Bomba de calor de bricolaje para calefacción doméstica

El contenido del artículo

• Un poco de teoría
• ¿Dónde es mejor «quitar» el calor
• Diagrama esquemático
• Fabricación de evaporadores y condensadores
• Instalación del circuito

A diferencia de los dispositivos de energía alternativa, como los paneles solares y las turbinas eólicas, la bomba de calor es menos conocida. Y en vano. El esquema de agua subterránea más común funciona de manera estable y no depende del clima o las condiciones climáticas. Y puedes hacerlo tu mismo.

Un poco de teoría

Es más fácil utilizar el calor natural de la tierra para calentar una casa si hay agua geotérmica en la región (como se hace en Islandia). Pero tales condiciones son raras..

Y al mismo tiempo, la energía térmica está en todas partes, solo necesita extraerla y hacerla funcionar. Para eso sirve la bomba de calor. Que hace:

• toma energía de fuentes naturales de baja temperatura;
• lo acumula, es decir, eleva la temperatura a valores altos;
• lo da al refrigerante del sistema de calefacción.

En principio, se utiliza un circuito frigorífico de compresor estándar, pero «al revés». Un portador de calor natural circula en el primer circuito. Está cerrado a un intercambiador de calor, que actúa como evaporador para el segundo circuito..

1 – tierra; 2 – circulación de salmuera; 3 – bomba de circulación; 4 – evaporador; 5 – compresor; 6 – condensador; 7 – sistema de calefacción; 8 – refrigerante; 9 – estrangulamiento

El segundo circuito es la propia bomba de calor, dentro de la cual hay freón. Un ciclo de bomba de calor consta de los siguientes pasos:

1. En el evaporador, el freón se calienta hasta el punto de ebullición. Depende del tipo de freón y de la presión en esta parte del sistema (normalmente hasta 5 atmósferas).
2. En estado gaseoso, el freón ingresa al compresor y se comprime a 25 atmósferas, mientras que su temperatura aumenta (a mayor compresión, mayor temperatura). Esta es la fase de acumulación de calor: de un gran volumen con una temperatura baja, una transición a un volumen pequeño con una temperatura alta.
3. El gas calentado por presión ingresa al condensador, en el que el calor se transfiere al refrigerante del sistema de calefacción..
4. Después de enfriarse, el freón entra en el acelerador (también conocido como regulador de flujo o válvula termostática). En él, la presión cae, el freón se condensa y vuelve al evaporador en forma de líquido..

¿Dónde es mejor «quitar» el calor

En principio, existen tres medios de los que se puede «eliminar» el calor:

1. Aire. A presión normal, todos los tipos de freones hierven a temperaturas negativas (por ejemplo, R22 – aproximadamente -25 ° C, R404 y R502 – aproximadamente -30 ° C). Pero para la circulación en el sistema, es necesario crear un exceso de presión ya en la primera fase: la evaporación. Las mismas 4 atmósferas en el evaporador requieren que la temperatura del aire exterior sea de al menos 0 ° C para R22 y -5 ° C para R404 y R502. En nuestras regiones, este tipo de bomba de calor se puede utilizar para calentar fuera de temporada y para el suministro de agua caliente en la temporada cálida..

2. Agua. Esta es una fuente de calor más estable, siempre que el depósito no se congele hasta el fondo en invierno. Pero la casa no solo debe estar al lado de un lago o río, sino en la primera línea..

3. Tierra. La fuente de energía térmica más estable. Puede utilizar dos esquemas: horizontal y vertical. Horizontal parece más fácil porque no requiere taladrar. Pero habrá que hacer una gran cantidad de movimiento de tierras para cavar un sistema de trincheras a una profundidad por debajo del nivel de congelación del suelo (para latitudes medias va desde 1 metro en el oeste de la parte europea del país y hasta 1,6-1,8 más cerca de los Urales, en Siberia la situación es “aún peor “El esquema vertical es más versátil y eficiente, pero requiere perforar a una profundidad considerable. Aunque se pueden usar varios pozos poco profundos en lugar de uno profundo..

Diagrama esquemático

El circuito de la bomba de calor en sí es simple: evaporador – compresor – condensador – estrangulador – evaporador.

El corazón del circuito es el compresor. Puedes comprar uno nuevo, pero es más barato encontrar uno usado. Naturalmente, no estamos hablando de compresores de baja potencia para frigoríficos domésticos, sino de modelos instalados en sistemas split. Es necesario centrarse no en el consumo de energía, sino en la energía en el modo de calefacción (que es un 5-20% más alto que en el modo de enfriamiento).

El modelo de compresor se elige de acuerdo con la relación de 1 kW por 10 m2. metros de área calentada.

¡Atención! La potencia se puede indicar no solo en kW, sino también en BTU (unidad inglesa de medida de energía térmica, adoptada para tecnología climática). La conversión es fácil: divida el valor de BTU por 3.4.

Al calcular los parámetros de una bomba de calor, incluidos los intercambiadores de calor, se utiliza software para modelar, calcular y optimizar sistemas de refrigeración, por ejemplo, CoolPack

Ya en la etapa de cálculos (o más bien, al especificar la «entrada»), puede optimizar el sistema eligiendo las condiciones térmicas óptimas.

El uso de una bomba de calor es eficaz para sistemas de calefacción de baja temperatura, por ejemplo, para calefacción por suelo radiante con una temperatura que no supere los 35-40 ° C. Por cierto, se recomienda la misma temperatura para los requisitos médicos del sistema de ACS..

Para cada tipo de freón existen temperaturas óptimas de «entrada» y «salida», más precisamente, ebullición y condensación, pero la diferencia en todos ellos no supera los 45-50 ° C.

Parecería que un aumento de la temperatura a la salida de la bomba de calor tendría un efecto positivo, pero no es así. La diferencia de temperatura también aumentará, lo que dará lugar a una disminución del COP (factor de conversión o eficiencia del motor térmico). Además, esto requerirá el uso de un compresor más potente y un consumo de energía adicional..

No se puede alcanzar el COP ideal (pérdidas en el compresor, consumo de energía, pérdidas de calor durante el transporte dentro del sistema, etc.), por lo que los valores reales suelen estar en el rango de 3 a 5.

Hay otra forma de aumentar la eficiencia: el uso de un circuito de calefacción bivalente..

En realidad, el funcionamiento del sistema de calefacción a plena capacidad solo es necesario durante el 15-20% de toda la temporada. Durante este tiempo, puede usar dispositivos de calefacción adicionales (por ejemplo, un calentador de cerámica o un convector). Reducir la potencia térmica de diseño hasta un 80% ahorrará en el compresor, reducirá la profundidad del pozo o la longitud de las tuberías horizontales y reducirá el consumo de energía para el mantenimiento de la bomba de calor..

El diseño del intercambiador de calor de suelo horizontal o vertical depende de la potencia nominal de la bomba de calor y el COP dados. En promedio, se eliminan 20 W de cada metro del «horizonte» (con un paso de tendido de tuberías de al menos 0,7 m), y de la «vertical» – 50 W. Pero los valores específicos dependen del tipo de roca y su contenido de humedad. Los mejores valores para las aguas subterráneas.

¡Interesante! También hay otros intercambiadores de calor de tierra: «espiral» o «canasta». De hecho, se trata de una sonda vertical formada por una tubería en forma de espiral, que permite reducir la profundidad de perforación..

Después de determinar la longitud del circuito horizontal o la profundidad de la sonda vertical, calcule las dimensiones del evaporador y condensador.

Fabricación de evaporadores y condensadores

Puede comprar intercambiadores de calor listos para usar tanto para el evaporador (a baja presión) como para el condensador (a presiones de hasta 25 bar). Pero es más económico fabricarlos a partir de un tubo de cobre para aires acondicionados (que está diseñado específicamente para trabajar con refrigerantes a alta presión) y recipientes improvisados..

¡Importante! La tubería de cobre de plomería no es tan limpia y flexible. Es peor soldarlo y enrollarlo durante la instalación..

Se calcula el área de superficie del intercambiador de calor, que es directamente proporcional a la potencia de liberación de calor e inversamente proporcional a la diferencia de temperatura de los portadores de calor en la entrada y salida de cada circuito conectado (tierra y sistema de calefacción).

Conociendo el diámetro de la tubería y el área de la superficie, determine la longitud de cada serpentín para el evaporador y el condensador..

Es mejor hacer un recipiente para un condensador de acero inoxidable (la temperatura del vapor de freón entrante puede ser bastante alta):

• tome un tanque listo para usar de una capacidad adecuada (para que encaje una espiral de un tubo de cobre);
• coloque una bobina en él (entrada en la parte superior, salida en la parte inferior);
• retire los extremos del tubo de cobre para la conexión al compresor y la válvula de expansión (mediante soldadura o brida);
• haga una conexión de adaptadores en el tanque para conectar las tuberías del sistema de calefacción;
• soldar la tapa.

El evaporador funciona a temperaturas más bajas, por lo que puede llevar un recipiente de plástico más económico, en el que se cortan adaptadores para conectarlo al circuito de tierra. También se diferencia del condensador en la ubicación de la bobina del intercambiador de calor: entrada (fase líquida del freón de la válvula de expansión) desde abajo, salida al compresor desde arriba.

Instalación del circuito

Una vez fabricados los intercambiadores de calor, se ensambla el circuito gas-hidráulico:

• el compresor, el condensador y el evaporador están instalados en su lugar;
• tubos de cobre soldados o bridados;
• conectar el evaporador a la bomba del circuito de tierra;
• conectar el condensador al sistema de calefacción.

1 – bomba de circulación del circuito de suelo; 2 – evaporador; 3 – salida del contorno del suelo; 4 – válvula termostática; 5 – compresor; 6 – al sistema de calefacción; 7 – condensador; 8 – retorno del sistema de calefacción

El circuito eléctrico (compresor, bomba de bucle de tierra, automatización de emergencia) debe conectarse a través de un circuito dedicado, que debe soportar corrientes de arranque bastante altas..

Es imperativo utilizar un disyuntor, así como una parada de emergencia de un interruptor de temperatura: en la salida de agua del condensador (con sobrecalentamiento) y la salida de salmuera del evaporador (con sobreenfriamiento).