Pompa di calore per il riscaldamento domestico: principio di funzionamento, tipologie e installazione.

Una pompa di calore è un dispositivo per trasferire energia termica da una fonte a un consumatore.

Il calore viene trasferito spontaneamente da un corpo caldo a uno freddo. La pompa trasferisce il calore nella direzione opposta.

Il progetto prevede un compressore, una valvola di espansione termica, un evaporatore e un condensatore. Un tipico esempio di pompa di calore è il condizionatore d'aria.

Per scegliere la pompa più adatta alle proprie esigenze domestiche, è consigliabile esaminare le caratteristiche di ciascun modello e i relativi principi di funzionamento. Ogni tipologia presenta inoltre delle limitazioni di cui è importante essere a conoscenza.

Il principio di funzionamento delle pompe di calore

Le pompe di calore stanno iniziando ad essere ampiamente utilizzate nelle case private. Uno dei principali vantaggi di questo metodo di riscaldamento è ha un basso consumo energetico, ma un'elevata generazione di caloreLa classificazione si basa sulla fonte di calore.

Un dispositivo di riscaldamento domestico funziona secondo il principio che una sostanza (il refrigerante) può rilasciare o assorbire energia termica durante un cambiamento di stato. Questo principio è alla base del funzionamento di un frigorifero (ed è per questo che la parte posteriore dell'elettrodomestico è calda).

La pompa di calore per il riscaldamento funziona nel seguente modo:

1. Il fluido in ingresso viene raffreddato di 5 gradi nella sezione di evaporazione in base all'energia proveniente dal fluido termovettore.
2. Il fluido refrigerante entra nel compressore, che lo comprime e lo riscalda durante il suo funzionamento.
3. Il gas, già caldo, entra nel compartimento dello scambiatore di calore, dove cede il proprio calore all'impianto di riscaldamento.
4. Il refrigerante condensato ritorna all'inizio del ciclo.

Esistono anche alcuni modelli che possono funzionare in modalità inversa. Ciò significa che possono essere utilizzati anche d'estate per raffreddare l'edificio. Il calore viene immagazzinato e poi utilizzato per il riscaldamento durante i mesi più freddi.

Dispositivo

Una pompa di calore per il riscaldamento domestico è composta da diversi elementi circuitali di base:

• un circuito con un fluido refrigerante che trasferisce energia dalla fonte di calore;
• un circuito con freon, che periodicamente evapora, assorbendo energia termica dal primo circuito, e poi si deposita sotto forma di condensa, trasferendo calore al terzo;
• Un circuito in cui circola un liquido che funge da vettore di calore per il riscaldamento.

dispositivo pompa di calore

Riscaldare una casa con una pompa di calore è conveniente. Questo perché il dispositivo non richiede molta energia (e quindi non consuma più elettricità di un normale elettrodomestico), ma produce una quantità di calore quattro volte superiore all'elettricità consumata.

Non è inoltre necessario creare un cavo di cablaggio separato per collegare la pompa.

Pro e contro

Prima di decidere se utilizzare o meno una pompa di calore, è opportuno familiarizzarsi con i vantaggi e gli svantaggi del suo funzionamento. Analizziamo più da vicino i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo di una pompa di calore..

Utilizzo delle centrali termoelettriche nel mondo

La pratica di utilizzare tali unità di riscaldamento nel mondo è stata da più di 50 anniLe principali forze trainanti di questo fenomeno sono state l'aumento del costo delle risorse energetiche tradizionali e l'ampio sostegno dei governi di molti paesi all'utilizzo di fonti energetiche alternative.

Pertanto, il numero di pompe di calore è in costante e rapida crescita. fino al 10-30% all'anno, nonostante gli elevati costi di installazione. Il numero di tali dispositivi attualmente supera i 270.

I sistemi termici sono più diffusi negli Stati Uniti e in Canada, dove rappresentano fino alla metà degli impianti installati in tutto il mondo.

Nonostante le condizioni favorevoli all'utilizzo delle pompe di calore, la Russia è in ritardo rispetto alle tendenze globali in materia di impiego di tali tecnologie. Ciò è probabilmente dovuto alla nostra convinzione di disporre incondizionatamente di risorse naturali.

Tuttavia, non tutte le aree popolate del paese sono servite da gasdotti. L'esperienza globale con le pompe di calore indica tendenze positive nel loro utilizzo.

Calcolo della pompa di calore

Come accennato in precedenza, le fonti di calore a basso potenziale per tali pompe sono spesso i seguenti fluidi:

1. Aria proveniente dall'esterno con una temperatura media compresa tra -15 e +25 gradi.
2. L'aria proviene da una stanza riscaldata, la sua temperatura è compresa tra +15 e +25 gradi.
3. L'aria proveniente dalla sonda del sottosuolo è stata riscaldata a una temperatura compresa tra +4 e +10 gradi.
4. Aria proveniente da formazioni geotermiche, la cui temperatura può raggiungere i 10 gradi o più.
5. Aria prelevata dal fondo di corpi idrici non ghiacciati con una temperatura compresa tra 0 e 10 gradi, inclusa quella ottenuta da sonde installate nei canali di scarico delle acque reflue industriali delle aziende.

Metodo di calcolo

Qualsiasi calcolo termico è un processo complesso, che può essere eseguito solo da specialisti qualificati. Tuttavia, è possibile proporre una metodologia semplificata sufficiente a ottenere un risultato che determini la scelta di un particolare modello di unità.

Il calcolo si riduce a una serie di passaggi:

1. Determinazione della quantità di dispersione termica attraverso gli elementi di involucro di un edificio – muri, soffitti, soffitte, finestre, porte, ecc. Ciò può essere ottenuto utilizzando la seguente relazione:

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

S – superficie totale di tutti gli elementi dell'involucro edilizio, m²;

tвн – temperatura esterna, gradi C;

t nar – temperatura dell'aria nell'ambiente esterno, in gradi Celsius;

n è un coefficiente che tiene conto della struttura dell'edificio; per gli edifici aperti è pari a 1; per gli edifici con mansarda viene applicato un valore di 0,9; per i locali situati nel seminterrato viene assunto pari a 0,75;

b – coefficiente di dispersione termica aggiuntiva, a seconda del tipo di edificio e della sua ubicazione nelle zone climatiche della Russia, il suo valore può variare nell'intervallo 0,05 – 0,27;

Rт è la resistenza termica, che deve essere calcolata ulteriormente utilizzando la formula:

Rт = 1( , m²xC/W, dove

• valori calcolati della conduttività termica dei materiali della struttura di contenimento;
• coefficiente di dissipazione del calore dalle superfici interne;
• Lo stesso vale per le superfici esterne.

Dopo aver effettuato i calcoli preliminari, determiniamo le perdite di calore totali dovute a diversi fattori:

Qт.пот = Qок+Qи-Qбл, Dove

Qbl – trasferimento totale di calore derivante dal funzionamento degli elettrodomestici e dall'attività umana;

Qи – costi energetici per compensare le perdite di calore dovute a infiltrazioni nelle strutture di contenimento.

2. In base ai risultati ottenuti, possiamo calcolare il fabbisogno annuo di energia elettrica. A tal fine, utilizziamo il seguente rapporto:

Qyear = 24x0,63 x Qt.pot x ((dx (tin-toutdoor) : (tin-tout)) (kW/ora) all'anno, Dove:

• tvn - il valore di temperatura desiderato all'interno della casa;
• t nar – temperatura esterna effettiva;
• tнар.ср – temperatura media annua nella regione;
• d – durata del periodo di riscaldamento, in giorni.

3. Per comprendere meglio il funzionamento di una pompa di calore, è necessario calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua dell'impianto di riscaldamento domestico. Questo calcolo può essere effettuato utilizzando la seguente formula:

Qhor.v = V x 17 kW/ all'anno, Dove:

V – volume di consumo giornaliero di acqua riscaldata a 50^O CON.

Di conseguenza, i costi energetici per soddisfare il fabbisogno di riscaldamento e acqua calda ammonteranno a:

Q = Qanno + Qgv, (kW/ora all'anno).

Si raccomanda di incrementare del 10% il risultato ottenuto, tenendo conto del funzionamento più intensivo del sistema durante i picchi di carico. Un calcolo preliminare della capacità della pompa di calore per il riscaldamento domestico consente una selezione accurata dell'impianto.

Per eseguire il calcolo, è possibile utilizzare una calcolatrice apposita, di cui si trovano in abbondanza su Internet.

Tipi di pompe di calore

Esistono diversi tipi di dispositivi a seconda della fonte di calore utilizzata. Il principio di funzionamento di una pompa di calore domestica si basa sul presupposto che il calore venga prelevato da fonti in grado di accumulare al meglio l'energia solare durante tutta la stagione.

Sono disponibili per la vendita i seguenti tipi di dispositivi:

• terreno (terra - acqua);
• aria (aria - aria);
• aria - acqua;
• acqua (acqua - acqua).

Analizziamoli più nel dettaglio qui di seguito.

Aria - acqua

Come funziona la pompa ARIA-ACQUA Il processo prevede il riscaldamento del fluido refrigerante in un sistema a pompa di calore mediante aria calda. Una ventola spinge l'aria calda dall'ambiente circostante all'interno del sistema.

Pompa di calore aria-acqua

Lì, interagisce con il refrigerante, che si riscalda a seguito di questa interazione, trasformandosi in gas. Il gas entra quindi nel compressore, dove viene spinto sotto pressione nel condensatore interno, trasferendo il suo calore all'acqua.

Terra - acqua

Il suolo è la fonte di calore più stabile e quindi più diffusa. A una profondità compresa tra 4 e 8 metri, la temperatura si mantiene costante tra i 5 e gli 8 gradi sopra lo zero, mentre a una profondità di 10 metri raggiunge i 10 gradi. Esistono due metodi principali per raccogliere l'energia termica:

• utilizzando un collettore orizzontale;
• mediante una sonda geotermica verticale.

Il primo tipo consiste in una serie di tubi disposti orizzontalmente per il trasporto del liquido refrigerante. La profondità di installazione deve essere calcolata individualmente per ogni caso, in base al terreno, al clima e ad altri fattori.

In alcune situazioni è consigliabile posizionare la tubazione alla profondità di congelamento del terreno (1,4 - 1,8 m), 2,5 - 3,5 metri (se è necessario ridurre la differenza di temperatura e ottenere una maggiore costanza) o 1 - 1,3 metri (A questa profondità, il terreno si riscalda più velocemente in primavera.) Talvolta, viene installato anche un collettore speciale composto da due strati.

Questo tipo di collettore utilizza tubi con sezione trasversale di 25, 32 o 40 mm. Possono essere posati secondo diverse configurazioni: a spirale, a saetta, a serpentina, ad anello, ecc. Se si utilizza una configurazione a serpentina, i tubi devono essere distanziati da 0,6 a 1 metro (più comunemente, 80 centimetri).

Per calcolare la velocità di trasferimento del calore in una tubazione, è necessario tenere conto del tipo di terreno. Per sabbia o argilla asciutte, la velocità di trasferimento del calore è rispettivamente di 10 e 20 W per metro lineare; per argilla umida, la velocità di trasferimento del calore è di 25 W; e per argilla con un elevato contenuto di umidità, la velocità di trasferimento del calore è di 35 W.

Lo svantaggio di questo tipo di collettore è la necessità di un impianto di grandi dimensioni. Se la superficie della casa da riscaldare è di 100 metri quadrati e il terreno è costituito da argilla umida, l'impianto di collettori richiederà 400 metri quadrati di terreno, o circa 500 metri quadrati.

Considerando che non è possibile collocare edifici o altri oggetti in superficie (si può posizionare solo un prato con piante di un anno), non tutti i proprietari saranno in grado di destinare uno spazio libero sufficiente.

In questo caso, una sonda verticale rappresenta una soluzione più adatta. Essa consiste in uno scambiatore di calore in cui i tubi sono interrati nel terreno fino a una profondità di 200 metri. Il numero di sonde installate dipende dalla potenza termica richiesta.

I pozzi poco profondi dovrebbero essere distanziati di circa 5-8 metri l'uno dall'altro. Perforare un singolo tubo a 100-200 metri di profondità non è economicamente vantaggioso e richiede anche permessi dalle autorità competenti. Per evitare ciò, è consigliabile installare più tubi.

Pertanto, l'unico svantaggio delle strutture verticali è l'elevato costo della perforazione di pozzi profondi.

Tuttavia, nonostante ciò, la sonda rimane una soluzione più diffusa, in quanto offre un'efficienza sufficiente senza particolari requisiti in termini di superficie del sito o altri fattori limitanti.

L'acqua è acqua

Un'altra fonte di calore molto diffusa per il riscaldamento domestico è l'acqua. Esistono tre tipi di sistemi di questo tipo, a seconda della fonte del liquido:

• un collettore posto sul fondo di uno specchio d'acqua aperto (che non deve congelare) – mari, fiumi, laghi;
• un collettore situato nella fognatura;
• utilizzando acqua proveniente da pozzi o falde acquifere.

La prima opzione prevede di posizionare i tubi del liquido antigelo sott'acqua. Per evitare che risalgano in superficie, vengono fissati con dei pesi aggiuntivi. Data l'elevata temperatura del liquido di raffreddamento, questo metodo è considerato efficace ed economicamente vantaggioso.

Lo svantaggio è che una struttura del genere può essere costruita solo se lo stagno si trova a non più di 50 metri dalla proprietà. In caso contrario, l'installazione e il funzionamento risulterebbero antieconomici. Tuttavia, per chi vive in zone costiere, una pompa di calore geotermica rappresenta una soluzione ottimale per il riscaldamento domestico.

Utilizzando acque reflue trattate e scarichi provenienti da impianti di processo, un collettore può riscaldare edifici multipiano e impianti industriali, oltre a fornire acqua calda sanitaria. Questo sistema è raramente utilizzato per il riscaldamento di abitazioni private, poiché queste si trovano spesso lontano dalla rete fognaria centrale.

I collettori che prelevano acqua da pozzi o falde acquifere sono meno utilizzati rispetto ad altri tipi. Ciò è dovuto principalmente alla necessità di costruire due vasche. La prima raccoglie il liquido, che poi trasferisce la sua energia termica al refrigerante, mentre la seconda riceve l'acqua raffreddata.

In alcuni casi, al posto di un pozzo trivellato si costruisce un pozzo di percolazione. Il pozzo di scarico deve essere situato a valle del livello della falda freatica e a 20 metri di distanza dal pozzo originario.

Questo sistema è abbastanza difficile da installare e da mantenereÈ essenziale monitorare regolarmente i componenti della pompa per individuare eventuali segni di corrosione e contaminazione. È altrettanto importante controllare la qualità dell'acqua in ingresso e filtrarla tempestivamente.

Aria - aria

Le pompe di calore aria-aria offrono un netto vantaggio rispetto ad altri tipi di impianti. Una pompa di calore utilizza solo l'aria come fonte di calore, eliminando la necessità di perforare pozzi o installare collettori d'acqua. Di conseguenza, le pompe di calore aria-aria sono significativamente meno costose.

Questo tipo di sistema presenta la struttura e il principio di funzionamento più semplici. L'aria entra nell'evaporatore, dove cede calore al refrigerante. Questo calore viene poi trasferito dall'evaporatore al fluido termovettore direttamente all'interno dell'abitazione. Questo tipo di riscaldamento può essere realizzato, ad esempio, tramite convettori di ventilazione (ventilconvettori) o un sistema di riscaldamento a pavimento.

Il costo di installazione di questo dispositivo è relativamente basso rispetto ai sistemi ad acqua o geotermici, e la sua efficienza dipende principalmente dalla temperatura dell'aria. Se vivete in una zona con inverni miti (almeno 0°C), questo metodo è considerato il più conveniente.

Se la temperatura scende al di sotto dei -15 gradi, la pompa non sarà in grado di riscaldare a sufficienza l'ambiente; pertanto, sarà più opportuno utilizzare il riscaldamento elettrico o la caldaia.

Se è importante far funzionare una pompa d'aria in regioni con inverni rigidi, viene installata una fonte di calore di riserva aggiuntiva, che verrà attivata durante le gelate intense.

È anche possibile in alcuni casi installare un sistema di aria se il clima è secco e la temperatura non scende al di sotto di -15 gradi.

In condizioni di umidità e gelo, si formerà uno strato di ghiaccio sul corpo del dispositivo, che ne comprometterà il funzionamento e potrebbe causarne un rapido guasto.

Prezzi e produttori

Il valore di mercato medio approssimativo dell'attrezzatura e della sua installazione è:

Collettore orizzontale:

• Pompa – 4500 dollari;
• installazione — 2500 dollari;
• Costo di esercizio: 350 dollari all'anno.

Sonda geotermica:

• Pompa – 4500 dollari;
• installazione — 4.500 dollari;
• Costo di esercizio: 320 dollari all'anno.

Aria - per la casa:

• Pompa – 6500 dollari;
• installazione — 400 dollari;
• Costo di esercizio: 480 dollari all'anno.

Pompa acqua-acqua per uso domestico:

• Pompa di calore – 4500 dollari;
• installazione — 3.500 dollari;
• Costo di esercizio: 280 dollari all'anno.

I prezzi indicati non sono definitivi. Il costo finale dipenderà dal paese e dal produttore del dispositivo, dal tipo di terreno, dal clima, dai costi di perforazione, dalle condizioni di costruzione, ecc.

Ad esempio, il prezzo di una pompa ad aria di un produttore russo si aggira intorno ai 7.000 dollari, mentre quello di un produttore estero è di 13.000 dollari.

Non dimenticate nemmeno il costo dell'elettricità. Anche se l'apparecchiatura non consuma molta energia, queste spese devono assolutamente essere incluse nella stima e nel budget complessivi.

Quale pompa scegliere?

Per decidere quale dispositivo scegliere, è necessario considerare i seguenti fattori:

• Budget stimato: la somma di denaro che il proprietario è disposto a spendere per l'installazione e il collegamento dell'intero sistema;
• Qual è l'impianto di riscaldamento esistente o previsto all'interno dell'abitazione? Ad esempio, riscaldamento a pavimento, radiatori, ecc.
• Quanti metri quadrati è disposto a destinare il proprietario del terreno alla realizzazione di un'area di raccolta?
• È possibile perforare in profondità?
• la necessità di un'indagine geologica (se è prevista l'installazione di una sonda geotermica) per determinare a quale profondità debba essere posizionato il collettore;
• È necessario condizionare il flusso d'aria in estate?
• Verranno installati dispositivi di riscaldamento dell'aria?

Nella scelta di una pompa di calore, è consigliabile prestare attenzione al "coefficiente di trasformazione termica" (indicato con ϕ). Questo valore determina l'efficienza del dispositivo. Se al momento dell'acquisto viene specificato ϕ=4, con un consumo di energia elettrica di 1 kW, la pompa di calore produrrà 4 kW di energia termica.

Quando si pianifica il budget, è importante considerare non solo il costo di acquisto della pompa, ma anche i futuri costi di esercizio. Questi fattori spesso differiscono.

Ad esempio, l'installazione di un sistema aria-acqua avrà bassi costi di installazione, ma richiederà costi di esercizio significativi a causa della sua bassa efficienza. Se è necessario ridurre al minimo i costi di esercizio, allora una pompa di calore geotermica verticale è la soluzione ideale.

Il costo di un sistema geotermico o idrotermico e della sua installazione è piuttosto elevato, richiedendo un investimento iniziale significativo. Tuttavia, una pompa di calore utilizzata per il riscaldamento si ripaga da sola entro 5-10 anni. Pertanto, la decisione di acquistare questo dispositivo dovrebbe basarsi sulle possibilità finanziarie e sulle caratteristiche costruttive dell'edificio (ubicazione, clima, ecc.).

Se, ad esempio, non è possibile effettuare perforazioni profonde in un determinato sito, la sua superficie non consente l'installazione di un collettore orizzontale e non vi sono specchi d'acqua nelle vicinanze, l'unica soluzione è installare una pompa di calore aria-aria per riscaldare l'abitazione.

installazione fai da te

Se il proprietario di casa ha familiarità con i principi di funzionamento e la progettazione dei circuiti dell'apparecchiatura, può assemblare la pompa autonomamente. Tuttavia, sono necessari dei calcoli preliminari; a tal fine, è possibile utilizzare un software già pronto per l'ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento.

L'installazione meno complessa è un sistema di riscaldamento aria-acqua fai-da-te. Sarà composto da due condotti (uno per l'immissione dell'aria e uno per l'estrazione), una ventola e un compressore.

Non è necessario acquistare un nuovo compressore; è possibile utilizzare un'unità funzionante proveniente da un frigorifero o da un altro apparecchio. Si consiglia un compressore scroll.

Fasi di lavoro:

1. Realizzate una spirale con un tubo di rame. Posizionate il tubo che trasporta il refrigerante sulla parte superiore.
2. Montare la serpentina in un contenitore di plastica diviso a metà. Questo fungerà da evaporatore.
3. Collega la valvola termostatica e isolala.
4. Assembla tutti gli elementi in un blocco e verificane la funzionalità.

È importante notare che questa procedura è piuttosto complessa per una persona media. Un non professionista non sarà in grado di assemblare correttamente tutti i componenti e collegare la valvola termostatica.

È meglio affidare il lavoro a professionisti, poiché errori nella procedura possono causare malfunzionamenti delle apparecchiature o un consumo energetico inefficiente.

Pertanto, una pompa di calore rappresenta un metodo efficace per riscaldare un'abitazione privata. Sebbene questo tipo di impianto non sia molto diffuso in Russia e nei paesi della CSI, è invece ampiamente utilizzato per il riscaldamento in Europa e negli Stati Uniti.

Si raccomanda di scegliere la pompa di calore più adatta non solo in base ai costi di installazione e di esercizio, ma anche in base alla regione di utilizzo, alle condizioni costruttive, alla superficie del sito e ad altri fattori.