Bomba de calor para calefacción doméstica: principio de funcionamiento, tipos e instalación

Una bomba de calor es un dispositivo para transferir energía térmica desde una fuente a un consumidor.

El calor se transfiere espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío. La bomba transfiere el calor en la dirección opuesta.

El diseño consta de un compresor, una válvula de expansión térmica, un evaporador y un condensador. Un ejemplo típico de bomba de calor es un aire acondicionado.

Para determinar qué tipo de bomba elegir para uso doméstico, se recomienda estudiar las características de cada modelo y sus principios de funcionamiento. Cada tipo también tiene limitaciones que conviene conocer.

Principio de funcionamiento de las bombas de calor

Las bombas de calor están empezando a utilizarse ampliamente en viviendas particulares. Una de las principales ventajas de este método de calefacción es tiene un bajo consumo de energía, pero genera mucho calor.La clasificación se basa en la fuente de calor.

Un aparato de calefacción doméstica funciona según el principio de que una sustancia (el refrigerante) puede liberar o absorber energía térmica al cambiar de estado. Este principio es la base del funcionamiento de un frigorífico (por eso la parte trasera del aparato está caliente).

La bomba de calor de calefacción funciona de la siguiente manera:

1. El agente entrante se enfría 5 grados en la sección de evaporación en función de la energía aportada por el fluido caloportador.
2. El agente refrigerante entra en el compresor, que lo comprime y lo calienta como resultado de su funcionamiento.
3. El gas, que ya está caliente, entra en el compartimento de intercambio de calor, donde cede su propio calor al sistema de calefacción.
4. El refrigerante condensado regresa al inicio del ciclo.

También existen algunos modelos que pueden funcionar en modo inverso. Esto significa que pueden utilizarse incluso en verano para refrigerar el edificio. El calor se almacena y luego se utiliza para la calefacción durante los meses más fríos.

Dispositivo

Una bomba de calor para calentar una vivienda consta de varios elementos básicos de circuito:

• un circuito con un refrigerante que transfiere energía desde la fuente de calor;
• un circuito con freón, que se evapora periódicamente, tomando energía térmica del primer circuito, y luego se deposita como condensado, transfiriendo calor al tercero;
• un circuito por el que circula un líquido que actúa como portador de calor para la calefacción.

Dispositivo de bomba de calor

Calentar una casa con una bomba de calor es rentable. Esto se debe a que el aparato no requiere mucha energía (y, por lo tanto, no consume más electricidad que un electrodoméstico común), pero produce cuatro veces más calor que la electricidad consumida.

Tampoco es necesario crear un cableado aparte para conectar la bomba.

Ventajas y desventajas

Antes de decidir si utilizar o no una bomba de calor, conviene familiarizarse con las ventajas y desventajas de su funcionamiento. Analicemos más de cerca las ventajas y desventajas de usar una bomba de calor..

Uso de centrales térmicas en el mundo

La práctica de utilizar tales unidades de calefacción en el mundo ha sido Durante más de 50 añosLos principales factores que impulsaron este fenómeno fueron el aumento del coste de los recursos energéticos tradicionales y el amplio apoyo de los gobiernos de muchos países al uso de fuentes de energía alternativas.

Por lo tanto, el número de bombas de calor está creciendo constantemente a un ritmo elevado. hasta un 10-30% anual, a pesar de los altos costos de instalación. Actualmente, el número de estos dispositivos supera los 270.

Los sistemas térmicos son los más utilizados en Estados Unidos y Canadá, representando hasta la mitad de las instalaciones utilizadas en todo el mundo.

A pesar de las condiciones favorables para el uso de bombas de calor, Rusia se encuentra rezagada con respecto a las tendencias mundiales en su utilización. Esto probablemente se deba a nuestra creencia en la disponibilidad absoluta de nuestros recursos naturales.

Sin embargo, no todas las zonas pobladas del país cuentan con gasoductos. La experiencia global con bombas de calor indica tendencias positivas en su uso.

Cálculo de la bomba de calor

Como ya hemos mencionado, las fuentes de calor de bajo potencial para este tipo de bombas suelen ser los siguientes fluidos:

1. Aire del espacio exterior con una temperatura media de entre -15 y +25 grados.
2. El aire proviene de una habitación climatizada, su temperatura es de +15 a +25 grados.
3. El aire procedente de la sonda del subsuelo se calentó a entre 4 y 10 grados.
4. Aire procedente de formaciones geotérmicas, cuya temperatura puede alcanzar los 10 grados o más.
5. Aire procedente de sondas de fondo de masas de agua no congelables con una temperatura de 0 a 10 grados, incluido el obtenido en sondas instaladas en los canales de aguas residuales industriales de las empresas.

Método de cálculo

Cualquier cálculo térmico es un proceso complejo, que solo pueden realizar especialistas cualificados. Sin embargo, se puede proponer una metodología simplificada que sea suficiente para obtener un resultado que permita elegir un modelo de unidad específico.

El cálculo se reduce a realizar una serie de pasos:

1. Determinar la cantidad de pérdida de calor a través de los elementos que encierran un edificio. – paredes, techos, áticos, ventanas, puertas, etc. Esto se puede lograr utilizando la siguiente relación:

Qок = S x (tвн – t нар) x (1 + ?b) xn : Rт, Dónde

S – área total de todos los elementos del cerramiento del edificio, m²²;

t вн – temperatura exterior, grados C;

t nar – temperatura del aire en el espacio exterior, grados C;

n es un coeficiente que tiene en cuenta la estructura del edificio; para edificios abiertos es igual a 1; para edificios con espacios en el ático se aplica con un valor de 0,9; para locales ubicados en el sótano se toma como igual a 0,75;

b – coeficiente de pérdida de calor adicional, dependiendo del tipo de edificio y su ubicación en las zonas climáticas de Rusia, su valor puede fluctuar dentro del rango de 0,05 a 0,27;

Rт es la resistencia térmica, que debe calcularse adicionalmente utilizando la fórmula:

Rт = 1( , m²xC/W, donde

• valores calculados de conductividad térmica de los materiales de la estructura envolvente;
• coeficiente de disipación de calor de las superficies internas;
• Lo mismo ocurre con las superficies externas.

Tras realizar los cálculos preliminares, determinamos las pérdidas totales de calor debidas a diversos factores:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, Dónde

Qbl – transferencia total de calor derivada del funcionamiento de los electrodomésticos y la actividad humana;

Qи – costos energéticos para compensar las pérdidas de calor debidas a fugas en las estructuras de cerramiento.

2. Con base en los resultados obtenidos, podemos calcular la demanda anual de electricidad. Para ello, utilizamos la siguiente relación:

Qaño = 24 x 0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/hora) por año, Dónde:

• tvn - el valor de temperatura deseado en el interior de la casa;
• t nar – temperatura exterior real;
• tнар.ср – temperatura media anual en la región;
• d – duración del período de calefacción, en días.

3. Para comprender mejor el funcionamiento de una bomba de calor, es necesario calcular la cantidad de calor que se requiere para calentar el agua del sistema de calefacción de su hogar. Esto se puede hacer utilizando la siguiente fórmula de cálculo:

Qhor.v = V x 17 kW/ por año, Dónde:

V – volumen de consumo diario de agua calentada a 50^O CON.

Como resultado, los costos de energía para satisfacer la necesidad de calefacción y agua caliente ascenderán a:

Q = Qaño + Qgv, (kW/hora por año).

Se recomienda incrementar el resultado obtenido en un 10%, teniendo en cuenta el funcionamiento más intensivo del sistema durante las horas pico. Un cálculo preliminar de la capacidad de la bomba de calor para la calefacción del hogar permite una selección precisa de la instalación.

Para realizar el cálculo, puede utilizar una calculadora especial; encontrará una gran variedad disponible en Internet.

Tipos de bombas de calor

Existen varios tipos de dispositivos según la fuente de calor utilizada. El principio de funcionamiento de una bomba de calefacción doméstica parte de la base de que el calor se extrae de fuentes que son capaces de acumular energía solar de la mejor manera durante toda la temporada.

Los siguientes tipos de dispositivos están disponibles para la venta:

• suelo (tierra - agua);
• aire (aire - aire);
• aire - agua;
• agua (agua - agua).

Analicemos estos aspectos con más detalle a continuación.

Aire - agua

Cómo funciona la bomba AIRE-AGUA El proceso consiste en calentar el refrigerante de un sistema de bomba de calor con aire caliente. Un ventilador impulsa el aire caliente del entorno hacia el interior del sistema.

Bomba de calor aire-agua

Allí, interactúa con el refrigerante, que se calienta como resultado de esta interacción y se transforma en gas. El gas entra entonces en el compresor, donde es impulsado a presión hacia el condensador interno, transfiriendo su calor al agua.

Tierra - agua

El suelo es la fuente de calor más estable y, por lo tanto, la más popular. A una profundidad de 4 a 8 metros, la temperatura se mantiene constante entre 5 y 8 grados centígrados, y a una profundidad de 10 metros, asciende a 10 grados centígrados. Existen dos métodos principales para recolectar energía térmica:

• utilizando un colector horizontal;
• mediante una sonda geotérmica vertical.

El primer tipo consiste en un conjunto de tuberías dispuestas horizontalmente para transportar el refrigerante. La profundidad de instalación debe calcularse individualmente para cada caso, en función del terreno, el clima y otros factores.

En algunas situaciones, es aconsejable colocar la tubería a la profundidad de congelación del suelo (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metros (si es necesario reducir la diferencia de temperatura y lograr una mayor constancia) o 1 - 1,3 metros (A esta profundidad, el suelo se calienta más rápido en primavera). A veces, incluso se instala un colector especial que consta de dos capas.

Este tipo de colector utiliza tuberías con una sección transversal de 25, 32 o 40 mm. Se pueden instalar en diferentes configuraciones: espiral, rayo, serpentina, bucle, etc. Si se utiliza una configuración serpentina, las tuberías deben estar separadas entre 0,6 y 1 metro (generalmente, 80 centímetros).

Para calcular la tasa de transferencia de calor de una tubería, se debe tener en cuenta el tipo de suelo. Para arena o arcilla secas, la tasa de transferencia de calor es de 10 y 20 W por metro lineal, respectivamente; para arcilla húmeda, la tasa de transferencia de calor es de 25 W; y para arcilla con alto contenido de humedad, la tasa de transferencia de calor es de 35 W.

La desventaja de este tipo de colector es la necesidad de un sistema de gran tamaño. Si la superficie de la vivienda que se calienta es de 100 metros cuadrados y el suelo es de arcilla húmeda, el sistema colector requerirá entre 400 y 500 metros cuadrados de terreno.

Teniendo en cuenta que no se pueden ubicar edificios ni otros objetos en la superficie (solo se puede colocar un césped con plantas de un año de edad), no todos los propietarios podrán destinar suficiente espacio libre.

En este caso, una sonda vertical es la solución más adecuada. Consiste en un intercambiador de calor con tuberías enterradas a una profundidad de hasta 200 m. El número de sondas instaladas depende de la potencia de calentamiento requerida.

Los pozos poco profundos deben estar espaciados aproximadamente entre 5 y 8 metros. Perforar una sola tubería a 100-200 metros de profundidad no es rentable y, además, se requieren permisos de las autoridades competentes. Para evitar esto, es recomendable instalar varias tuberías.

Por lo tanto, el único inconveniente de las estructuras verticales es el alto coste de perforar pozos profundos.

Sin embargo, a pesar de esto, la sonda es una solución más popular, ya que proporciona una eficiencia suficiente sin ningún requisito en cuanto al área del sitio u otros factores limitantes.

El agua es agua

Otra fuente de calor popular para la calefacción doméstica es el agua. Existen tres tipos de sistemas de este tipo, según la fuente del líquido:

• un colector colocado en el fondo de una masa de agua abierta (que no debe congelarse): mares, ríos, lagos;
• un colector ubicado en la alcantarilla;
• utilizando agua de pozos o aguas subterráneas.

La primera opción consiste en sumergir las tuberías de anticongelante. Para evitar que suban a la superficie, se les añaden contrapesos. Debido a la elevada temperatura del refrigerante, este método se considera eficaz y económico.

La desventaja es que dicha estructura solo se puede construir si el estanque se encuentra a no más de 50 metros de la propiedad. De lo contrario, la instalación y el funcionamiento resultarán antieconómicos. Sin embargo, para los residentes de zonas costeras, una bomba de calor geotérmica es una solución óptima para la calefacción del hogar.

Utilizando aguas residuales tratadas y aguas residuales procedentes de plantas de procesamiento, un colector puede calentar edificios de varias plantas e instalaciones industriales, además de proporcionar agua caliente. Este sistema rara vez se utiliza para calentar viviendas particulares, ya que suelen estar ubicadas lejos de la red central de alcantarillado.

Los colectores que recogen agua de pozos o aguas subterráneas se utilizan con menos frecuencia que otros tipos. Esto se debe principalmente a la necesidad de construir dos fosas. La primera recoge el líquido, que luego transfiere su energía térmica al refrigerante, mientras que la segunda recibe el agua enfriada.

En algunos casos, se construye un pozo de percolación en lugar de una perforación. El pozo de descarga debe ubicarse aguas abajo del nivel freático y a 20 metros del pozo original.

Este sistema es bastante difícil de instalar y mantenerEs fundamental realizar un seguimiento periódico de los componentes de la bomba para detectar corrosión y contaminación. Asimismo, es importante controlar la calidad del agua de entrada y filtrarla de inmediato.

Aire - aire

Las bombas de calor aerotérmicas ofrecen una clara ventaja sobre otros tipos de unidades. Una bomba de calor utiliza únicamente aire como fuente de calor, eliminando la necesidad de perforar pozos o instalar colectores de agua. Por consiguiente, las bombas de calor aerotérmicas son considerablemente más económicas.

Este tipo de sistema presenta la estructura y el principio de funcionamiento más sencillos. El aire entra en el evaporador, donde transfiere calor al refrigerante. Este calor se transfiere posteriormente del evaporador al fluido caloportador directamente en la vivienda. Este tipo de calefacción puede representarse, por ejemplo, mediante convectores de ventilación (fan coils) o un sistema de calefacción por suelo radiante.

El coste de instalación de este dispositivo es relativamente bajo en comparación con los sistemas de agua o tierra, y su eficiencia depende principalmente de la temperatura del aire. Si vives en una zona con inviernos cálidos (al menos 0 °C), este método se considera el más rentable.

Si la temperatura desciende por debajo de -15 grados, la bomba no podrá proporcionar suficiente calefacción a la habitación; por lo tanto, será más apropiado utilizar la calefacción eléctrica o mediante caldera.

Si es importante utilizar una bomba de aire en regiones con inviernos fríos, se instala una fuente de calor de respaldo adicional, que se conectará durante las heladas intensas.

También es posible en algunos casos instalar un sistema de aire si el clima es seco y la temperatura no baja de -15 grados.

En condiciones de humedad y heladas, se formará una capa de hielo en la carcasa del dispositivo, lo que interferirá con su funcionamiento y puede provocar que falle rápidamente.

Precios y fabricantes

El valor de mercado promedio aproximado del equipo y su instalación es:

Colector horizontal:

• Bomba – $4500;
• Instalación: 2500 dólares;
• Costo operativo: $350 por año.

Sonda geotérmica:

• Bomba – $4500;
• Instalación: 4.500 dólares;
• Costo operativo: $320 por año.

Aire - para el hogar:

• Bomba – $6500;
• Instalación: $400;
• Costo operativo: $480 por año.

Bomba de agua a agua para el hogar:

• Bomba de calor: 4500 dólares;
• Instalación: $3,500;
• Costo operativo: $280 por año.

Los precios indicados no son definitivos. El coste final dependerá del país y del fabricante del dispositivo, del tipo de terreno, del clima, de los costes de perforación, de las condiciones de construcción, etc.

Por ejemplo, el precio de una bomba de aire de un fabricante ruso será de unos 7.000 dólares, mientras que de uno extranjero será de 13.000 dólares.

No olvides tener en cuenta el costo de la electricidad. Aunque el equipo no consuma mucha energía, estos gastos deben incluirse en tu presupuesto general.

¿Qué bomba elegir?

Para decidir qué dispositivo elegir, debe tener en cuenta los siguientes factores:

• Presupuesto estimado: cuánto dinero está dispuesto a gastar el propietario en la instalación y conexión del sistema completo;
• ¿Cuál es el sistema de calefacción existente o previsto en el interior de la vivienda: calefacción por suelo radiante, radiadores, etc.?
• ¿Cuántos metros cuadrados está dispuesto a destinar el propietario del terreno para la creación de un colector?
• ¿Es posible perforar a gran profundidad?
• la necesidad de un estudio geológico (si se planea instalar una sonda geotérmica) para determinar a qué profundidad debe ubicarse el colector;
• ¿Es necesario acondicionar el flujo de aire en verano?
• ¿Se instalarán aparatos de calefacción por aire?

Al elegir una bomba de calor, se recomienda prestar atención al coeficiente de transferencia de calor (ϕ). Este determina la eficiencia del dispositivo. Si al comprarla se especifica ϕ=4, con un consumo eléctrico de 1 kW, la bomba de calor generará 4 kW de energía térmica.

Al planificar su presupuesto, es importante considerar no solo el costo de compra de la bomba, sino también los costos operativos futuros. Estos factores suelen variar.

Por ejemplo, instalar un sistema aire-agua tendrá bajos costos de instalación, pero requerirá costos operativos significativos debido a su baja eficiencia. Si necesita minimizar los costos operativos, una bomba de calor geotérmica vertical es la mejor opción.

El coste de un sistema geotérmico o hidráulico, así como su instalación, es bastante elevado y requiere una inversión inicial considerable. Sin embargo, una bomba de calor para calefacción se amortiza en un plazo de 5 a 10 años. Por lo tanto, la decisión de adquirir este dispositivo debe basarse en la capacidad económica del solicitante y en las características constructivas del edificio (ubicación, clima, etc.).

Si, por ejemplo, no es posible realizar perforaciones profundas en un terreno, su superficie no permite la colocación de un colector horizontal y no hay masas de agua cercanas, la única solución es instalar una bomba de calor aerotérmica para calentar la vivienda.

Instalación por cuenta propia

Si el propietario conoce bien los principios de funcionamiento y el diseño del circuito del equipo, puede ensamblar la bomba él mismo. Sin embargo, se requieren cálculos preliminares; para ello, utilice software especializado para la optimización de sistemas de refrigeración.

La instalación más sencilla es un sistema de calefacción aire-agua de fabricación casera. Consta de dos conductos (uno para el suministro de aire y otro para la extracción), un ventilador y un compresor.

No es necesario comprar un compresor nuevo; puede usar uno que funcione, proveniente de un refrigerador u otro electrodoméstico. Se recomienda un compresor scroll.

Etapas del trabajo:

1. Haz una bobina con un tubo de cobre. Coloca encima el tubo que transporta el refrigerante.
2. Coloca la bobina dentro de un recipiente de plástico dividido por la mitad. Este actuará como evaporador.
3. Conecte la válvula termostática y aíslela.
4. Ensambla todos los elementos en un bloque y comprueba su funcionalidad.

Es importante tener en cuenta que este procedimiento es bastante complejo para una persona promedio. Quien no sea un profesional no podrá ensamblar correctamente todas las piezas ni conectar la válvula termostática.

Lo mejor es confiar el trabajo a profesionales, ya que los errores en el procedimiento provocarán un mal funcionamiento del equipo o un consumo energético ineficiente.

Por lo tanto, una bomba de calor es una forma eficaz de calentar una vivienda particular. Si bien este tipo de equipo no se usa mucho en Rusia y la CEI, sí se usa ampliamente para la calefacción en Europa y Estados Unidos.

Se recomienda seleccionar la bomba de calor adecuada basándose no solo en el coste de instalación y funcionamiento, sino también en la región de uso, las condiciones de construcción, la superficie del terreno y otros factores.