Come realizzare una pompa di calore per riscaldare una casa con le proprie mani: principio di funzionamento e schemi di montaggio
Le prime versioni di pompe di calore potevano soddisfare solo parzialmente il fabbisogno di energia termica.Le varietà moderne sono più efficienti e possono essere utilizzate per i sistemi di riscaldamento. Questo è il motivo per cui molti proprietari di case provano a installare una pompa di calore con le proprie mani.
Ti diremo come scegliere l'opzione migliore per una pompa di calore, tenendo conto dei geodati dell'area in cui è prevista l'installazione. L'articolo proposto all'esame descrive in dettaglio il principio di funzionamento dei sistemi di “energia verde” ed elenca le differenze. Con il nostro consiglio, ti accontenterai senza dubbio di un modello efficace.
Per gli artigiani indipendenti presentiamo la tecnologia per l'assemblaggio di una pompa di calore. Le informazioni presentate per l'esame sono integrate da diagrammi visivi, selezioni di foto e istruzioni video dettagliate in due parti.
Il contenuto dell'articolo:
Cos’è una pompa di calore e come funziona?
Con il termine pompa di calore si intende un insieme di apparecchiature specifiche. La funzione principale di questa apparecchiatura è quella di raccogliere energia termica e trasportarla al consumatore. La fonte di tale energia può essere qualsiasi corpo o ambiente con una temperatura di +1º o più gradi.
Ci sono più che sufficienti fonti di calore a bassa temperatura nel nostro ambiente. Si tratta di rifiuti industriali provenienti da imprese, centrali termiche e nucleari, liquami, ecc. Per far funzionare le pompe di calore nel riscaldamento domestico, sono necessarie tre fonti naturali autorigeneranti: aria, acqua e terra.
I tre potenziali fornitori di energia elencati sono direttamente collegati all'energia del sole, che, riscaldandosi, muove l'aria con il vento e trasferisce l'energia termica alla terra. È la scelta della fonte il criterio principale con cui vengono classificati i sistemi a pompa di calore.
Il principio di funzionamento delle pompe di calore si basa sulla capacità di corpi o mezzi di trasferire energia termica ad un altro corpo o ambiente. I ricevitori e i fornitori di energia nei sistemi a pompa di calore lavorano solitamente in coppia.
Si distinguono le seguenti tipologie di pompe di calore:
- L'aria è acqua.
- La terra è acqua.
- L'acqua è aria.
- L'acqua è acqua.
- La terra è aria.
- Acqua - acqua
- L'aria è aria.
In questo caso, la prima parola determina il tipo di mezzo da cui il sistema preleva il calore a bassa temperatura. La seconda indica il tipo di vettore a cui viene trasferita questa energia termica. Pertanto, nelle pompe di calore, l'acqua è acqua, il calore viene prelevato dall'ambiente acquatico e il liquido viene utilizzato come refrigerante.
Le moderne pompe di calore utilizzano tre principali fonte di energia termica. Questi sono il suolo, l'acqua e l'aria. La più semplice di queste opzioni è pompa di calore ad aria. La popolarità di tali sistemi è dovuta al loro design abbastanza semplice e alla facilità di installazione.
Tuttavia, nonostante tale popolarità, queste varietà hanno una produttività piuttosto bassa. Inoltre, l’efficienza è instabile e dipende dalle fluttuazioni stagionali della temperatura.
Quando la temperatura scende, le loro prestazioni diminuiscono notevolmente. Tali opzioni di pompa di calore possono essere considerate come un'aggiunta alla principale fonte esistente di energia termica.
Opzioni di attrezzatura utilizzando calore del terreno, sono considerati più efficaci. Il suolo riceve e accumula energia termica non solo dal Sole, ma è costantemente riscaldato dall'energia del nucleo terrestre.
Cioè, il terreno è una sorta di accumulatore di calore, la cui potenza è praticamente illimitata. Inoltre, la temperatura del suolo, soprattutto ad una certa profondità, è costante e oscilla entro limiti insignificanti.
Ambito di applicazione dell'energia generata dalle pompe di calore:
La costanza della temperatura della sorgente è un fattore importante per il funzionamento stabile ed efficiente di questo tipo di apparecchiature elettriche. I sistemi in cui l'ambiente acquatico è la principale fonte di energia termica hanno caratteristiche simili. Il collettore di tali pompe si trova in un pozzo, dove finisce in una falda acquifera, o in un serbatoio.
La temperatura media annuale di fonti come il suolo e l'acqua varia da +7º a + 12º C. Questa temperatura è abbastanza per garantire un funzionamento efficiente del sistema.
Elementi fondamentali della progettazione delle pompe di calore
Affinché l’impianto di produzione di energia funzioni secondo i principi di funzionamento di una pompa di calore, la sua progettazione deve contenere 4 unità principali, queste sono:
- Compressore.
- Evaporatore.
- Condensatore.
- Valvola a farfalla.
Un elemento importante nella progettazione della pompa di calore è il compressore. La sua funzione principale è quella di aumentare la pressione e la temperatura dei vapori formati a seguito dell'ebollizione del refrigerante. I moderni compressori scroll vengono utilizzati soprattutto per impianti di climatizzazione e pompe di calore.
Tali compressori sono progettati per funzionare a temperature inferiori allo zero. A differenza di altri tipi, i compressori scroll producono poco rumore e funzionano sia a basse temperature di ebollizione del gas che a temperature di condensazione elevate. Un indubbio vantaggio è la loro dimensione compatta e il basso peso specifico.
L'evaporatore come elemento strutturale è un contenitore in cui il refrigerante liquido viene convertito in vapore. Il refrigerante, circolando in un circuito chiuso, passa attraverso l'evaporatore. In esso, il refrigerante si riscalda e si trasforma in vapore.Il vapore risultante viene diretto verso il compressore a bassa pressione.
Nel compressore i vapori refrigeranti vengono pressurizzati e la loro temperatura aumenta. Il compressore pompa il vapore riscaldato ad alta pressione verso il condensatore.
Il prossimo elemento strutturale del sistema è il condensatore. La sua funzione è ridotta al rilascio di energia termica al circuito interno dell'impianto di riscaldamento.
I campioni seriali prodotti da imprese industriali sono dotati di scambiatori di calore a piastre. Il materiale principale per tali condensatori è l'acciaio legato o il rame.
La valvola termostatica, o altrimenti strozzatrice, viene installata all'inizio di quella parte del circuito idraulico dove il fluido circolante ad alta pressione viene convertito in un fluido a bassa pressione. Più precisamente una farfalla abbinata ad un compressore divide il circuito della pompa di calore in due parti: una con parametri di alta pressione, l'altra con parametri di bassa pressione.
Passando attraverso la valvola a farfalla di espansione, il liquido circolante in un circuito chiuso evapora parzialmente, con conseguente diminuzione della pressione e della temperatura. Quindi entra in uno scambiatore di calore che comunica con l'ambiente. Lì cattura l'energia dell'ambiente e la trasferisce nuovamente nel sistema.
La valvola a farfalla regola il flusso del refrigerante verso l'evaporatore. Quando si sceglie una valvola, è necessario tenere conto dei parametri del sistema. La valvola deve soddisfare questi parametri.
Selezione del tipo di pompa di calore
L'indicatore principale di questo sistema di riscaldamento è la potenza. I costi finanziari per l'acquisto di attrezzature e la scelta dell'una o dell'altra fonte di calore a bassa temperatura dipenderanno principalmente dalla potenza. Maggiore è la potenza del sistema a pompa di calore, maggiore sarà il costo dei componenti.
Intendiamo innanzitutto la potenza del compressore, la profondità dei pozzi per le sonde geotermiche, oppure l'area per posizionare un collettore orizzontale. I calcoli termodinamici corretti sono una sorta di garanzia che il sistema funzionerà in modo efficiente.
Innanzitutto, dovresti studiare l'area prevista per l'installazione della pompa. La condizione ideale sarebbe la presenza di un bacino idrico in quest'area. Utilizzo opzione tipo acqua-acqua ridurrà significativamente il volume dei lavori di scavo.
Sfruttare il calore della terra, al contrario, comporta un gran numero di lavori legati allo scavo. I sistemi che utilizzano mezzi acquosi come calore di bassa qualità sono considerati i più efficienti.
L'energia termica del suolo può essere utilizzata in due modi. Il primo prevede la perforazione di pozzi con un diametro di 100-168 mm. La profondità di tali pozzi, a seconda dei parametri del sistema, può raggiungere 100 mo più.
In questi pozzetti vengono posizionate sonde speciali. Il secondo metodo utilizza un collettore di tubi. Tale collettore si trova sottoterra su un piano orizzontale. Questa opzione richiede un'area abbastanza ampia.
Le zone con terreno umido sono considerate ideali per la posa del collettore. Naturalmente, la perforazione dei pozzi costerà di più rispetto al posizionamento orizzontale del giacimento. Tuttavia, non tutti i siti dispongono di spazio libero. Per un kW di potenza della pompa di calore sono necessari dai 30 ai 50 m² di superficie.
Se sul sito è presente un orizzonte idrico sotterraneo elevato, gli scambiatori di calore possono essere installati in due pozzi situati a una distanza di circa 15 m l'uno dall'altro.
L'energia termica viene raccolta in tali sistemi pompando l'acqua sotterranea attraverso un circuito chiuso, parti del quale si trovano nei pozzi. Un tale sistema richiede l'installazione di un filtro e la pulizia periodica dello scambiatore di calore.
Lo schema della pompa di calore più semplice ed economico si basa sull'estrazione di energia termica dall'aria. Un tempo divenne la base per i frigoriferi; in seguito, secondo i suoi principi, furono sviluppati i condizionatori d'aria.
L'efficacia dei diversi tipi di questa apparecchiatura non è la stessa. Le pompe che utilizzano l'aria hanno le prestazioni più basse. Inoltre, questi indicatori dipendono direttamente dalle condizioni meteorologiche.
I tipi di pompe di calore a terra hanno prestazioni stabili. Il coefficiente di efficienza di questi sistemi varia tra 2,8 -3,3. I sistemi acqua-acqua sono i più efficaci. Ciò è dovuto innanzitutto alla stabilità della temperatura della sorgente.
Va notato che quanto più profondo è il collettore della pompa nel serbatoio, tanto più stabile sarà la temperatura. Per ottenere una potenza dell'impianto pari a 10 kW sono necessari circa 300 metri di tubazione.
Il parametro principale che caratterizza l'efficienza di una pompa di calore è il suo coefficiente di conversione. Più alto è il fattore di conversione, più efficiente viene considerata la pompa di calore.
Assemblare da soli una pompa di calore
Conoscendo lo schema di funzionamento e la struttura della pompa di calore, assemblarla e installarla da soli sistema di riscaldamento alternativo del tutto possibile. Prima di iniziare il lavoro, è necessario calcolare tutti i parametri principali del futuro sistema. Per calcolare i parametri della futura pompa, è possibile utilizzare un software progettato per ottimizzare i sistemi di raffreddamento.
L'opzione più semplice da costruire è sistema aria-acqua. Non richiede lavori complessi sulla costruzione di un circuito esterno, che è inerente alle pompe di calore ad acqua e a terra. Per l'installazione saranno necessari solo due canali, uno dei quali fornirà aria e il secondo scaricherà la massa dei rifiuti.
Oltre al ventilatore, è necessario procurarsi un compressore della potenza richiesta. Per tale unità, il compressore dotato di convenzionale sistemi divisi. Non è necessario acquistare una nuova unità.
Puoi rimuoverlo dalla vecchia attrezzatura o usarlo vecchi componenti del frigorifero. Si consiglia di utilizzare la varietà a spirale. Queste opzioni di compressore, oltre ad essere abbastanza efficienti, creano pressioni elevate che producono temperature più elevate.
Per installare un condensatore avrai bisogno di un contenitore e di un tubo di rame. Una bobina è costituita da un tubo. Per la sua fabbricazione viene utilizzato qualsiasi corpo cilindrico del diametro richiesto. Avvolgendovi attorno un tubo di rame, potrete realizzare facilmente e velocemente questo elemento strutturale.
La bobina finita viene montata in un contenitore precedentemente tagliato a metà. Per la fabbricazione di contenitori è meglio utilizzare materiali resistenti ai processi di corrosione. Dopo aver inserito la bobina, le metà del serbatoio vengono saldate.
L'area della bobina viene calcolata utilizzando la seguente formula:
MT/0,8 RT,
Dove:
- MT - la potenza di energia termica che l'impianto produce.
- 0,8 — coefficiente di conducibilità termica quando l'acqua interagisce con il materiale della batteria.
- RT — differenza di temperatura dell'acqua in ingresso e in uscita.
Quando si sceglie un tubo di rame per realizzare da soli una bobina, è necessario prestare attenzione allo spessore della parete. Deve essere almeno 1 mm. Altrimenti il tubo si deformerà durante l'avvolgimento. Il tubo attraverso il quale entra il refrigerante si trova nella parte superiore del contenitore.
L'evaporatore della pompa di calore può essere realizzato in due versioni: sotto forma di un contenitore con una serpentina al suo interno e sotto forma di un tubo in un tubo. Poiché la temperatura del liquido nell'evaporatore è bassa, il contenitore può essere costituito da un barile di plastica. In questo contenitore è posto un circuito realizzato con un tubo di rame.
A differenza di un condensatore, la serpentina dell'evaporatore deve corrispondere al diametro e all'altezza del contenitore selezionato. La seconda opzione dell'evaporatore: tubo nel tubo. In questa forma di realizzazione, il tubo del refrigerante è posizionato in un tubo di plastica di diametro maggiore attraverso il quale circola l'acqua.
La lunghezza di tale tubo dipende dalla potenza della pompa prevista. Può essere da 25 a 40 metri. Tale tubo viene arrotolato a spirale.
La valvola termostatica si riferisce ai raccordi di intercettazione e controllo delle tubazioni. Come elemento di chiusura nella valvola di espansione viene utilizzato uno spillo. La posizione dell'elemento di intercettazione della valvola è determinata dalla temperatura nell'evaporatore.
Questo importante elemento del sistema ha un design piuttosto complesso. Include:
- Termocoppia.
- Diaframma.
- Tubo capillare.
- Pallone termico.
Questi elementi potrebbero diventare inutilizzabili alle alte temperature.Pertanto, durante i lavori di saldatura sul sistema, la valvola deve essere isolata con tessuto di amianto. La valvola di controllo deve corrispondere alla capacità dell'evaporatore.
Dopo aver eseguito i lavori sulla fabbricazione delle principali parti strutturali, arriva il momento cruciale quando si assembla l'intera struttura in un unico blocco. La fase più critica è processo di iniezione del refrigerante o liquido refrigerante nel sistema.
È improbabile che una persona comune sia in grado di eseguire un'operazione del genere in modo indipendente. Qui dovrai rivolgerti a professionisti che riparano e mantengono le apparecchiature di climatizzazione.
I lavoratori in questo campo di solito dispongono dell'attrezzatura necessaria. Oltre a caricare il refrigerante, possono testare il funzionamento del sistema. L'iniezione autonoma del refrigerante può causare non solo guasti strutturali, ma anche lesioni gravi. Inoltre, per il funzionamento del sistema sono necessarie anche attrezzature speciali.
All'avvio del sistema si verifica un picco di carico di avviamento, solitamente intorno ai 40 A. Pertanto, l'avvio del sistema senza relè di avviamento è impossibile. Dopo il primo avviamento è necessaria la regolazione della valvola e della pressione del refrigerante.
La scelta del refrigerante dovrebbe essere presa molto sul serio. Dopotutto, è questa sostanza che è essenzialmente considerata il principale "vettore" di energia termica utile. Tra i refrigeranti moderni esistenti, i freon sono i più popolari. Sono derivati di composti idrocarburici in cui alcuni atomi di carbonio sono sostituiti da altri elementi.
Come risultato di questo lavoro, è stato ottenuto un sistema a circuito chiuso. Il refrigerante circolerà al suo interno, garantendo la selezione e il trasferimento dell'energia termica dall'evaporatore al condensatore. Quando si collegano le pompe di calore all'impianto di riscaldamento domestico, è necessario tenere presente che la temperatura dell'acqua in uscita dal condensatore non supera i 50-60 gradi.
A causa della bassa temperatura dell'energia termica generata dalla pompa di calore, come consumatori di calore devono essere selezionati dispositivi di riscaldamento specializzati. Può trattarsi di un pavimento caldo o di radiatori volumetrici a bassa inerzia in alluminio o acciaio con un'ampia area di radiazione.
Le opzioni della pompa di calore fatta in casa sono più opportunamente considerate come apparecchiature ausiliarie che supportano e integrano il funzionamento della fonte principale.
Ogni anno, i progetti delle pompe di calore vengono migliorati. I progetti industriali destinati all'uso domestico utilizzano superfici di trasferimento del calore più efficienti. Di conseguenza, le prestazioni del sistema sono in costante aumento.
Un importante fattore che stimola lo sviluppo di tale tecnologia per la produzione di energia termica è la componente ambientale. Tali sistemi, oltre ad essere abbastanza efficaci, non inquinano l’ambiente. L'assenza di fiamme libere rende il suo funzionamento assolutamente sicuro.
Conclusioni e video utile sull'argomento
Video n.1. Come realizzare una semplice pompa di calore fatta in casa con uno scambiatore di calore realizzato con tubi PEX:
Video n.2. Continuazione dell'istruzione:
Le pompe di calore vengono utilizzate da tempo come sistemi di riscaldamento alternativi.Questi sistemi sono affidabili, hanno una lunga durata e, soprattutto, sono rispettosi dell'ambiente. Stanno cominciando a essere considerati seriamente come il prossimo passo verso lo sviluppo di sistemi di riscaldamento efficienti e sicuri.
Vuoi fare una domanda o raccontarci un modo interessante di costruire una pompa di calore che non è menzionato nell'articolo? Si prega di scrivere commenti nel blocco sottostante.
Nella nostra città esisteva un burro e un caseificio, dal quale uscivano regolarmente acqua calda e vapore. Quindi il nostro vicino, apparentemente con una mentalità ingegneristica, ha adattato questa energia per riscaldare le sue serre. E ho scoperto proprio oggi come si può fare. Il principio di funzionamento è chiaramente affermato e sono presenti diagrammi. Ma dubito di poter fare tutto correttamente con le mie mani in modo che funzioni.
Ho letto il materiale, ma non ho imparato nulla di nuovo. Questa tecnologia è utilizzata da tempo nei paesi nordici (Danimarca, Svezia, Norvegia). È particolarmente apprezzato nella costruzione di case passive e a risparmio energetico.
Mi chiedo cosa succederà se il pozzo perforato per la pompa si ostruisce con depositi di limo? Per quanto ne so, i proprietari li puliscono ogni cinque anni.
E cosa succede nei pozzi destinati alle pompe di calore?
Leggi più attentamente: i pozzi sono asciutti.
"Se sul sito è presente un orizzonte idrico sotterraneo elevato, gli scambiatori di calore possono essere installati in due pozzi situati a una distanza di circa 15 m l'uno dall'altro."
Se non hai imparato nulla di nuovo, non dovrebbero esserci domande :) Se leggi attentamente l'articolo, potresti notare che stiamo parlando del fatto che dovrai installare filtri, oltre alla pulizia periodica di scambiatori di calore è un fenomeno inevitabile.
Sì, nei paesi occidentali queste tecnologie sono ampiamente utilizzate, i sistemi sono costosi, ma poi ripagano e si utilizza essenzialmente una fonte di calore gratuita.
Per quanto riguarda i pozzi. La tecnologia qui non è la stessa utilizzata per fornire acqua a una casa, quindi il confronto in questo caso non è corretto.
MT/0,8 RT, dove:
MT è la potenza di energia termica che il sistema produce.
0,8 – coefficiente di conduttività termica quando l'acqua interagisce con il materiale della bobina.
RT – differenza di temperatura dell'acqua in ingresso e in uscita
Incertezze sulla formula. MT: potenza in quali unità? Kilowatt, BTU/ora, Watt? Il potere sembra essere indicato dalla lettera P. Che dimensione ha 0,8? La differenza di temperatura è anche designata come Delta t e RT. E il totale, qual è l'area misurata, mq? o cmq? Ad esempio, dovremmo fornire un calcolo specifico in modo corretto e non una formula dall'aspetto strano.
Perché è necessario realizzare aree di scambio di calore così grandi? Secondo la tabella, 0,1 W per 1 grado al secondo per metro². Si tratta di 360 watt all'ora da 1 m²... Per 10 kWh sono necessari 100 m² di superficie della fossa. Sono 10 m². Se lo scambiatore di calore è posizionato molto vicino, quest'area dovrebbe essere sufficiente???
Se spari non più di 1 grado.