:

Реле пускателя однофазное 20 А — 10 у.е.
Щиток электрический встраиваемый — 8 у.е.
Предохранитель однофазный С16 А — 4 у.е.

Итого: 22 у.е.

Итого в целом 476 у.е.

Важно: Потребуются на следующем этапе ещё циркуляционные насосы Calpada 25/60−180 −60 у.е. и Calpeda 32/60−180 — 78 у.е. Они хоть и будут вынесены за приделы моего котла, но обычно относятся к самому котлу.