Cualquier propietario de una casa privada busca minimizar el costo de calentar la casa. En este sentido, las bombas de calor son mucho más rentables que otras opciones de calefacción; dan 2.5-4.5 kW de calor de un kilovatio de electricidad consumida. El reverso de la moneda: para obtener energía barata, tendrá que invertir mucho dinero en equipos, la instalación de calefacción más modesta con una capacidad de 10 kW costará 3500 y. e. (precio inicial).
La única forma de reducir los costos en 2-3 veces es hacer una bomba de calor con sus propias manos (abreviada como TN). Considere algunas opciones de trabajo reales, ensambladas y probadas por expertos entusiastas en la práctica. Dado que la fabricación de una unidad compleja requiere conocimientos básicos sobre máquinas de refrigeración, comencemos con la teoría.
Características y principio de funcionamiento de VT
¿En qué se diferencia la bomba de calor de otras instalaciones para calentar casas privadas?
- a diferencia de las calderas y los calentadores, la unidad en sí no produce calor, pero, como un aire acondicionado, la mueve dentro del edificio;
- La VT fue nombrada la bomba porque "bombea" energía de fuentes de calor de bajo grado: aire ambiente, agua o tierra;
- la unidad funciona exclusivamente con electricidad consumida por el compresor, los ventiladores, las bombas de circulación y el tablero de control;
- El funcionamiento de la unidad se basa en el ciclo de Carnot utilizado en todas las máquinas de refrigeración, por ejemplo, aires acondicionados y sistemas divididos.
Referencia. El calor está contenido en cualquier sustancia cuya temperatura esté por encima del cero absoluto (menos 273 grados). Las tecnologías modernas le permiten tomar la energía especificada del aire con temperaturas de hasta -30 ° C, tierra y agua - hasta +2 ° C.
En el ciclo de intercambio de calor de Carnot, está involucrado un fluido de trabajo: gas freón, que hierve a temperatura negativa. Al evaporarse y condensarse alternativamente en dos intercambiadores de calor, el refrigerante absorbe la energía ambiental y la transfiere al edificio. En general, el principio de la bomba de calor repite el funcionamiento del aire acondicionado, incluido en la calefacción:
- Al estar en la fase líquida, el freón se mueve a través de los tubos de un intercambiador de calor-evaporador externo, como se muestra en el diagrama. Al recibir calor del aire o del agua a través de las paredes de metal, el refrigerante se calienta, hierve y se evapora.
- Luego el gas ingresa al compresor, forzando la presión al valor calculado. Su tarea es elevar el punto de ebullición de la sustancia para que el freón se condense a una temperatura más alta.
- Al pasar a través de un intercambiador de calor-condensador interno, el gas nuevamente se convierte en un líquido y cede la energía acumulada al portador de calor (agua) o al aire de la habitación directamente.
- En la última etapa, el refrigerante líquido ingresa al receptor - separador de humedad, luego al dispositivo de estrangulación. La presión de la sustancia cae nuevamente, el freón está listo para pasar por un segundo ciclo.
Nota. Los sistemas divididos convencionales y las bombas de calor de fábrica tienen una característica común: la capacidad de transferir energía en ambas direcciones y operar en 2 modos: calefacción / refrigeración. La conmutación se implementa utilizando una válvula de inversión de cuatro vías que cambia la dirección del flujo de gas a lo largo del circuito.
En los aires acondicionados y televisores domésticos, se utilizan varios tipos de válvulas termostáticas, que reducen la presión del refrigerante frente al evaporador. En los sistemas divididos domésticos, el papel del regulador lo desempeña un simple dispositivo capilar, una costosa válvula termostática (TRV) está instalada en las bombas.
Tenga en cuenta que el ciclo anterior se produce en todos los tipos de bombas de calor. La diferencia radica en los métodos de suministro / eliminación de calor, que enumeramos a continuación.
Variedades de instalaciones.
De acuerdo con la clasificación generalmente aceptada, los VT se dividen en tipos según la fuente de energía recibida y el tipo de refrigerante al que se transfiere:
- Las bombas de aire a aire son las más cercanas a los sistemas divididos tradicionales, la diferencia está en el área del evaporador externo. El dispositivo elimina el calor del ambiente y transfiere directamente el aire a la habitación, como sucede en un aire acondicionado convencional.
- El diseño de los generadores de aire-agua es idéntico, pero implica calentar agua o anticongelante que circula a través del sistema de calefacción de un edificio residencial.
- La instalación del tipo "agua-agua" toma el calor de bajo grado del depósito y lo transfiere al líquido refrigerante. Aquí se usa un intercambiador de calor de tubería externo adicional, sumergido en un pozo, un lago, un pozo o un tanque séptico. La circulación de agua a través del evaporador proporciona una segunda bomba.
- La bomba de calor geotérmica utiliza el calor del suelo y calienta el refrigerante interno de la casa. El circuito externo de intercambio de calor es una bobina con anticongelante, profundizado en 1.5–2 my que ocupa un área grande. La segunda opción son varias sondas verticales de tuberías bajadas a los pozos a una profundidad de 10-100 metros.
Referencia. Las variedades de bombas de calor se enumeran en orden de costo creciente del equipo junto con la instalación. Las instalaciones aéreas son las más baratas; las instalaciones geotérmicas son caras.
El parámetro principal que caracteriza una bomba de calor para calentar una casa es el coeficiente de eficiencia COP, que es igual a la relación entre la energía recibida y la consumida. Por ejemplo, los calentadores de aire relativamente económicos no pueden presumir de un alto COP - 2.5 ... 3.5. Explicamos: después de gastar 1 kW de electricidad, la instalación suministra 2.5–3.5 kW de calor a la vivienda.
Los sistemas de agua y tierra son más eficientes, su coeficiente real se encuentra en el rango de 3 ... 4.5. Productividad: un valor variable, que depende de muchos factores: el diseño del circuito de intercambio de calor, la profundidad de inmersión, la temperatura y el flujo de agua.
Un punto importante Las bombas de calor de agua caliente no pueden calentar el refrigerante a 60–90 ° C sin circuitos adicionales. La temperatura normal del agua del transformador es de 35 ... 40 grados, las calderas aquí claramente ganan. De ahí la recomendación del fabricante: conecte el equipo a calefacción a baja temperatura - pisos calentados por agua.
¿Qué TV es mejor recolectar?
Establecemos el problema: necesitamos construir una bomba de calor casera al menor costo. De esto se desprenden varias conclusiones lógicas:
- La instalación tendrá que usar un mínimo de piezas costosas, por lo que no será posible lograr un COP alto. En términos de rendimiento, nuestro dispositivo perderá frente a los modelos de fábrica.
- En consecuencia, no tiene sentido hacer un TV de aire puro, es más fácil usar un aire acondicionado invertido en modo calefacción.
- Para obtener beneficios reales, necesita hacer una bomba de calor "aire - agua", "agua-agua" o construir una instalación geotérmica. En el primer caso, es posible lograr una COP de aproximadamente 2–2.2, en los casos restantes, se puede lograr un indicador de 3–3.5.
- No es posible prescindir de los circuitos de calefacción por suelo radiante. Un portador de calor calentado a 30-35 grados es incompatible con la red de radiadores, excepto en las regiones del sur.
Comentario. Afirmación de los fabricantes: el sistema de división del inversor funciona a una temperatura de la calle de menos 15-30 ° C. De hecho, la eficiencia de calentamiento se reduce significativamente. Según los propietarios, en los días helados, la unidad interior ofrece una corriente de aire ligeramente cálida.
Para la implementación de la versión de agua de VT se requieren ciertas condiciones (a elegir):
- un estanque a 25-50 m de la casa, a una distancia mayor, el consumo de electricidad aumentará significativamente debido a la potente bomba de circulación;
- un pozo o un pozo con un suministro suficiente (débito) de agua y un lugar para la descarga (pozo, segundo pozo, canalón, alcantarillado);
- colector de alcantarillado prefabricado (si se le permite estrellarse allí).
El consumo de agua subterránea es fácil de calcular.En el proceso de selección de calor, una bomba de calor casera reducirá su temperatura en 4-5 ° С, desde aquí el volumen de flujo se determina a través de la capacidad de calor del agua. Para obtener 1 kW de calor (tomamos 5 grados delta de temperatura del agua), se deben conducir unos 170 litros a través del VT en una hora.
Calentar una casa con un área de 100 m² requerirá una potencia de 10 kW y un consumo de agua de 1.7 toneladas por hora: el volumen es impresionante. Dicha bomba de agua termal se ajustará a una pequeña casa de campo de 30-40 m², preferiblemente aislada.
El ensamblaje del sistema geotérmico es más real, aunque el proceso es bastante laborioso. La opción de disposición horizontal de la tubería sobre un área a una profundidad de 1,5 m se descarta de inmediato: debe palear toda la sección o pagar dinero por los servicios de los equipos de movimiento de tierras. El método de perforación de pozos es mucho más fácil y económico de implementar, prácticamente sin alterar el paisaje.
La bomba de calor más simple de un aire acondicionado de ventana.
Como puede suponer, para la fabricación de bombas de agua a aire, se requiere un enfriador de ventana en condiciones de funcionamiento. Es muy recomendable comprar un modelo equipado con una válvula de inversión y capaz de funcionar para calefacción, de lo contrario, tendrá que rehacer el circuito de freón.
Propina. Cuando compre un aire acondicionado usado, preste atención a la placa de identificación, que muestra las características técnicas del electrodoméstico. El parámetro que le interesa es el rendimiento en frío del dispositivo (indicado en kilovatios o unidades térmicas británicas - BTU).
Con un poco de suerte, ni siquiera tiene que soltar tubos de freón y soldadura. Cómo convertir el aire acondicionado en una bomba de calor:
- Retire la carcasa superior de la unidad y desenrosque el intercambiador de calor externo de la paleta. Mueva cuidadosamente el radiador, teniendo cuidado de no doblar las tuberías de refrigerante.
- Retire el impulsor externo del eje común.
- Haga un tanque de metal a lo largo del intercambiador de calor externo, haga el ancho 10-15 cm más grande. Corte los accesorios para el suministro de agua corriente en las paredes laterales.
- Para evitar que el radiador se congele, aumente el área de intercambio agregando placas de cobre o aluminio a los lados (dependiendo del material del intercambiador de calor).
- Sumerja el radiador en el tanque, preferiblemente sin cortar los tubos de freón. Selle la tapa y las entradas de contorno.
- Conecte las mangueras de entrada y salida de agua a los accesorios, conecte las bombas de circulación. Llene y revise el tanque por fugas.
Recomendación. Si el intercambiador de calor no se puede colocar en el tanque sin perturbar las líneas de freón, intente evacuar el gas y cortar las tuberías en los puntos deseados (lejos del evaporador). Después de ensamblar la unidad de intercambio de calor de agua, el circuito deberá soldarse y llenarse con freón. La cantidad de refrigerante también se indica en la etiqueta.
Ahora queda por lanzar un VT casero y ajustar el flujo de agua, logrando la máxima eficiencia. Tenga en cuenta: un calentador improvisado utiliza un "llenado" completamente de fábrica, simplemente movió el radiador de aire a líquido. Cómo funciona el sistema en vivo, mira el video del maestro artesano:
Hacer una instalación geotérmica
Si la opción anterior le permite lograr aproximadamente el doble de ahorro, entonces incluso un circuito de tierra casero dará COP en la región de 3 (tres kilovatios de calor por 1 kW de electricidad consumida). Es cierto que los costos financieros y laborales también aumentarán significativamente.
Aunque se publican muchos ejemplos de ensamblaje de tales dispositivos en Internet, no existe una instrucción universal con dibujos. Ofreceremos una versión funcional, ensamblada y probada por un maestro de hogar real, aunque muchas cosas tendrán que ser pensadas y completadas de forma independiente: toda la información sobre las bombas de calor es difícil de poner en una publicación.
Cálculo del circuito de suelo y los intercambiadores de calor de bomba.
Siguiendo nuestras propias recomendaciones, procedemos a los cálculos de una bomba geotérmica con sondas verticales en forma de U colocadas en pozos.Es necesario averiguar la longitud total del contorno externo, y luego la profundidad y el número de ejes verticales.
Datos iniciales, por ejemplo: necesita calentar una casa aislada privada con un área de 80 m² y una altura de techo de 2.8 m, ubicada en el carril central. No calcularemos la carga de calefacción; determinaremos la necesidad de calor por área, teniendo en cuenta el aislamiento térmico - 7 kW.
Aclaraciones importantes Los cálculos de ingeniería de las bombas de calor son bastante complejos y requieren un intérprete altamente calificado, se dedican libros completos a este tema. El artículo proporciona cálculos simplificados tomados de la experiencia práctica de los constructores y artesanos que aman los productos caseros.
La intensidad del intercambio de calor entre el suelo y el fluido no congelante que circula a lo largo del contorno depende del tipo de suelo:
- 1 metro lineal de una sonda vertical sumergida en agua subterránea recibirá aproximadamente 80 vatios de calor;
- en suelos rocosos, la eliminación de calor será de aproximadamente 70 W / m;
- los suelos arcillosos saturados con humedad producirán aproximadamente 50 W por 1 m de colector;
- razas secas - 20 W / m.
Referencia. La sonda vertical consta de 2 bucles de tuberías bajadas hasta el fondo del pozo y llenas de hormigón.
Un ejemplo de cálculo de la longitud de una tubería. Para extraer los 7 kW necesarios de energía térmica de la roca de arcilla cruda, debe dividir 7000 W por 50 W / m, obtenemos la profundidad total de la sonda de 140 m. Ahora la tubería se distribuye entre los pozos con una profundidad de 20 m, que puede perforar con sus propias manos. Un total de 7 perforaciones de 2 bucles de transferencia de calor, la longitud total de la tubería es de 7 x 20 x 4 = 560 m.
El siguiente paso es calcular el área de transferencia de calor del evaporador y el condensador. Se ofrecen varios recursos de cálculo en varios recursos y foros de Internet, en la mayoría de los casos incorrectos. No nos tomaremos la libertad de recomendar tales técnicas y engañarlo, pero le ofreceremos una opción difícil:
- Póngase en contacto con cualquier fabricante conocido de intercambiadores de calor de placas, por ejemplo, Alfa Laval, Kaori, Anvitek, etc. Puedes ir al sitio web oficial de la marca.
- Complete el formulario de selección para el intercambiador de calor o llame al gerente y ordene la selección de la unidad, enumerando los parámetros de los medios (anticongelante, freón): temperatura en la entrada y salida, carga de calor.
- Un especialista de la empresa realizará los cálculos necesarios y propondrá un modelo de intercambiador de calor adecuado. Entre sus características encontrará la principal: la superficie del intercambio.
Los agregados laminares son muy efectivos, pero caros (200-500 euros). Es más barato ensamblar un intercambiador de calor de carcasa y tubo a partir de un tubo de cobre con un diámetro exterior de 9,5 o 12,7 mm. Multiplique la cifra dada por el fabricante por un factor de seguridad de 1.1 y divida por la circunferencia de la tubería para obtener el metraje.
Ejemplo. El área de intercambio de calor de la unidad propuesta fue de 0.9 m². Al elegir un tubo de cobre de ½ "con un diámetro de 12.7 mm, calculamos la circunferencia en metros: 12.7 x 3.14 / 1000 ≈ 0.04 m. Determinamos el metraje total: 0.9 x 1.1 / 0.04 ≈ 25 m.
Equipos y materiales.
Se propone construir la futura bomba de calor sobre la base de la unidad exterior de un sistema dividido de potencia adecuada (indicado en la placa). ¿Por qué es mejor usar un aire acondicionado usado?
- el dispositivo ya está equipado con todos los componentes: compresor, acelerador, receptor y arranque eléctrico;
- los intercambiadores de calor caseros se pueden colocar en el cuerpo de la máquina de refrigeración;
- Hay puertos de servicio convenientes para repostar freón.
Nota. Al comprender el tema, los usuarios seleccionan el equipo por separado: compresor, válvula de expansión, controlador, etc. Con experiencia y conocimiento, este enfoque es bienvenido.
No es práctico ensamblar VT sobre la base de un refrigerador viejo: la capacidad de la unidad es demasiado pequeña. En el mejor de los casos, será posible "exprimir" hasta 1 kW de calor, que es suficiente para calentar una habitación pequeña.
Además de la unidad de división externa, se necesitarán los siguientes materiales:
- Tubo PND Ø20 mm - en el bucle de tierra;
- accesorios de polietileno para ensamblar colectores y conectarlos a intercambiadores de calor;
- bombas de circulación - 2 piezas .;
- manómetros, termómetros;
- manguera de agua de alta calidad o tubería PND con un diámetro de 25–32 mm a la carcasa del evaporador y condensador;
- tubo de cobre Ø9.5-12.7 mm con un espesor de pared de al menos 1 mm;
- aislamiento para tuberías y carreteras de freón;
- un juego para sellar cables calefactores colocados dentro del suministro de agua (necesario para sellar los extremos de las tuberías de cobre).
Como refrigerante externo, se usa una solución salina de agua o anticongelante para calentar: etilenglicol. También necesitará un stock de freón, cuya marca se indica en la placa de identificación del sistema dividido.
Ensamblaje del intercambiador de calor
Antes de comenzar el trabajo de instalación, el módulo exterior debe desmontarse: retire todas las cubiertas, retire el ventilador y un radiador regular grande. Desconecte el solenoide que controla la válvula de inversión si no planea usar la bomba como enfriador. Se deben mantener los sensores de temperatura y presión.
Orden de montaje de la unidad principal VT:
- Fabricar el condensador y el evaporador insertando el tubo de cobre en la manguera de la longitud calculada. En los extremos, instale tees para conectar el suelo y el circuito de calefacción, selle las tuberías de cobre que sobresalen con un kit especial para el cable de calefacción.
- Usando un trozo de tubo de plástico de Ø150-250 mm como núcleo, envuelva los circuitos caseros de dos tubos y envíe los extremos en las direcciones correctas, como se hace a continuación en el video.
- Coloque y fije ambos intercambiadores de calor de carcasa y tubo en lugar del radiador estándar, suelde las tuberías de cobre a los terminales correspondientes. Es mejor conectar un intercambiador de calor "caliente" - condensador a los puertos de servicio.
- Instale sensores de fábrica que midan la temperatura del refrigerante. Aísle las secciones desnudas de los tubos y los propios intercambiadores de calor.
- En las líneas de agua, coloque termómetros y manómetros.
Propina. Si planea colocar la unidad principal en la calle, debe tomar medidas contra la solidificación del aceite en el compresor. Compre e instale un kit de calefacción eléctrica de cárter de aceite de invierno.
En los foros temáticos, se encuentra otro método para fabricar un evaporador: se enrolla un tubo de cobre en espiral y luego se inserta en un recipiente cerrado (tanque o barril). La opción es bastante razonable con un gran número de vueltas, cuando el intercambiador de calor calculado simplemente no cabe en la carcasa del aire acondicionado.
Dispositivo de contorno de tierra
En esta etapa, se realizan trabajos de excavación simples pero intensivos en mano de obra y el diseño de las sondas en los pozos. Esto último puede hacerse manualmente o invitar a la perforadora. La distancia entre pozos adyacentes es de al menos 5 m. El procedimiento de trabajo adicional:
- Excave una zanja poco profunda entre los agujeros para colocar las tuberías de suministro.
- En cada hoyo, baje 2 bucles de tuberías de polietileno y llene las fosas con concreto.
- Lleve las líneas al punto de conexión y monte el colector común con accesorios de HDPE.
- Aísle las tuberías tendidas en el suelo y llénelas con tierra.
Un punto importante Antes de hormigonar y rellenar, asegúrese de verificar la estanqueidad del circuito. Por ejemplo, conecte un compresor de aire al múltiple, bombee una presión de 3-4 bar y déjelo por varias horas.
Al conectar las carreteras, siga el diagrama a continuación. Se necesitarán curvas con grifos al llenar el sistema con salmuera o etilenglicol. Conduzca dos tuberías principales desde el colector a la bomba de calor y conéctelas al intercambiador de calor "frío" - evaporador.
Del mismo modo, el condensador está conectado al sistema doméstico de calefacción por suelo radiante. Una unidad de mezcla con una válvula de tres vías se monta opcionalmente debido a la baja temperatura del flujo.Si es necesario combinar TV con otras fuentes de calor (colectores solares, calderas), use un tanque de compensación para varias conclusiones.
Reabastecimiento de combustible e inicio del sistema
Después de instalar y conectar la unidad a la red eléctrica, comienza una etapa importante: llenar el sistema con refrigerante. Aquí le espera una trampa: no sabe cuánto freón necesita para repostar, porque el volumen del circuito principal ha aumentado significativamente debido a la instalación de un condensador casero con un evaporador.
El problema se resuelve mediante el reabastecimiento de combustible por presión y temperatura de sobrecalentamiento del freón, medido en la entrada del compresor (allí el freón se suministra en estado gaseoso). Las instrucciones detalladas para el llenado con el método de medición de temperatura se describen en el siguiente manual.
La segunda parte del video muestra cómo llenar el sistema con freón R22 en términos de presión y temperatura del sobrecalentamiento del refrigerante:
Después de repostar, encienda ambas bombas de circulación a la primera velocidad y arranque el compresor. Indique la temperatura de la salmuera y el refrigerante interno mediante termómetros. En la etapa de calentamiento, las líneas con el refrigerante pueden congelarse, luego la escarcha debería derretirse.
Conclusión
Es muy difícil hacer y poner en marcha una bomba geotérmica térmica con sus propias manos. Seguramente, se requerirán mejoras repetidas, correcciones de errores y configuraciones. Como regla, la mayoría de los problemas en los VT de fabricación propia surgen debido al ensamblaje incorrecto o al reabastecimiento de combustible del circuito principal de intercambio de calor. Si la unidad falla inmediatamente (los dispositivos automáticos de seguridad han funcionado) o el portador de calor no se calienta, vale la pena llamar al asistente de equipos de refrigeración: realizará diagnósticos e indicará los errores cometidos.