Aquí descubrirás:
- Cómo funcionan las bombas de calor aire-agua
- Especificidad de aplicación y trabajo.
- Ventajas y desventajas de las bombas de calor con fuente de aire
- Los 5 principales beneficios para los propietarios de plantas
- Cómo elegir una bomba de calor aire-agua
- Algoritmo para ensamblar una unidad casera.
- Características del mantenimiento de la unidad
La bomba de calor aire-agua se utiliza para calentar locales domésticos e industriales en las regiones del sur y el centro de Rusia. Puede comprar un dispositivo de este tipo o hacerlo usted mismo, por ejemplo, con un acondicionador de aire.
¿Qué necesitas saber?
Se puede decir que, dado que las bombas de calor son tan eficientes, ¿por qué se utilizan tan mal? Todo el punto radica en el alto costo del equipo y la instalación. Es por esta sencilla razón que muchos rechazan esta solución y eligen, por ejemplo, calderas eléctricas o de carbón. Sin embargo, no vale la pena descartar esta opción por muchas razones, que definitivamente mencionaremos en este artículo. Las bombas de calor, una vez instaladas, se vuelven muy económicas ya que utilizan la energía del suelo. La bomba de la fuente de tierra es un 3 en 1. Combina no solo una caldera de calefacción y un sistema de ACS, sino también un acondicionador de aire. Echemos un vistazo más de cerca a este equipo y consideremos todas sus fortalezas y debilidades.
Principio de funcionamiento
Para aquellos que no comprenden bien el tema, vale la pena explicar qué es una bomba de calor aire-agua. De hecho, es un "refrigerador inverso", un dispositivo que enfría el aire exterior y calienta el agua en el tanque. Entonces esta agua se puede utilizar para el suministro de agua caliente o para calentar la casa.
Disposición interna de una bomba de calor aire-agua de forma esquemática
La bomba de calor utiliza un ciclo cerrado y solo consume electricidad. Su eficiencia se mide como la relación entre la energía eléctrica consumida y la energía térmica recibida. La eficiencia de las bombas de calor también se mide en COP (coeficiente de rendimiento). COP 2 corresponde a una eficiencia del 200% y significa que por 1 kW de electricidad dará 2 kW de calor.
El principio de la unidad
El principio de funcionamiento de una bomba de calor para calefacción se basa en el uso de la diferencia de potencial de la energía térmica. Es por eso que dicho equipo se puede utilizar en cualquier entorno. Lo principal es que su temperatura es de al menos 1 grado centígrado.
Tenemos un refrigerante que se mueve a través de la tubería, donde, de hecho, se calienta entre 2 y 5 grados. Después de eso, el refrigerante ingresa al intercambiador de calor (circuito interno), donde emite la energía recolectada. En este momento, hay un refrigerante en el circuito externo, que tiene un punto de ebullición bajo. En consecuencia, se convierte en gas. A medida que ingresa al compresor, el gas se comprime, como resultado de lo cual su temperatura aumenta aún más. Luego, el gas va al condensador, donde pierde su calor, dándolo al sistema de calefacción. El refrigerante se vuelve líquido y regresa al circuito externo.
Ventajas y desventajas de las bombas de calor.
Las bombas de calor para calefacción doméstica se pueden controlar mediante termostatos instalados especialmente. La bomba se enciende automáticamente cuando la temperatura del medio cae por debajo del valor establecido y se apaga si la temperatura excede el punto establecido. Por lo tanto, el dispositivo mantiene una temperatura constante en la habitación; esta es una de las ventajas de los dispositivos.
Las ventajas del dispositivo son su economía: la bomba consume una pequeña cantidad de electricidad y es amigable con el medio ambiente, o una seguridad absoluta para el medio ambiente. Las principales ventajas del dispositivo:
- Fiabilidad.La vida útil supera los 15 años, todas las partes del sistema tienen un alto recurso de trabajo, las caídas de energía no dañan el sistema.
- Seguridad. Sin hollín, sin escape, sin llama abierta, sin fugas de gas.
- Comodidad. El funcionamiento de la bomba es silencioso, la comodidad y la comodidad en la casa ayudan a crear un control de clima y un sistema automático, cuyo funcionamiento depende de las condiciones climáticas.
- Flexibilidad. El dispositivo tiene un diseño moderno y elegante, se puede combinar con todos los sistemas de calefacción de la casa.
- Versatilidad. Se utiliza en construcción civil privada. Ya que tiene un amplio rango de potencias. Debido a esto, puede proporcionar calidez a las habitaciones de cualquier área, desde una casa pequeña hasta una cabaña.
La compleja estructura de la bomba determina su principal inconveniente: el alto costo del equipo y su instalación. Para instalar el dispositivo, es necesario realizar trabajos de excavación en grandes volúmenes.
Brevemente sobre los tipos de bombas de calor.
Hoy en día se conocen varios diseños populares de bombas geotérmicas. Pero en cualquier caso, su principio de funcionamiento se puede comparar con el trabajo de los equipos de refrigeración. Es por eso que, independientemente del tipo, la bomba se puede usar como aire acondicionado en el verano. Por tanto, las bombas de calor se clasifican según de dónde pueden extraer calor:
- Desde el suelo;
- Del embalse;
- De la nada.
El primer tipo es más preferible en regiones frías. El hecho es que la temperatura del aire a menudo desciende a -20 o menos (por ejemplo, la Federación de Rusia), pero la profundidad de la congelación del suelo suele ser insignificante. En cuanto a los embalses, no están por todas partes, y no es muy recomendable utilizarlos. En cualquier caso, es mejor elegir una bomba de calor geotérmica para la calefacción del hogar. Examinamos un poco el principio de funcionamiento de la unidad, así que vamos más allá.
¿Cómo funciona una bomba de calor geotérmica? Principio de funcionamiento.
Para obtener calor del suelo, se necesita un intercambiador de calor de suelo. Para hacer esto, simplemente se coloca una tubería en el suelo, formando un bucle en el que circula el líquido; popularmente se llama salmuera. El circuito (en la práctica hay varios) pasa por el evaporador de la bomba de calor, donde la temperatura de la salmuera desciende y se vuelve más baja que la temperatura del suelo. Pasando más a lo largo de la tubería en el suelo, la salmuera se calienta gradualmente. Al final, ingresa nuevamente al evaporador, donde emite calor.
Por lo tanto, la salmuera media la diferencia de temperatura entre el suelo y el evaporador de la bomba.
El intercambiador de calor puede ser horizontal o vertical. El tamaño del terreno ayuda a elegir una solución: se requieren varios cientos de metros cuadrados para la fabricación de un intercambiador de calor horizontal, y varias docenas son suficientes para las sondas verticales.
Es importante que el volumen del intercambiador de calor sea grande; durante toda la temporada de calefacción, la bomba recibe varios megavatios-hora de calor del suelo. Si es demasiado pequeño, está expuesto a un enfriamiento excesivo y, como resultado, la bomba no puede funcionar correctamente. El sistema de control de una bomba de calor de fuente terrestre, por regla general, la apaga cuando la temperatura de la salmuera desciende a -7 ° C, porque por debajo de este valor, el curso de los procesos en el circuito se altera excesivamente.
Bomba de calor geotérmica con intercambiador de calor horizontal.
En el caso de un intercambiador de calor hecho de tuberías ubicadas horizontalmente, la profundidad óptima es de 0,2 a 0,5 m por debajo de la línea de congelación. Sin embargo, si hay un curso de agua a una profundidad relativamente baja, la mejor solución es colocar tuberías en él. Entonces la bomba de calor alcanza un factor de eficiencia más alto Kp.
Las tuberías de un intercambiador de calor horizontal se colocan en un pozo preparado previamente con dimensiones correspondientes a la superficie requerida del intercambiador de calor. Se conducen en forma de espiral (curvas) sobre toda la superficie del pozo, observando ciertos intervalos entre secciones adyacentes.Los intervalos no deben ser inferiores a 0,4 my no superiores a 1,2 m, teniendo en cuenta el tipo de suelo, del que se deriva su capacidad de "regenerarse" (añadiendo calor). Cuanto más tiempo esté congelada la superficie del suelo, mayor debe ser el intervalo.
Debe recordarse que la salida de calor del intercambiador de calor no fluye desde la longitud de la tubería, solo desde la superficie del suelo sobre el que se coloca. Los pequeños huecos no permiten recibir más calor debido a la necesidad de utilizar una tubería larga. Esto se traduce en una mayor inversión y costo operativo, ya que para bombear salmuera a través de una tubería larga se necesita una bomba de circulación de mayor capacidad. Debido a este espacio demasiado grande entre las tuberías, sucede que el calor no entra en la cantidad diseñada, por lo que la potencia del intercambiador de calor es menor.
Proyecto de intercambiador de calor de suelo.
El diseño de un intercambiador de calor de suelo del tamaño adecuado es la clave para el correcto funcionamiento de una bomba de calor. Para calcular el valor requerido, se requiere información sobre la potencia requerida de la bomba de calor. Si no está en las características técnicas del dispositivo, basta con saber que corresponde a la potencia térmica reducida por la potencia del compresor. Si no sabemos qué capacidad tiene el compresor, pero tenemos información sobre el factor de capacidad Kp, entonces la potencia de enfriamiento se calcula con suficiente precisión mediante la fórmula:
Qcool = (Kp - 1) / Kp • Qtopl.
Es necesario prestar atención a que los valores sustituidos se alcanzaron a una temperatura correspondiente a la que reina tanto en el suelo como en el sistema de calefacción durante el funcionamiento de la bomba a plena capacidad (por ejemplo, 0/35 - temperatura de la salmuera 0 grados Celsius, sistema de calefacción 35 grados Celsius).
Cálculo de la superficie del intercambiador de calor de una bomba de calor de fuente terrestre horizontal.
La fuerza con la que un intercambiador de calor terrestre transfiere calor depende del tipo de suelo, es decir, su contenido de humedad. Dependiendo de esto, para calcular la superficie de un intercambiador de calor horizontal, se toman los siguientes valores de la potencia térmica del suelo qg (para tubos de polietileno):
- arenoso seco - 10 W / m2
- arenoso, húmedo - 15-20 W / m2
- arcilloso seco - 20-25 W / m2
- arcilloso, húmedo - 25-30 W / m2
- húmedo (acuífero) - 35-40 W / m2.
Por supuesto, estos son valores indicativos.
Es difícil evaluar si el suelo es el mismo en toda el área destinada al intercambiador de calor hasta que comienzan a construirlo, por lo que es mejor tomar un valor más bajo para el cálculo. En un sistema fabricado correctamente, el compresor de la bomba de calor funciona de 1800 a 2400 horas al año, la producción de calor del suelo conduce a un alargamiento del tiempo de trabajo.
La superficie del intercambiador de calor se calcula mediante la fórmula:
A = Q / qg
Ejemplo: la demanda energética de calefacción de la vivienda es de 14 kW, y la bomba los satisfará en su totalidad (debe funcionar en un sistema monovalente). El dispositivo seleccionado recibe una potencia térmica (calefacción) de 14 kW para los parámetros 0/35, al tiempo que logra un coeficiente de eficiencia Kp = 4.5. La potencia de enfriamiento es, por lo tanto, Qcool = (4.5-1) / 4.5 • 14 = 10.9 kW, es decir, 10900 W. El intercambiador de calor debe estar hecho en suelo arcilloso seco, por lo tanto su área debe ser A = 10900/20 = 545 m2. Se llama la atención sobre el hecho de que en el caso de un suelo acuífero, el intercambiador de calor puede ser dos veces más pequeño, pero si el suelo es arenoso, entonces su área ocupará más de 1000 m2. En tal situación, la mejor solución es colocar las tuberías verticalmente.
Intercambiador de calor de una bomba de calor geotérmica vertical.
La bomba de calor alcanza un factor de eficiencia Kp más alto cuando los tubos del intercambiador de calor se colocan verticalmente en el suelo, a una profundidad de 40-150 m.Esto se debe al hecho de que a una profundidad inferior a 10 m, la temperatura del suelo es de unos 10 grados centígrados durante todo el año, es decir, en invierno, es casi diez más que a una profundidad de 1,5 metros.
Sin embargo, la ejecución de un intercambiador de calor vertical es claramente más cara que la de uno horizontal. Se trata de secciones verticales de una tubería que forma un bucle (la tubería baja por los orificios, en la parte inferior gira y sube). Se llaman sondas geotermales. En este caso, no se calculan por área, sino por la longitud total del intercambiador de calor, que generalmente consta de más de una sonda.
En pozos verticales se colocan uno o dos pares de tuberías (sonda U o Y). La inserción de la tubería del pozo se facilita mediante la cabeza, un elemento que conecta los elevadores que se puede adaptar para acomodar una tubería de llenado adicional. La cabeza se inserta en los orificios y con ella los tubos del intercambiador de calor. Luego se vierte concreto líquido en el pozo.
En un intercambiador de calor tipo Y, el líquido fluye hacia el cabezal en un tubo y regresa del cabezal en el otro. En un intercambiador de calor tipo doble U, fluye con dos tubos hacia abajo y dos hacia arriba.
La distancia entre los puntos de perforación hasta 50 m de profundidad no debe ser inferior a 5 m, y en el caso de los más profundos de 8 a 15 metros. Debe estar ubicado en una línea perpendicular a la dirección del flujo de agua.
Cálculo de la longitud del intercambiador de calor de la bomba de calor de suelo vertical.
En este caso, es importante cómo las propiedades del suelo cambian con la profundidad. La información puede ser proporcionada por mapas geológicos y documentación de pozos previamente hechos en las cercanías. Sobre esta base, es posible estimar el espesor de las capas de suelo individuales y calcular el valor promedio del coeficiente de conductividad térmica para el área en la que se colocarán los tubos del intercambiador de calor.
Sin embargo, los cálculos no pueden tener en cuenta todos los movimientos de las aguas subterráneas y, en la práctica, a menudo sucede que el resultado obtenido es significativamente diferente de la realidad. Para estar seguro de que el intercambiador de calor vertical funcionará correctamente, es necesario realizar un relevamiento del suelo en el lugar donde se va a realizar la perforación. En este caso, la productividad del calor del suelo. qg también depende de su tipo.
Para tuberías PE80 es:
- suelo arenoso seco - 10-12 W / m;
- arenoso húmedo - 12-16 W / m;
- arcilla mediana seca - 16-18 W / m;
- arcilla mediana húmeda - 19-21 W / m;
- arcilloso pesado seco - 18-19 W / m;
- arcilla pesada húmeda - 20-22 W / m;
- húmedo (acuífero) - 25-30 W / m.
Es necesario tener en cuenta el grosor de las capas individuales de un determinado tipo de suelo y, sobre esta base, calcular el rendimiento global de cada sonda.
La producción de calor del suelo, en el que ambas capas están secas, al igual que los acuíferos, cuando se utilizan sondas de doble U (cuatro tuberías en el pozo), promedia unos 50 W / m. Se puede suponer tentativamente que en el caso de la bomba de calor de los solicitantes, en el ejemplo de cálculo de un intercambiador de calor horizontal (capacidad de enfriamiento 10,9 kW), se requieren orificios con una longitud total de L = 10.900 / 50 = 218 m, que es, por ejemplo, cuatro de 55 metros cada uno.
"Agua subterránea": ¿cuál es la mejor manera de colocarlo?
Obtener calor del suelo se considera lo más apropiado y racional. Esto se debe al hecho de que prácticamente no hay fluctuaciones de temperatura a una profundidad de 5 metros. Se utiliza un fluido especial como portador de calor. Se le llama comúnmente salmuera. Es completamente ecológico.
En cuanto al método de colocación, es decir, horizontal y vertical. El primer tipo se caracteriza por el hecho de que los tubos de plástico, que representan el contorno exterior, se colocan horizontalmente en el cuadrado. Esto es muy problemático, ya que el trabajo de colocación debe realizarse en un área de 25-50 metros cuadrados. En el caso de los pozos verticales, los pozos verticales se perforan con una profundidad de 50-150 metros.Cuanto más profundas se coloquen las sondas, más eficiente funcionará la bomba de calor geotérmica. Ya hemos considerado el principio de funcionamiento y ahora hablaremos de detalles importantes.
Bomba de calor "agua-agua": principio de funcionamiento
Además, no descarte inmediatamente la posibilidad de utilizar la energía cinética del agua. El hecho es que a grandes profundidades la temperatura permanece bastante alta y cambia en pequeños rangos, si es que esto sucede. Puede ir de varias maneras y usar:
- Cuerpos de agua abiertos como ríos y lagos.
- Agua subterránea (bien, bien).
- Aguas residuales de ciclos industriales (suministro de agua de retorno).
Desde un punto de vista económico y técnico, la forma más sencilla es instalar el funcionamiento de una bomba geotérmica en un depósito abierto. Al mismo tiempo, no existen diferencias estructurales significativas entre las bombas "suelo-agua" y "agua-agua". En este último caso, las tuberías sumergidas en un depósito abierto se alimentan con carga. En cuanto al uso de las aguas subterráneas, el diseño y la instalación son más complejos. Es necesario asignar un pozo separado para la descarga de agua.
El principio de funcionamiento de la bomba de calor aire-agua.
Este tipo de bomba se considera una de las menos eficientes por diversas razones. Primero, en la estación fría, la temperatura de las masas de aire desciende significativamente. En última instancia, esto conduce a una disminución de la potencia de la bomba. Es posible que no pueda soportar la calefacción de una casa grande. En segundo lugar, el diseño es más complejo y menos confiable. Sin embargo, los costos de instalación y mantenimiento se reducen significativamente. Esto se debe al hecho de que no necesita un depósito, un pozo y no necesita cavar zanjas para tuberías en su cabaña de verano.
El sistema se coloca en el techo del edificio o en otro lugar adecuado. Vale la pena señalar que este diseño tiene una ventaja significativa. Consiste en la posibilidad de utilizar gases de escape, aire que vuelve a salir de la habitación. Esto puede compensar la capacidad insuficiente del equipo en invierno.
Bombas aire-aire y más
Tales instalaciones son incluso menos comunes que las "Aire-Agua", por varias razones. Como habrás adivinado, en nuestro caso, el aire se utiliza como portador de calor, que se calienta a partir de una masa de aire más cálida del medio ambiente. Hay una gran cantidad de desventajas de un sistema de este tipo, que van desde la baja productividad hasta el alto costo.Una bomba de calor aire-aire, cuyo principio usted conoce, no es mala solo en regiones cálidas.
Aquí también hay puntos fuertes. Primero, el bajo costo del refrigerante. Lo más probable es que no encuentre una fuga en la línea de aire. En segundo lugar, la efectividad de tal solución es extremadamente alta en el período primavera-otoño. En invierno, no es práctico utilizar una bomba de calor de aire, cuyo principio de funcionamiento hemos considerado.
Bomba de calor de aire de bricolaje: diagrama de montaje
En contraste con los sistemas geotérmicos e hidrotermales bastante complejos, una bomba de calor aire-agua está disponible para fabricar incluso por sí sola.
Además, para la fabricación del sistema de aire, necesitamos un conjunto relativamente económico, que consta de las siguientes piezas y conjuntos:
Unidad de bomba de calor aire-agua externa
- Compresor de sistema dividido: se puede comprar en un centro de servicio o en un taller de reparación
- Tanque de acero inoxidable de 100 litros: se puede quitar de cualquier lavadora vieja
- Un recipiente polimérico con una boca ancha: una lata normal o polipropileno servirá.
- Tuberías de cobre con un diámetro de producción de más de 1 milímetro. Tendrá que comprarlos, pero esta es la única compra cara en todo el proyecto.
- Un conjunto de válvulas de cierre y control, que incluirán una llave de drenaje, una válvula de grabado de aire y una válvula de seguridad.
- Sujetadores: soportes, clips de tubería, abrazaderas y otros.
Además, necesitaremos el refrigerante más barato: freón y al menos la unidad de control más simple, sin la cual el uso de bombas de calor será muy difícil, debido a la necesidad de sincronizar el funcionamiento del compresor con la temperatura en la superficie del evaporador y condensador.
Montaje de la unidad
Bueno, el proceso de construcción en sí se ve así:
- Hacemos una bobina a partir de una tubería de cobre, cuyas dimensiones deben corresponder a la sección transversal y la altura del tanque de acero.
- Montamos la bobina en el tanque, dejando las salidas de los tubos de cobre fuera del mismo. A continuación, sellamos el tanque y lo equipamos con un racor de entrada (inferior) y de salida (superior). Como resultado, se obtiene el primer elemento del sistema, el condensador, con grifos prefabricados para la tubería de calentamiento directo (accesorio superior) y retorno (accesorio inferior)
- Montamos el compresor en la pared (usando el soporte). Conectamos la conexión de presión del compresor a la salida superior de la tubería de cobre.
- Hacemos una segunda bobina a partir de un tubo de cobre, cuyas dimensiones coinciden con la sección transversal y la altura de la lata de polímero.
- Montamos la bobina en una lata, instalando un ventilador en su extremo, que sopla aire sobre la bobina. Además, dos cuestiones deberían salir de la lata. Como resultado, toda esta estructura, que es el evaporador del sistema, se monta en la fachada o en el conducto de ventilación.
- Conectamos la salida inferior del tanque (condensador) con la salida inferior de la lata (evaporador) cortando un estrangulador de control en esta tubería.
- Conectamos la salida superior de la lata con el tubo de aspiración del compresor.
Eso es básicamente todo. El sistema basado en el principio de funcionamiento de una bomba de calor de aire está casi completo. Solo queda verter refrigerante en el compresor y conectar la válvula de mariposa a la unidad de control.
Bomba de calor casera
Los estudios han demostrado que el período de recuperación de la inversión del equipo depende directamente del área calentada. Si estamos hablando de una casa de 400 metros cuadrados, esto es aproximadamente de 2 a 2,5 años. Pero para aquellos que tienen una vivienda más pequeña, es muy posible utilizar bombas caseras. Puede parecer que es difícil fabricar dicho equipo, pero en realidad no es así. Es suficiente comprar los componentes necesarios y puede continuar con la instalación.
El primer paso es comprar un compresor. Puede tomar el del aire acondicionado. Móntelo de la misma forma en la pared del edificio. Además, se necesita un condensador. Puede construirlo usted mismo o comprarlo. Si opta por el primer método, necesitará una bobina de cobre con un grosor de al menos 1 mm, se coloca en el estuche. Puede ser un tanque de un tamaño adecuado. Después de la instalación, el tanque se suelda y se realizan las conexiones roscadas necesarias.
Poder y eficiencia
Si bien la eficiencia de las bombas de calor geotérmicas y de agua es prácticamente independiente de la temporada, la situación es diferente con las bombas de calor de aire. El rendimiento depende directamente de la temperatura exterior, cuanto más frío hace, menor es el COP (eficiencia).
Mucha gente piensa que la cantidad de calor que puede producir depende de la potencia de una bomba de calor, pero este no es el caso. Caracteriza el consumo de energía, y la cantidad de calor generado depende de la eficiencia. En consecuencia, de la temperatura del aire fuera de la casa.
La parte final del trabajo
En cualquier caso, en la etapa final, deberá contratar a un especialista. Es una persona experta que debe soldar tuberías de cobre, bombear freón y también arrancar el compresor por primera vez. Después de ensamblar toda la estructura, se conecta al sistema de calefacción interno. El circuito exterior se instala en último lugar y sus características dependen del tipo de bomba de calor utilizada.
No pase por alto un punto tan importante como reemplazar el cableado obsoleto o dañado en la casa. Los expertos recomiendan instalar un medidor con una capacidad de al menos 40 amperios, lo que debería ser suficiente para el funcionamiento de una bomba de calor.No será superfluo señalar que, en algunos casos, dicho equipo no está a la altura de las expectativas. Esto se debe, en particular, a cálculos termodinámicos inexactos. Para que no suceda que gastó mucho dinero en calefacción y en el invierno tuvo que instalar una caldera de carbón, comuníquese con organizaciones confiables con críticas positivas.
Seguridad y respeto al medio ambiente sobre todo
Calentar con las bombas descritas en este artículo es uno de los métodos más respetuosos con el medio ambiente. Esto se debe principalmente a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, así como a la conservación de los recursos energéticos no renovables. Por cierto, en nuestro caso se utilizan recursos renovables, por lo que no hay que temer que el calor termine de repente. Gracias al uso de una sustancia que hierve a bajas temperaturas, fue posible realizar el ciclo termodinámico inverso y, con menos energía, conseguir una cantidad suficiente de calor en la casa. En cuanto a la seguridad contra incendios, todo está claro. No hay posibilidad de fuga de gas o fuel oil, explosión, no hay lugares peligrosos para almacenar materiales inflamables y mucho más. En este sentido, las bombas de calor son muy buenas.
