Bomba de calor para calentar una casa: principio de funcionamiento, variedades y uso.

En el empeoramiento de la situación ambiental en el mundo y (más importante para el consumidor medio) el rápido aumento de las tarifas de gas y electricidad, cada vez más europeos intentan introducir sistemas que utilizan fuentes de energía alternativas en su vida diaria. Una de las opciones para tales sistemas es la llamada bomba de calor, a través de la cual puede calentar su hogar en invierno y calentar agua para fines domésticos, gastando un mínimo de electricidad en ella.

En los hogares de nuestros compatriotas en los últimos años, también puedes conocer cada vez más este milagro de ingeniería. Por supuesto, para los rusos, el problema de los altos precios de las fuentes de energía tradicionales no es tan grave como en Europa, pero, en primer lugar, es solo por el momento, y en segundo lugar, no quiero quedarme atrás del mundo civilizado ...

Entonces la bomba de calor ... ¿Qué es? ¿En qué se basa el principio de su acción? ¿Dónde, dónde y cómo transfiere calor? Vamos a hacerlo bien.

El principio de funcionamiento de la bomba de calor.

El principio de funcionamiento de las bombas de calor se basa en la capacidad de una sustancia (refrigerante) para absorber o emitir calor cuando cambia el estado de agregación. En esencia, tales bombas no son muy diferentes de las unidades de refrigeración. (Esta extraña declaración, a primera vista, no lo sorprenderá en absoluto si alguna vez ha tocado la pared trasera caliente de un refrigerador doméstico común).

Esquemáticamente, una bomba de calor puede representarse como un sistema que consta de tres circuitos. El primero es un refrigerante que transfiere energía de una fuente de calor de bajo potencial. En el segundo circuito, circula refrigerante (freón), que se evapora periódicamente, tomando calor del primer circuito, luego se condensa nuevamente y pasa al tercer circuito. Y, finalmente, el disipador de calor "corre" a lo largo del tercer circuito, en nuestro caso, agua que transfiere calor a través del sistema de calefacción.

El ciclo de trabajo de la bomba de calor en términos generales puede describirse como sigue. El refrigerante líquido ingresa al evaporador, donde pasa a un estado gaseoso. La energía necesaria para que este proceso fluya se toma del refrigerante que circula en el circuito primario. Además, el refrigerante gaseoso calentado en varios grados es absorbido por el compresor, cuyo objetivo principal es la compresión de gas (por supuesto, esto consume electricidad).

La presión del gas aumenta varias veces, mientras se calienta significativamente: si la temperatura del refrigerante en la entrada del compresor es de 6-10 ° C, entonces en la salida ya está a unos 60 ° C. En la siguiente etapa, el gas calentado se envía al condensador, donde proporciona el calor recibido al sistema de calefacción, mientras se condensa, es decir, entra en un estado líquido. La sobrepresión se alivia por medio de una válvula de mariposa y el ciclo comienza nuevamente.

Como puede ver, el dispositivo de la bomba de calor no difiere fundamentalmente del dispositivo de la máquina de refrigeración. Es solo que el objetivo principal de las unidades de refrigeración es generar frío, por lo que el evaporador extrae el calor y el condensador solo descarga este calor en el espacio circundante.En la bomba de calor, sucede lo contrario: el condensador es un intercambiador de calor que da calor al consumidor, y el evaporador es un intercambiador de calor que utiliza el calor de bajo potencial de los recursos de energía secundaria.

En otras palabras, una bomba de calor es un "refrigerador al revés". Al mismo tiempo, "viceversa" no es solo un dispositivo, sino también un resultado. Si en el caso de un refrigerador, el calor extraído de los productos almacenados en el interior se desperdicia, entonces la energía generada por la bomba de calor trae beneficios reales: se gasta en el calentamiento específico de la casa.

Variedades de bombas y sistemas de calor.

La energía calorífica gastada en calentar el edificio y el sistema de agua caliente es el resultado de la conversión de energía ambiental mediante el uso de una bomba de calor. La bomba concentra esta energía de bajo potencial (baja temperatura) y la transfiere al sistema de calefacción.

Queda por comprender qué se entiende en este caso por la energía del medio ambiente. La mayoría de las bombas de calor domésticas le permiten utilizar el calor del sol y el calor interno de la tierra, acumulado por las capas superiores de la corteza terrestre y el agua durante todo el año.

Por el tipo de diseño del primer circuito del intercambiador de calor, todas las bombas de calor se dividen en tierra, agua y aire.

Bombas de calor de suelo

Las bombas de calor del suelo reciben el calor necesario para calentar el refrigerante en el evaporador desde el suelo. La temperatura de este último a una profundidad de varios metros prácticamente no está sujeta a fluctuaciones estacionales. En un sistema cerrado de tuberías colocadas en el suelo, circula una "salmuera". No es casualidad que hayamos tomado la palabra "pepinillo" entre comillas: la sal, como cabría esperar del nombre, no la contiene. De hecho, es un anticongelante a base de etilenglicol o propilenglicol, con menos frecuencia etanol acuoso. Las tuberías del intercambiador de calor se pueden colocar en el suelo tanto horizontalmente (colector horizontal) como verticalmente (sonda geotérmica).

Las tuberías del colector horizontal se colocan en el suelo a una profundidad por debajo del nivel de congelación del suelo en esta región (generalmente 1.5-2 m). El sistema de intercambio de calor de este tipo ocupa un área bastante grande. Por ejemplo, para proporcionar calor a una casa relativamente pequeña con un área de 100 m² necesita asignar 2-3 acres de tierra. Debe tenerse en cuenta que en el territorio ocupado por el recolector, solo se pueden plantar árboles y arbustos cuyas raíces no se adentren demasiado en el suelo, y es completamente imposible colocar edificios aquí.

Una sonda geotérmica es un intercambiador de calor cuyas tuberías se colocan verticalmente y se sumergen en el suelo a una profundidad de 100-200 m. El número de sondas instaladas depende de la capacidad requerida de la instalación. Para calentar la casa, que ya hemos considerado anteriormente como un ejemplo, bastarán dos sondas con una longitud de aproximadamente 80 m ubicadas a una distancia de 5 m entre sí.

Como puede ver, este sistema no requiere grandes áreas, puede perforar pozos en cualquier parte de su sitio, donde sea conveniente para usted. La principal desventaja de las bombas de calor del suelo con sondas geotérmicas es el alto costo de la perforación de pozos. Sin embargo, a pesar de esto, la mayoría de los usuarios prefieren estos sistemas, porque las sondas geotérmicas son más eficientes que los colectores horizontales y tienen menos restricciones.

Perforación de un pozo para una sonda geotérmica.

Bombas de calor de agua

La bomba de calor de agua "extrae" la energía del agua subterránea, que bombea a través de su evaporador. Un sistema similar se caracteriza por una mayor eficiencia y una buena estabilidad: la primera característica es el resultado de una alta transferencia de calor del agua, la segunda se debe a la constancia de la temperatura del agua subterránea.

Por supuesto, para utilizar este tipo de instalación, se requiere que estas mismas aguas subterráneas estén disponibles en su territorio y en una cantidad lo suficientemente grande. Es altamente deseable que el acuífero se ubique a una profundidad no mayor de 30-40 m. El cumplimiento simultáneo de estas dos condiciones es un fenómeno poco frecuente. Otra condición, cuya falla puede convertirse en un obstáculo para la instalación de una bomba de calor de agua en su casa o cabaña, es el bajo contenido de sales de hierro y otras impurezas en el agua subterránea.

El uso de agua de baja calidad hará que el equipo falle rápidamente, ya que el intercambiador de calor simplemente se obstruye. La presencia de tantas restricciones es la razón por la cual estas bombas de calor, a pesar de su atractivo, se instalan con poca frecuencia (alrededor del 5% de todos los proyectos implementados).

Bombas de calor de aire

En términos de facilidad de instalación, las bombas de calor de aire tienen una gran ventaja sobre sus "hermanos". Para utilizar el aire ambiente como fuente de calor, no tiene que perforar pozos ni realizar ningún otro trabajo de suelo a gran escala. Como resultado, si calcula el costo de instalación del equipo, una bomba de aire le costará mucho menos que una bomba de agua o tierra.

A pesar de una ventaja tan significativa, este tipo de equipo climático no se puede llamar ideal, ya que también tiene un inconveniente significativo. Dicha bomba solo funciona de manera eficiente cuando la temperatura ambiente es superior a –15 ° C ... –20 ° C. Una caída de temperatura por debajo de esta frontera, que en invierno no es infrecuente en la mayoría de las regiones de nuestro país, conduce a una disminución significativa en el coeficiente de eficiencia de una bomba de calor de aire.

Relación de eficiencia de la bomba de calor

Un poco más alto, utilizamos el nuevo término: "coeficiente de eficiencia". Sería un error no explicar de qué se trata, especialmente porque es una característica importante de las bombas de calor que le permite comparar diferentes tipos de bombas entre sí.

El coeficiente de eficiencia (también llamado coeficiente de transformación) es la relación entre la energía térmica generada por la bomba y la energía eléctrica que consume. De hecho, esta es la eficiencia de la bomba de calor. En el caso de las bombas de calor de agua, este coeficiente es 5, independientemente de la época del año. Esto significa que cuando se consume 1 kW * h de electricidad, la instalación genera 5 kW * h de energía térmica.

En las bombas de suelo, el valor del coeficiente de eficiencia es ligeramente menor, de 4 a 4,5. Y finalmente, las bombas de calor de aire se caracterizan por el coeficiente más pequeño, y su eficiencia depende en gran medida de la temperatura ambiente: a 0 ° C, el coeficiente es ~ 3.5, y a –20 ° C no excede 1.5 (con una eficiencia tan baja, la bomba simplemente no está pagado, y tiene sentido pensar en comprar equipos climáticos más baratos, como una caldera eléctrica).

Algunos gerentes, al anunciar las bombas de calor que venden, aseguran a los clientes potenciales que este equipo tiene una eficiencia del 400-500%. Por supuesto, no se habla de ninguna violación de las leyes de la termodinámica. Es solo que, en este caso, los cálculos se hicieron mal intencionalmente: no se tienen en cuenta las fuentes de energía distintas de la electricidad consumida: aire, agua o suelo, calentados por el Sol y procesos geotérmicos. Cuando al calcular la eficiencia, solo se tiene en cuenta la electricidad y se olvidan de la fuente de calor de bajo grado, el resultado es más del 100%.

El uso de bombas de calor en el clima ruso.

Después de familiarizarse con las descripciones anteriores de varios tipos de bombas de calor, puede responder fácilmente a la pregunta usted mismo, qué bomba es la más adecuada para operar en el clima ruso.

Las bombas de calor de aire son adecuadas para su uso solo en un número limitado de regiones de nuestro país, donde la temperatura del aire en invierno casi no cae por debajo de cero. Por supuesto, los residentes de Siberia, el Lejano Oriente, el norte de la parte europea de Rusia ni siquiera deberían pensar en las bombas de calor de aire.

Existen muchas limitaciones para el uso de bombas de calor de agua. Ya hemos hablado de algunos de ellos; queda por mencionar uno más. Más de la mitad del territorio de nuestro país se encuentra en la zona de permafrost. Si incluso algún residente del este de Siberia o el norte del Lejano Oriente es "afortunado" y hay agua subterránea en su sección que no es demasiado profunda, entonces estas aguas subterráneas tienen forma de hielo, lo que significa que no son adecuadas para su uso en el sistema de calefacción .

Por lo tanto, la mayoría de nuestros compatriotas tienen que confiar en la única opción de ganar-ganar, una bomba de calor de suelo. Al mismo tiempo, en un clima ruso, una bomba con un colector horizontal, pero con una sonda geotérmica, que permite alcanzar una profundidad donde la temperatura del suelo es más estable, es más adecuada.

Aplicación de bomba de calor para enfriamiento

Una gran ventaja de las bombas de calor es que no solo pueden calentar la casa, sino también enfriarla si es necesario. Nuestro breve verano ruso a veces es muy caluroso, y cuando su hogar literalmente se calienta, la propuesta de convertir el calentador en un aire acondicionado será muy útil.

Una solución técnica a este problema puede integrarse inicialmente en la bomba de calor, en la etapa de fabricación, y casi todos los fabricantes tienen una gama de bombas que pueden acondicionar la habitación (modo de enfriamiento natural). Si su bomba de calor no tiene tales capacidades, todavía no se pierde todo: una bomba normal puede funcionar para enfriar. El equipo adicional necesario en forma de desacoplamiento hidráulico se montará fuera de la bomba. Ambas opciones no requieren grandes inversiones.

Puede transportar el frío generado por la bomba de calor directamente a la habitación de varias maneras. Esta función se puede asignar a paneles fríos en paredes o techos, calefacción por suelo radiante, radiadores con buen flujo de aire o una bobina de ventilador: un dispositivo en el que un ventilador de intercambiador de calor de placas está integrado.

El uso de una bomba de calor para agua caliente.

Cualquier bomba de calor no solo puede calentar su hogar, sino también suministrarle agua caliente durante todo el año. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que este sistema es de baja temperatura, lo que significa que la temperatura del agua en la caldera no superará los 45-55 ° C. De ello se deduce que el volumen de la caldera debe ser mayor que cuando se utiliza un sistema de calefacción estándar, de lo contrario, usted y su hogar tendrán que vivir en condiciones de austeridad del agua caliente.

Este hecho debe tenerse en cuenta al asignar espacio para una sala de calderas, es decir, incluso en la etapa de diseño de una casa. Además, al elegir una caldera, debe tener en cuenta que este debe ser un equipo especial diseñado para trabajar con instalaciones de bomba de calor. La principal diferencia entre esta caldera y la habitual es el aumento del área del intercambiador de calor necesaria para la transferencia de calor más eficiente desde la bomba de calor.

Bombas de calor con elemento calefactor integrado.

A menudo, los fabricantes integran calentadores eléctricos adicionales en sus bombas de calor. El calentador incorporado permite, si es necesario, cambiar a una fuente alternativa de energía desde el punto de vista de la bomba de calor: la electricidad. ¿Para qué es esto? En cuyo caso es necesario usar un calentador;

La selección de una bomba de calor para calentar una casa se lleva a cabo teniendo en cuenta diversos parámetros, incluidas las características climáticas de la región. En este caso, no se considera práctico instalar una bomba con exceso de potencia.El hecho es que los días extremadamente fríos no ocurren con mucha frecuencia, al menos en la parte centroeuropea de Rusia. La práctica muestra que una opción más económica es "obtener" la energía necesaria con electricidad durante estos períodos helados que instalar inicialmente una bomba más potente. La presencia de un elemento calefactor elimina la necesidad de hacer que el sistema sea más potente de lo que requiere la mayor parte de la temporada de calefacción.

Para los propietarios de bombas de agua y de calor subterráneo, un calentador integrado es más un exceso que una necesidad. La situación con las bombas de calor de aire se ve completamente diferente. A una temperatura del aire de –20 ° C o inferior, dicha bomba, si no se apaga, será ineficaz. Y aunque no hay muchos días y noches frías en el año, no quiero quedarme en una casa de congelación rápida en un buen momento. La presencia de un generador de calor duplicado en este caso no se puede llamar un lujo.

Bomba de calor de aire.

Consejos y trucos

Una bomba de calor es un equipo técnicamente sofisticado y bastante costoso, por lo que debe abordarlo con gran responsabilidad. Para no ser infundado, damos algunas recomendaciones muy específicas.

1. Nunca comience a elegir una bomba de calor sin primero hacer cálculos y crear un proyecto. La falta de un proyecto puede causar errores fatales, que solo pueden corregirse con la ayuda de enormes inversiones financieras adicionales.

2. Solo los profesionales deben confiar el diseño, la instalación y el mantenimiento de la bomba de calor y el sistema de calefacción. ¿Cómo asegurarse de que los profesionales trabajen en esta empresa? En primer lugar, de acuerdo con la disponibilidad de toda la documentación necesaria, una cartera de objetos vendidos, certificados de proveedores de equipos. Es altamente deseable que toda la gama de servicios necesarios sea provista por una compañía, que en este caso será totalmente responsable de la implementación del proyecto.

3. Le recomendamos que prefiera una bomba de calor de fabricación europea. No se confunda con el hecho de que es más caro que el equipo chino o ruso. Cuando incluye en la estimación del costo de instalación, puesta en marcha y depuración de todo el sistema de calefacción, la diferencia en el precio de las bombas será casi invisible. Pero luego, teniendo un "europeo" a su disposición, estará seguro de su fiabilidad, ya que el alto precio de la bomba es solo el resultado del uso de tecnologías modernas y materiales de alta calidad al crearla.