Фреоновый теплый пол, или прямая конденсация при отоплении тепловыми насосами

Возможно, первая мысль читающего: как может быть фреон теплым, если он используется для охлаждения в системах кондиционирования офисов и квартир? Фреон же это холод, а не тепло?!

Возможно, именно этот вопрос  подтолкнет читающего прочитать статью до конца.

Давно уже назревает эта тема для обсуждения вот наконец-то, пришло время, чтобы собрать имеющуюся информацию на этот счёт в одну статью, которая, возможно, будет началом большой дискуссии по этому поводу.

Причины такого развития мысли является мечта о наиболее эффективном тепловом насосе для системы отопления.

Не секрет, что основные пути направления совершенствования теплового насоса и холодильной машины в целом, является уменьшение разницы между температурами холодный и горячий стороны. Это разница температур определяет нагрузку на компрессор насос в целом. По аналогии с водяным насосом, основным решением для меньшего энергопотребления водяного насоса является то, что воду для перекачивания нужно брать "неглубоко и поднимать не высоко". И тогда, при меньшем энергопотреблении можно перекачать большее количество объема воды.

В тепловом насосе процессы похожи, именно поэтому за этими холодильными машинами закрепилось слово насос. Только в тепловом насосе перекачивается не вода, а тепло, а количественной характеристикой глубины или высоты подъема тепла является температура.

Для того, чтобы "уменьшить глубину подъема" или поднять температуру низкопотенциального тепла Земли был придуман и успешно реализован в конечное инженерное решение для повсеместного применения ДХ контур прямого испарения. Такое решение позволяет повысить температуру низкопотенциального тепла на 5 градусов, Что означает повышение эффективности и снижение энергопотребления на 25% в сравнении с традиционными тепловыми насосами использующие посредников в виде теплоносителя в системе. С учетом отсутствия в такой системе циркуляционного насоса на контуре низкопотенциального тепла и, соответственно его энергопотребления можно говорить об эффективности такого решения в сравнении с традиционными более чем на 30%. DX тепловые насосы хорошо зарекомендовали себя в процессе эксплуатации как очень надежные и эффективные теплопреобразователи геотермального тепла Земли.

В этой связи, логическим продолжением, совершенствования преобразователей низкопотенциального тепла в высоко потенциальный нагрев дома, могло бы служить применение прямой конденсации паров фреона в тёплых полах (и других системах для нагрева дома). Конечно такое совершенствование тепловых насосов возможно только при отказе от традиционных систем отопления, основанных на использовании промежуточных теплоносителей.

В данной статье предлагается оценить возможные перспективы использование таких систем с целью обогревания тёплых полов. Поэтому предлагается оценить возможные выгоды от принятия такого решения и, соответственно определить экономическую целесообразность применения.

1. Первая выгода от такого рода совершенствования, как уже ранее показывалось на примере применяемых ДХ контуров, состоит в повышении эффективности порядка 30% и более, в сравнении с аналогичными решениями на основе использования промежуточных теплоносителей. Рост эффективности при применении данных систем объясняется не только снижением температуры нагрева паров фреона, но и увеличенным переохлаждением жидкого фреона, сконденсировавшегося предварительно во фреоновых тёплых полах. В сумме - это может привести к увеличению в плоть до 100% к COP без использования пользования вспомогательного оборудования.
2. Вторая выгода,- это отсутствие энергозатрат на перекачку теплоносителей в принципе. Что является следствием отсутствия необходимости использования циркуляционных насосов в принципе, при этом вместе с убиранием их из системы отопления убираются и энергозатраты на их работу.
3. Выгода, - это уменьшение стоимости затрат на отопление "под ключ". Низкая себестоимость теплового насоса при отсутствии необходимости в установке дополнительных комплектующих: таких как теплообменники, расширительные, баки, циркуляционные насосы, группы безопасности, распределительные коллекторы а также другие приборы и автоматика.
4. Преимущество,- неограниченная высота и расстояние от места размещения теплового насоса до нагреваемого объекта. Разница давлений, которую создает компрессор теплового насоса в процессе работы и которая необходима для осуществления фазовых переходов фреона составляет от 10 бар и выше. Это сравнимо с высотой водяного столба 100 м!!. Циркуляционных насосов способных создавать столь высокое давление и прокачивать при этом достаточное количество теплоносителя, да еще и без потребления электроэнергии не существует и существовать не может в принципе.
5. Считается, что вода является одним из самых теплоемких веществ. Нагрев воды требует больших затрат энергии и, соответственно, столь же долго происходит отдача тепла. Это свойство дает инерционность системе отопления, что является безусловным плюсом к применению теплых полов, в дополнении к более комфортному распределению тепла снизу вверх. Однако давайте посмотрим на цифры. Нагрев или остужение 1кубометра прогоняемого объема воды за час на 1°C это приблизительно 1,16 кВт*час, а количество тепла выделяемое при конденсации такой же массы водяного пара (т.е при превращении водяных паров в воду, а равно как и наоборот) это около 638,89 кВт*час сконденсировавшихся при температуре 100°C!. Видно, что теплоотдача от воды, меняющей свое агрегатное состояние значительно выше, чем просто от остывающей. Но использование этого тепла затруднительно, так как при атмосферном давлении конденсация воды идет при 100°C, что для теплого пола или для другой систему отопления конечно же чрезмерно. А чтобы заставить пар превращаться в воду при температуре 30..35°C равномерно и по всей поверхности, потребуется вакуумное давление внутри, что является технически ненадежным решением  Если сравнивать те же объемы с конденсацией паров, наиболее распространенного фреона R410a, то тепловыделение от конденсации составит порядка 66,67кВт*час и более при температурах пригодных для использования в теплых полах и это при легко выполнимых технически давлениях. В результате для переноса равного количества тепла при использовании фреона требуется приблизительно в 8 раз меньшая циркуляция, чем необходимая для традиционных водяных полов.
6. Интересная выгода,- это саморегулируемость температуры фреонового тёплого пола. Дело в том, что основная часть тепла,- это тепло выделяемое при переходе фреона из парообразного в жидкое состояние. Можно самостоятельно убедиться в этом если на крышку кастрюли положить маленький кусочек льда вода под крышкой будет предпочитать конденсироваться в месте, где сверху лежит лед. В этом месте пар будет более активно конденсироваться стремясь выровнять при этом температуру по всей крышке кастрюли.
7. Преимущество,- это надежность, основная прежде всего на простоте конструкции. Убирание из конструкции узлов, требуемых для перекачки балансировки а также контроля требуемого для безаварийной работы гарантирует то, что они не сломаются. Неоспорим тот факт, что не ломается то, чего нет. Поэтому, чем меньше звеньев в системе, тем меньше вероятность выхода из строя всей системы по причине поломки её комплектующих.
8. Это возможность использования при фактически любых температурах. Фреон не может замерзнуть, поэтому подходит для дач с непостоянным проживанием. При этом в отличии от незамерзающих теплоносителей, фреон не изменяет свойства в зависимости от времени эксплуатации и, имеет неограниченный срок службы.

К основным недостаткам следует отнести сложности регулировки температур отдельно по комнатам или этажам, а также необходимость использования медных труб в теплых полах. Которые дороже по цене, однако безусловно являются наиболее надежными. Одним из вариантов удешевления при дальнейшем совершенствовании возможно будет применение алюминиевых труб в защитной оболочке, или даже со временем и развитием технологий на смену придут пластмассовые полимерные материалы. Просьба читающим, смелее оставлять свои мысли и вопросы под статьей.