Bombas de calor para calefacción doméstica: tipos y principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento de la bomba de aire a agua.

Como ya se ha comentado, la principal fuente de energía térmica para este tipo de instalaciones es el aire atmosférico. La base fundamental del funcionamiento de las bombas de aire es la propiedad física de los líquidos de absorber y liberar calor durante la transición de fase de un estado líquido a un estado gaseoso, y viceversa. Como resultado del cambio de estado, se libera la temperatura. El sistema funciona según el principio de un frigorífico a la inversa.

Para utilizar de manera efectiva estas propiedades del líquido, un refrigerante de bajo punto de ebullición (freón, freón) circula en un circuito cerrado, cuyo diseño incluye:

• compresor con accionamiento eléctrico;
• evaporador soplado por ventilador;
• válvula de mariposa (expansión);
• intercambiador de calor de placas;
• Tubos de circulación de cobre o metal-plástico que conectan los elementos principales del circuito.

El movimiento del refrigerante a lo largo del circuito se realiza debido a la presión desarrollada por el compresor.Para reducir las pérdidas de calor, las tuberías se cubren con una capa termoaislante de caucho artificial o espuma de polietileno con una capa protectora metalizada. Como refrigerante se utiliza freón o freón, que puede hervir a temperatura negativa y no se congela hasta -40°C.

Todo el proceso de trabajo consta de los siguientes ciclos sucesivos:

1. El radiador del evaporador contiene un refrigerante líquido que es más frío que el aire exterior. Durante el soplado activo del radiador, la energía térmica del aire de bajo potencial se transfiere al freón, que hierve y pasa a un estado gaseoso. Al mismo tiempo, su temperatura aumenta.
2. El gas calentado ingresa al compresor, donde se calienta aún más durante el proceso de compresión.
3. En estado comprimido y calentado, el vapor refrigerante se alimenta a un intercambiador de calor de placas, donde el portador de calor del sistema de calefacción circula a través del segundo circuito. Dado que la temperatura del refrigerante es mucho más baja que la del gas calentado, el freón se condensa activamente en las placas del intercambiador de calor y emite calor al sistema de calefacción.
4. La mezcla de vapor y líquido enfriada ingresa a la válvula de mariposa, que permite que solo el refrigerante líquido de baja presión enfriado pase al evaporador. Luego se repite todo el ciclo.

Para aumentar la eficiencia de transferencia de calor del tubo, se enrollan aletas en espiral en el evaporador. El cálculo del sistema de calefacción, la elección de las bombas de circulación y otros equipos deben tener en cuenta resistencia hidráulica y coeficiente Instalación de intercambiador de calor de placas de transferencia de calor.

Descripción general en video del dispositivo del sistema y su funcionamiento.

bombas de calor inverter

La presencia de un inversor como parte de la instalación permite una suave puesta en marcha del equipo y una regulación automática de los modos en función de la temperatura exterior. Esto maximiza la eficiencia de la bomba de calor al:

• logro de la eficiencia al nivel de 95-98%;
• reducir el consumo de energía en un 20-25%;
• minimización de cargas en la red eléctrica;
• aumentar la vida útil de la planta.

Como resultado, la temperatura interior se mantiene estable al mismo nivel, independientemente de los cambios climáticos. Al mismo tiempo, la presencia de un inversor completo con una unidad de control automatizada proporcionará no solo calefacción en invierno, sino también suministro de aire fresco en verano cuando hace calor.

Al mismo tiempo, se debe tener en cuenta que la presencia de equipos adicionales siempre conlleva un aumento en su costo y un aumento en el período de recuperación.

División por tipo de fluido de trabajo.

Las bombas de calor modernas pueden utilizar cuerpo gaseoso o líquido químico solución de amoníaco como transportador de calor. La idoneidad de un esquema en particular se evalúa por varios factores, características del sistema.

1. Las instalaciones de freón tienen un ciclo de bomba de calor basado en procesos de compresión y expansión del gas. De alguna manera se basan en el esquema del compresor. El equipo tiene indicadores de rendimiento atractivos, pero también tiene desventajas. Aunque el consumo medio ponderado del sistema en el momento del ciclo de funcionamiento es estable, el cableado está muy cargado. Además, las bombas de calor con transportador de calor gaseoso no serán útiles en regiones donde no exista una red eléctrica centralizada o una fuente de energía con suficiente capacidad de carga.
2. Las plantas de tipo evaporativo que utilizan solución de amoníaco tienen un ciclo de trabajo basado en el proceso de evaporación de la sustancia en puntos de ebullición bajos. La licuefacción tras el paso de un intercambiador de calor externo se produce bajo la acción de una fuente de energía. Este es un quemador de calor. Se puede usar casi cualquier combustible: sólido, gasolina, diesel, gas, queroseno, en algunos casos, alcohol metílico. Por lo tanto, las bombas de calor evaporativo son atractivas en lugares donde no hay electricidad. Además, el bajo costo del combustible de cierto tipo en la región puede impulsar la elección de dicho equipo.

La naturaleza del fluido de trabajo utilizado en el sistema puede decir mucho sobre el rendimiento de la instalación y la potencia de salida. Por lo tanto, las bombas de calor con compresor de freón son capaces de dar una sacudida brusca, calentando rápidamente la habitación. Los modelos de evaporación de amoníaco no son capaces de tales hazañas. Su modo de uso preferido es el funcionamiento estable y continuo a la salida de calor nominal.

Tipos de bombas de calor

Las bombas de calor se dividen en varios tipos. El primer tipo (tipo) en la clasificación según el método de transferencia de energía térmica:

Compresión. Los elementos principales de la instalación son compresores, condensadores, expansores y evaporadores. Este tipo de bombas es de muy alta calidad y eficiencia, lo que hace que sea muy popular en el mercado.

Absorción. La última generación de bombas de calor. Utilizan un freón absorbente en su trabajo. Gracias a esto, la calidad del trabajo aumenta varias veces.

Puede ser distinguido tipos de bombas de calor según las fuentes de calor, a saber:

• La energía térmica es creada por el suelo (en la foto);
• agua;
• Corrientes de aire
• Vuelva a calentar. Se obtienen de la escorrentía del agua, del aire sucio o de las aguas residuales.

Por tipos de circuitos de entrada-salida:

• aire-aire. La bomba toma aire frío, baja su temperatura, recibe el calor requerido, que lo traslada a donde se requiere calefacción.
• agua a agua. La bomba toma el calor del agua subterránea, que se lo da al agua para calentar la habitación.
• agua-aire. Del agua al aire. Es típico el uso de sondas y pozos para el agua, y el calentamiento se realiza a través de un sistema de calefacción por aire.
• aire-agua. Del aire al agua. Las bombas de este tipo utilizan el calor de la atmósfera para calentar el agua.
• suelo-agua. De esta forma, el calor se toma de las tuberías con agua colocada en el suelo. El calor se toma del suelo (suelo).
• agua congelada. Un tipo interesante de bomba de calor. Para calentar agua para la calefacción de espacios, se utiliza una técnica de producción de hielo, en la que se libera una energía térmica colosal. Si congela hasta 200 litros de agua, puede obtener energía que puede calentar un tamaño mediano en 40-60 minutos.

Ventajas y desventajas de las bombas de calor.

Principio funcionamiento de la bomba de calor, en términos sencillos, se basa en la captación de energía térmica de baja calidad y su posterior transferencia a los sistemas de calefacción y climatización, así como a los sistemas de tratamiento de agua, pero a una temperatura superior. Se puede dar un ejemplo sencillo en la forma de un cilindro de gas – cuando está lleno de gas, el compresor se calienta comprimiéndolo. Y si libera gas del cilindro, entonces el cilindro se enfriará; intente liberar gas bruscamente de un encendedor recargable para comprender la esencia de este fenómeno.

Por lo tanto, las bombas de calor, por así decirlo, extraen energía térmica del espacio circundante: está en el suelo, en el agua e incluso en el aire. Incluso si el aire tiene una temperatura negativa, todavía hay calor en él. También se encuentra en cuerpos de agua que no se congelan hasta el fondo, así como en capas profundas de suelo que tampoco son susceptibles a la congelación profunda, a menos, por supuesto, que sea permafrost.

Las bombas de calor tienen un dispositivo bastante complicado, como puede ver al intentar desmontar un refrigerador o acondicionadores de aire. Estas unidades domésticas que nos son familiares son algo similares a las bombas mencionadas anteriormente, solo que funcionan en la dirección opuesta: toman calor de las instalaciones y lo envían al exterior. Si pones la mano en el radiador trasero del frigorífico, notaremos que está caliente. Y este calor no es más que la energía extraída de frutas, verduras, leche, sopas, embutidos y otros productos que se encuentran en la cámara.

Los acondicionadores de aire y los sistemas divididos funcionan de manera similar: el calor generado por las unidades exteriores es energía térmica que se recolecta poco a poco en las habitaciones refrigeradas.

El principio de funcionamiento de una bomba de calor es el contrario al de un frigorífico. Recoge el calor del aire, el agua o el suelo en los mismos granos, después de lo cual lo redirige a los consumidores: estos son sistemas de calefacción, acumuladores de calor, sistemas de calefacción por suelo radiante y calentadores de agua. Parecería que nada nos impide calentar el refrigerante o el agua con un elemento calefactor común; es más fácil de esa manera. Pero comparemos la productividad de las bombas de calor y los elementos de calefacción convencionales:

Al elegir una bomba de calor, lo más importante es la disponibilidad de una fuente de energía natural específica.

• Elemento calefactor convencional: para la producción de 1 kW de calor, consume 1 kW de electricidad (excluyendo errores;
• Bomba de calor: consume solo 200 W de electricidad para producir 1 kW de calor.

No, aquí no hay una eficiencia igual al 500%: las leyes de la física son inquebrantables. Son solo las leyes de la termodinámica en el trabajo aquí. La bomba, por así decirlo, acumula energía del espacio, la "espesa" y la envía a los consumidores. Del mismo modo, podemos recoger las gotas de lluvia a través de una regadera grande, consiguiendo un chorro sólido de agua a la salida.

Ya hemos dado muchas analogías que nos permiten comprender la esencia de las bombas de calor sin fórmulas abstrusas con variables y constantes. Veamos ahora sus ventajas:

• Ahorro de energía - si la calefacción eléctrica estándar de un 100 sq. m generará costos de 20-30 mil rublos por mes (dependiendo de la temperatura del aire exterior), luego el sistema de calefacción con bomba de calor reducirá los costos a 3-5 mil rublos aceptables; de acuerdo, esto ya es bastante ahorros sólidos. Y esto es sin trucos, sin engaños y sin trucos de marketing;
• Cuidar el medio ambiente: las centrales eléctricas de carbón, nucleares e hidroeléctricas dañan la naturaleza. Por lo tanto, la reducción del consumo de electricidad reduce la cantidad de emisiones nocivas;
• Una amplia gama de usos: la energía resultante se puede utilizar para calentar una casa y preparar agua caliente.

También hay desventajas:

• El alto costo de las bombas de calor: esta desventaja impone una restricción en su uso;
• La necesidad de mantenimiento regular: debe pagarlo;
• Dificultad en la instalación: esto se aplica en mayor medida a las bombas de calor con circuitos cerrados;
• Falta de aceptación por parte de las personas: pocos de nosotros estaríamos de acuerdo en invertir en este equipo para reducir la carga sobre el medio ambiente. Pero algunas personas que viven lejos de las tuberías de gas y se ven obligadas a calentar sus hogares con fuentes de calor alternativas aceptan gastar dinero en comprar una bomba de calor y reducir sus facturas mensuales de electricidad;
• Dependencia de la red eléctrica: si se detiene el suministro de electricidad, el equipo se congelará inmediatamente. La situación se salvará instalando un acumulador de calor o una fuente de energía de respaldo.

Como puede ver, algunas de las desventajas son bastante serias.

Los generadores de gasolina y diesel pueden servir como fuentes de energía de respaldo para las bombas de calor.

consejos y trucos

Una bomba de calor es un equipo técnicamente complejo y bastante costoso, por lo que su elección debe abordarse con gran responsabilidad. Para no ser infundado, aquí hay algunas recomendaciones muy específicas.

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

2. El diseño, la instalación y el mantenimiento de la bomba de calor y del sistema de calefacción deben confiarse únicamente a profesionales. ¿Cómo asegurarse de que en esta empresa trabajen profesionales? En primer lugar, por la disponibilidad de toda la documentación necesaria, una cartera de objetos implementados, certificados de proveedores de equipos.Es muy deseable que toda la gama de servicios necesarios sea proporcionada por una empresa, que en este caso será totalmente responsable de la implementación del proyecto.

3. Le recomendamos que dé preferencia a una bomba de calor de fabricación europea. No se deje confundir por el hecho de que es más caro que el equipo chino o ruso. Cuando se 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 imperceptible. Pero, por otro lado, al tener un "europeo" a su disposición, estará seguro de su confiabilidad, ya que el alto precio de la bomba es solo el resultado del uso de tecnologías modernas y materiales de alta calidad para crearlo.

Variedades principales

Todas las bombas de circulación para sistemas de calefacción se dividen en dos tipos de diseño: dispositivos con rotor "seco" y bombas de circulación con rotor "húmedo".

En las bombas de circulación del primer tipo, que ya se desprende de su nombre, el rotor no entra en contacto con el medio de trabajo líquido: el refrigerante. El impulsor de tales bombas está separado del rotor y el estator por anillos de acero de sellado, presionados entre sí por medio de un resorte especial que compensa el desgaste de estos elementos. La estanqueidad de este conjunto de sellado durante el funcionamiento de la bomba está garantizada por una fina capa de agua entre los anillos de acero, que se forma debido a la diferencia entre las presiones en el sistema de calefacción y en el ambiente externo.

Las bombas de circulación para calefacción con un rotor "seco" se distinguen por una eficiencia bastante alta (89%) y productividad, pero las máquinas hidráulicas de este tipo también tienen desventajas, que incluyen fuertes ruido en el trabajo y complejidad en la operación, mantenimiento y reparación.Como regla general, los sistemas de calefacción industrial están equipados con bombas de este tipo, rara vez se usan en sistemas de calefacción domésticos.

Bomba de circulación de una etapa con un rotor "seco"

Una bomba de circulación para sistemas de calefacción equipada con un rotor de tipo "húmedo" es un dispositivo cuyo impulsor y rotor están en contacto constante con el refrigerante. El medio de trabajo en el que giran el rotor y el impulsor actúa como lubricante y refrigerante. El estator y el rotor de las bombas de este tipo están aislados entre sí mediante un vidrio especial de acero inoxidable. Dicho vidrio, dentro del cual un rotor y un impulsor giran en el medio refrigerante, protege el devanado del estator energizado de la entrada de fluido de trabajo en él.

La eficiencia de las bombas de este tipo es bastante baja y es solo del 55%, pero las capacidades técnicas de dicho dispositivo son suficientes para garantizar la circulación del refrigerante en los sistemas de calefacción. casas no muy grandes. Si hablamos de las ventajas de las bombas de circulación con un rotor "húmedo", deben incluir la cantidad mínima de ruido emitido durante el funcionamiento de dichos dispositivos, alta confiabilidad, facilidad de operación, mantenimiento y reparación.

bomba de circulacion humeda

Selección del tipo de bomba de calor

El principal indicador de este sistema de calefacción es la potencia. En primer lugar, los costes económicos para la compra de equipos y la elección de una u otra fuente de calor a baja temperatura dependerán de la potencia.Cuanto mayor sea la potencia del sistema de bomba de calor, mayor será el costo de los componentes.

En primer lugar, esto se refiere a la potencia del compresor, la profundidad de los pozos para sondas geotérmicas o el área para alojar un colector horizontal. Los cálculos termodinámicos correctos son una especie de garantía de que el sistema funcionará de manera eficiente.

Si hay un embalse cerca de su área personal, la opción más rentable y productiva será bomba de calor de agua-agua

Primero debe estudiar el área prevista para la instalación de la bomba. La condición ideal sería la presencia de un embalse en esta zona. El uso de la opción agua a agua reducirá significativamente la cantidad de excavación.

El aprovechamiento del calor de la tierra, por el contrario, implica un gran número de trabajos asociados a la excavación. Los sistemas que usan agua como calor de bajo grado se consideran los más eficientes.

El dispositivo de una bomba de calor que extrae energía térmica del suelo implica una cantidad impresionante de movimiento de tierras. El colector se coloca por debajo del nivel de congelación estacional.

Hay dos formas de utilizar la energía térmica del suelo. El primero consiste en perforar pozos con un diámetro de 100-168 mm. La profundidad de dichos pozos, según los parámetros del sistema, puede alcanzar los 100 mo más.

Se colocan sondas especiales en estos pozos. El segundo método utiliza un colector de tuberías. Tal colector se coloca bajo tierra en un plano horizontal. Esta opción requiere un área bastante grande.

Para colocar el colector, las áreas con suelo húmedo se consideran ideales. Naturalmente, la perforación de pozos costará más que un yacimiento horizontal.Sin embargo, no todos los sitios tienen espacio libre. Para un kW de potencia de bomba de calor, necesita de 30 a 50m² de superficie.

La construcción para la toma de energía térmica con un pozo profundo puede resultar un poco más económica que cavar un pozo

Pero una ventaja significativa radica en el importante ahorro de espacio, que es importante para los propietarios de pequeñas parcelas. En el caso de la presencia de un horizonte de agua subterránea alto en el sitio, los intercambiadores de calor se pueden colocar en dos pozos ubicados a una distancia de aproximadamente 15 m entre sí.

En el caso de la presencia de un horizonte de agua subterránea alto en el sitio, los intercambiadores de calor se pueden colocar en dos pozos ubicados a una distancia de aproximadamente 15 m entre sí.

La extracción de energía térmica en dichos sistemas mediante el bombeo de aguas subterráneas en un circuito cerrado, partes de las cuales se encuentran en pozos. Tal sistema requiere la instalación de un filtro y la limpieza periódica del intercambiador de calor.

El esquema de bomba de calor más simple y económico se basa en extraer energía térmica del aire. Una vez que se convirtió en la base para la construcción de refrigeradores, los acondicionadores de aire posteriores se desarrollaron de acuerdo con sus principios.

El sistema de bomba de calor más simple obtiene energía de la masa de aire. En verano interviene en la calefacción, en invierno en la climatización. La desventaja del sistema es que, en una versión independiente, una unidad con potencia insuficiente

Eficiencia varios tipos de este equipo no es el mísmo. Las bombas que utilizan aire tienen el rendimiento más bajo. Además, estos indicadores dependen directamente de las condiciones meteorológicas.

Las variedades terrestres de bombas de calor tienen un rendimiento estable. El coeficiente de eficiencia de estos sistemas varía entre 2,8 y 3,3.Los sistemas agua a agua son los más eficientes. Esto se debe principalmente a la estabilidad de la temperatura de la fuente.

Cabe señalar que cuanto más profundo esté ubicado el colector de la bomba en el depósito, más estable será la temperatura. Para obtener una potencia del sistema de 10 kW, se necesitan unos 300 metros de tubería.

El parámetro principal que caracteriza la eficiencia de una bomba de calor es su factor de conversión. Cuanto mayor sea el factor de conversión, más eficiente se considera la bomba de calor.

El factor de conversión de una bomba de calor se expresa a través de la relación entre el flujo de calor y la energía eléctrica gastada en el funcionamiento del compresor.