Pompa di calore aria-aria: principio di funzionamento, progettazione, selezione e calcoli
Desideri installare il riscaldamento a convettori nella tua casa, dove viene utilizzata una pompa di calore aria-aria per riscaldare il liquido di raffreddamento, garantendo un notevole risparmio sui costi di riscaldamento? D'accordo sul fatto che ottenere un riscaldamento a tutti gli effetti in un'azienda con acqua calda praticamente gratuita è un'impresa molto allettante.
Ma non sai come realizzare un sistema del genere per riscaldare gli ambienti in modo alternativo e ottenere acqua calda per il fabbisogno domestico?
Ti aiuteremo a risolvere questo problema: l'articolo tratta il principio di funzionamento e la progettazione della pompa. Un tale sistema dovrà spendere energia solo per il funzionamento del compressore, e il volume principale di calore verrà semplicemente prelevato dalla strada dall'atmosfera, per la quale non ci è stato ancora chiesto di pagare.
Vengono inoltre considerati i vantaggi della sua implementazione nel sistema e gli svantaggi significativi. Particolare attenzione è prestata alla selezione e al calcolo della pompa.
E per coloro a cui piace fare tutto con le proprie mani, suggeriamo di costruire da soli una pompa del genere, utilizzando i materiali disponibili. Per aiutare, forniamo materiale fotografico e consigli video sulla progettazione e il funzionamento di una pompa di calore ad aria.
Il contenuto dell'articolo:
Caratteristiche della pompa di calore aria-aria
Qualsiasi pompa di calore appartiene all'attrezzatura della sfera energia alternativa. Prende l'energia termica delle masse d'aria sulla strada, dallo spazio circostante all'interno, per riscaldare con essa oggetti residenziali e non residenziali.
Non utilizza alcun combustibile combustibile.
Pompa di calore esterna (TN) il rapporto aria-aria è simile ad un condizionatore inverter, sistema diviso dal blocco esterno ed interno.
E secondo il principio di funzionamento, ricorda più un frigorifero, solo che agisce "al contrario". Ma a differenza di entrambe, questa pompa di calore è in grado sia di raffreddare che di riscaldare le masse d'aria presenti in casa.
Principio di funzionamento e struttura interna
Il funzionamento di un HP aria-aria si basa su un semplice fenomeno fisico della termodinamica: quando un liquido evapora, raffredda la superficie da cui si disperde. Ad esempio, il vapore su una tazza di tè caldo dimostra lo stesso effetto.
Un normale frigorifero funziona secondo questo principio. Al suo interno sono presenti tubi attraverso i quali circola il refrigerante ad alta pressione. Prende calore dall'interno del congelatore, diventando leggermente più caldo.
Successivamente il calore raccolto viene rilasciato nell'aria della stanza attraverso uno scambiatore di calore (la griglia sul retro del frigorifero).
E affinché il refrigerante si raffreddi alla temperatura di esercizio, viene compresso in un compressore. Inoltre, durante il ciclo operativo, il freon è all'interno del sistema compressore-condensatore-evaporatore cambia costantemente da gassoso a liquido e viceversa.
Una pompa di calore ad aria funziona esattamente allo stesso modo. Solo prende il calore dalla strada e non da un congelatore chiuso. Anche se fuori fa gelo, c'è ancora molta energia termica nell'atmosfera.
Una pompa di calore aria-aria è composta dai seguenti elementi:
- compressore;
- evaporatore con ventilatore ad aria forzata;
- valvola di espansione;
- tubi di rame per il pompaggio del freon tra la strada e la casa;
- condensatore con un ventilatore che fornisce aria riscaldata alla stanza.
I primi tre elementi costituiscono l'unità esterna, l'ultimo appartiene alla parte interna della pompa di calore. I tubi in rame termoisolati sono progettati per il movimento continuo del refrigerante tra questi moduli del sistema diviso.
L’algoritmo di funzionamento di una pompa di calore aria-aria è il seguente:
- L'aria esterna viene aspirata nell'unità esterna da un ventilatore e forzata attraverso le alette dell'evaporatore esterno. Il freon che circola attraverso lo scambiatore di calore assorbe l'energia termica in esso disponibile, passando allo stato gassoso.
- Il gas entra quindi nel condensatore, dove viene compresso. E poi viene pompato attraverso tubi di rame all'unità interna.
- In un condensatore situato in casa, il gas si trasforma nuovamente in liquido, cedendo calore all'aria interna.
- Quindi la pressione in eccesso viene rilasciata attraverso la valvola di espansione e il freon liquido viene nuovamente inviato all'evaporatore primario.
La temperatura del freon che entra nell'unità esterna è sempre inferiore alla temperatura ambiente. Pertanto, prende sempre calore dall'atmosfera.
Ma il livello di "raffreddamento" del liquido di raffreddamento nel sistema è costante e la temperatura esterna fluttua costantemente.Per questo motivo, in caso di forti gelate, il TN perde la sua efficacia.
Per aumentare la potenza della pompa di calore, le superfici del condensatore e dell'evaporatore sono più grandi possibile. E per un funzionamento ininterrotto in inverno, lo scambiatore di calore esterno è dotato di un proprio sistema di sbrinamento.
Pro e contro di una pompa di calore ad aria
Ogni sistema tecnicamente complesso presenta vantaggi e svantaggi. Gli opuscoli pubblicitari sono una cosa, ma in realtà i proprietari di pompe di calore corrono il rischio di incontrare alcuni problemi.
Le unità di riscaldamento/raffreddamento aria-aria sono vantaggiose per diversi motivi.
I principali vantaggi includono:
- Versatilità. I sistemi consentono di riscaldare e raffrescare gli ambienti a seconda della destinazione dell'ambiente, delle esigenze e della stagione climatica.
- Rispetto dell'ambiente. Permettono di interrompere completamente la combustione di gas naturale, carbone, legna da ardere, ecc., che inquinano l'ambiente naturale con i prodotti della combustione.
- Facile da installare. Assemblare un sistema partendo da componenti prodotti in fabbrica non è difficile. Puoi costruire tu stesso una pompa di calore utilizzando i materiali disponibili.
- Sicurezza antincendio. Il processo di generazione del calore non prevede l'uso di combustibile. Anche le interruzioni nel funzionamento dell'impianto non provocheranno incendi.
- Economico. Sono attraenti per il loro elevato coefficiente di scambio termico a costi minimi (per 1 kW di elettricità consumata producono 4-5 kW di calore). Inoltre, si ripagano rapidamente.
- Conveniente. Il costo dei sistemi realizzati in fabbrica consente a quasi tutti di acquistare una pompa di calore. Un'installazione fatta da sé sarà praticamente gratuita.
- Facilità d'uso. Il dispositivo tecnicamente più complesso del sistema è il compressore, la cui manutenzione è difficile da gestire. Con il carico tipico delle pompe di calore, i compressori raramente si guastano prima del tempo promesso dal produttore.
È sufficiente organizzare il riscaldamento in una stanza installare un sistema diviso, appendendo un modulo esterno sulla facciata e un termoconvettore sulla parete interna. Per riscaldare più stanze, dovrai installare dei canali di distribuzione dell'aria riscaldata.
Tutto il controllo della pompa di calore aria-aria viene effettuato tramite l'automazione integrata. Non dovrai prestare particolare attenzione al funzionamento e alla configurazione di questo sistema. Dovrai solo pulire regolarmente i filtri dell'aria e cambiarli occasionalmente.
Tra gli aspetti negativi delle pompe di calore ci sono:
- seppure insignificante, ma pur sempre rumore di fondo;
- dipendenza diretta dell'efficienza del sistema dalla temperatura esterna;
- aumento del consumo energetico quando fuori fa freddo;
- polvere costantemente sospesa nell'aria a causa del funzionamento continuo del ventilatore e della convezione dell'aria nella stanza;
- dipendenza dall'alimentazione (per un funzionamento ininterrotto sarà necessario un generatore).
Con temperature esterne fino a -10°C tutto funziona perfettamente, il calore prelevato dalla strada è più che sufficiente per creare condizioni confortevoli in casa. Ma con un ulteriore raffreddamento l’efficienza della pompa di taglio diminuisce.
Se il cottage è costruito in una zona con clima freddo e forti gelate in inverno, non puoi fare a meno di una caldaia o di un camino aggiuntivi.
Per disposizione del riscaldamento dell'aria Tali sistemi sono ideali. Minimi consumi energetici, impegno di installazione e problemi di manutenzione. Ma non possono riscaldare l'acqua. Per fare ciò, dovrai installare ulteriormente una caldaia o connetterti a reti centralizzate.
Le pompe di calore aria-aria sono il modo ottimale per riscaldare edifici in legno o SIP. Tali edifici hanno basse perdite di calore e la capacità della pompa di calore dell’aria per riscaldarli è abbondante.
Differenze fondamentali rispetto all'aria condizionata
Esternamente, una pompa di calore aria-aria è simile a un condizionatore domestico. Ma ha le sue caratteristiche di design e caratteristiche tecniche distintive.
Il primo dispositivo viene utilizzato come principale fonte di riscaldamento e funziona tutto l'anno. E il secondo è più destinato a rinfrescare l'aria nella calura estiva.
La funzione principale di una pompa di calore è il riscaldamento. Tuttavia, molti modelli sono anche in grado di raffreddare l’aria interna. Ma in questa modalità operativa sono significativamente inferiori al condizionatore d'aria in termini di efficienza energetica. Questo è piuttosto un caso estremo del loro utilizzo.
D'altra parte, molti condizionatori inverter può riscaldare l'aria interna. Ma consumano molta più elettricità delle pompe di calore. Ogni dispositivo ha il suo scopo.
L’uso dell’HP aria-aria è principalmente una transizione verso fonti di energia rinnovabili.
Questi sistemi sono convenienti, nonostante il grande investimento iniziale di denaro. La riduzione delle bollette del riscaldamento ripagherà tutti i costi iniziali.
Selezione e calcoli di una pompa di calore
Una pompa di calore aria-aria sarà efficace solo se scelta correttamente. È necessario calcolarne preventivamente la potenza in base alla metratura della casa. E solo allora guarda i prezzi dei diversi produttori.
I calcoli utilizzano il coefficiente di efficienza energetica COP (il rapporto tra la potenza HP e l'energia spesa).
In “condizioni di serra” raggiunge spesso 4–5 punti e i modelli più moderni raggiungono 7–8. Tuttavia, quando la temperatura esterna scende a -15–20°C, questo valore scende bruscamente a soli due.
A calcolo del riscaldamento dell'aria bisogna tenere conto:
- isolamento termico e insolazione dei locali;
- area delle stanze;
- numero di persone che vivono nel cottage;
- condizioni climatiche generali della zona in cui è ubicata la casa.
Per la maggior parte delle case sono necessari circa 0,7 kW di potenza della pompa di calore ogni dieci metri quadrati. Ma qui tutto è abbastanza arbitrario. Se i soffitti sono più alti di 2,7 m o le pareti e le finestre sono scarsamente isolate, sarà necessario più calore.
Esistono molti produttori di pompe di calore aria-aria sia in Asia che in Europa.
I sistemi hanno buone recensioni da Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Vettore, Aertec, Panasonic E Toshiba. Quasi tutti i loro modelli sono adattati alle condizioni operative domestiche e si sono dimostrati efficaci.
Anche in caso di sbalzi di tensione, non si rompono e continuano a funzionare correttamente dopo aver acceso l'elettricità.
Il prezzo delle pompe di calore ad aria funzionanti varia da 90 a 450 mila rubli. Qui molto dipende non solo dalla potenza dell'unità, ma anche dalle funzionalità aggiuntive e dal paese di produzione.
I modelli selezionati completano:
• filtri per la purificazione e disinfezione dell'aria;
• riscaldatori di riserva;
• generatori elettrici;
• Moduli GSM per la gestione del sistema;
• ionizzatori e ozonizzatori.
La pratica dimostra che con gelate inferiori a -15 ° C, gli ambienti riscaldati solo da una pompa di calore-aria si raffreddano. E senza un riscaldatore aggiuntivo, le stanze francamente non hanno un odore gradevole.
Tuttavia, nelle regioni meridionali, dove tali gelate sono rare, l'HP è abbastanza efficace e più che giustifica i soldi spesi risparmiando risorse energetiche.
Fatto in casa da un vecchio frigorifero
È piuttosto difficile assemblare una pompa di calore aria-aria da singoli compressori e condensatori senza conoscenze ingegneristiche specializzate. Ma per una piccola stanza o una serra, puoi usare un vecchio frigorifero.
Per fare ciò, praticare due fori nella porta anteriore del frigorifero. Attraverso il primo, l'aria proveniente dalla strada entrerà nel congelatore e, attraverso il secondo, più in basso, verrà scaricata in strada.
Allo stesso tempo, durante il suo passaggio attraverso la camera interna, cederà parte del calore in esso presente al freon.
Puoi anche semplicemente montare la macchina frigorifera nel muro con la porta aperta verso l'esterno e lo scambiatore di calore sul retro nella stanza. Ma va tenuto presente che la potenza di un tale riscaldatore sarà ridotta e consumerà molta elettricità.
L'aria nella stanza viene riscaldata da uno scambiatore di calore sul retro del frigorifero. Tuttavia, una tale pompa di calore può funzionare solo a temperature esterne non inferiori a più cinque gradi Celsius.
Questi elettrodomestici sono destinati esclusivamente all'uso interno.
L'installazione di una pompa di calore aria-aria è estremamente semplice. È necessario installare i blocchi esterni ed interni, quindi collegarli tra loro con un circuito con liquido di raffreddamento.
La prima parte del sistema viene installata all'esterno: direttamente sulla facciata, sul tetto o accanto all'edificio. Il secondo in casa può essere posizionato a soffitto o a parete.
Si consiglia di installare l'unità esterna a pochi metri dall'ingresso del villino e lontano dalle finestre; non dimenticare il rumore prodotto dal ventilatore.
E quello interno è installato in modo tale che il flusso di aria calda da esso si diffonda uniformemente in tutta la stanza.
Se intendi riscaldare una casa con più stanze su piani diversi utilizzando una pompa di calore aria-aria, dovrai installare un sistema di condotti di ventilazione ad aria forzata.
In questo caso è meglio ordinare il progetto a un ingegnere competente, altrimenti la potenza del riscaldatore potrebbe non essere sufficiente per tutti i locali.
Il contatore elettrico e il dispositivo di protezione devono essere in grado di resistere ai picchi di carico generati dalla pompa di calore. Quando fuori c'è un'improvvisa ondata di freddo, il compressore inizia a consumare elettricità molte volte più del solito.
Per un tale aerotermo è meglio posare una linea di alimentazione separata dal pannello di distribuzione.
Particolare attenzione dovrebbe essere prestata all'installazione dei tubi freon. Anche la più piccola scheggiatura all'interno può danneggiare l'attrezzatura del compressore.
Non puoi fare a meno delle abilità di saldatura del rame qui. In generale, la ricarica del refrigerante dovrebbe essere affidata a un professionista per evitare successivi problemi di perdite di refrigerante.
Le istruzioni dettagliate per realizzare una pompa di calore da un frigorifero sono descritte in Questo articolo.
Conclusioni e video utile sull'argomento
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Pompa di calore ad aria nell'impianto di riscaldamento di una casa a due piani:
Climatizzatore inverter o pompa di calore: quale è meglio?
Le pompe di calore aria-aria sono dispositivi altamente efficienti. Sono di facile manutenzione, comodi da usare ed economici.
Ora esiste una vasta gamma di sistemi simili in vendita, puoi scegliere un impianto di riscaldamento per qualsiasi casa. Devi solo calcolare correttamente la sua potenza, quindi funzionerà efficacemente per molti anni.
Cosa ne pensi dell’efficienza e della fattibilità dell’utilizzo delle pompe di calore aria-aria? Condividi la tua opinione, lascia un feedback sull'utilizzo delle unità e fai domande. Il modulo per i commenti si trova di seguito.
A causa del costante aumento dei prezzi dell'energia, abbiamo finalmente prestato attenzione a come possiamo utilizzare la tecnologia per risparmiare su questo tipo di spese. Anche una pompa di calore ad aria ha i suoi inconvenienti, ma sono più che compensati dall’effetto positivo che porta. L'unico aspetto negativo: se nella regione prevalgono giornate con temperature basse, allora questa pompa non fa per te.
Abbiamo parecchi posti con un clima abbastanza caldo per tali pompe. Prendiamo ad esempio la costa del Mar Nero: non c'è gelo e la fornitura di gas, soprattutto nella zona pedemontana, è molto costosa. Ecco, una pompa del genere è perfetta!
Una pompa di calore aria-aria utilizza l’atmosfera come fonte di energia.Qui è dove viene sepolto il cane, più bassa è la temperatura dell'aria, meno energia viene generata per il riscaldamento dell'interno. Questa proprietà limita l'uso economico della pompa alle aree con t>-10 C. Se l'inverno è rigido nella tua zona, presta attenzione alla nostra madre terra (sotto il livello di congelamento), puoi utilizzare uno specchio d'acqua vicino ( preferibilmente un fiume, lavaggio naturale delle tubazioni). È un costo aggiuntivo, ma vale la pena tenere la casa calda.
Le pompe di calore hanno una caratteristica: la massima efficienza si ottiene quando il liquido di raffreddamento viene riscaldato a temperature relativamente basse - circa 45°C. Per funzionare con i radiatori di riscaldamento convenzionali, questa temperatura non è sufficiente, altrimenti dovrai installare batterie di grandi dimensioni da 20 sezioni. Ma per i pavimenti riscaldati questa temperatura è perfetta. Nei sistemi convenzionali (con caldaia a gas, ad esempio), viene abbassato appositamente a valori tali da non surriscaldare il pavimento e, di conseguenza, la stanza.
E Victor e Alexander: non hai del tutto ragione. Ad esempio, l'applicazione economicamente vantaggiosa a -10 è un'informazione obsoleta. Gli ingegneri lavorano, inventano e ora hanno raggiunto un COP del sistema aria-aria > 3 a -15 gradi. E il lavoro è stato testato a temperature > -30 gradi (naturalmente con un leggero calo di efficienza e COP). Cioè, ripaga in un paio d'anni al massimo!
Successivamente sul riscaldamento del liquido di raffreddamento. Anche qui gli ingegneri hanno lavorato duro. Ad esempio, sono riusciti a comprimere compressori più potenti con magneti al samario nelle dimensioni delle vecchie unità (che hanno immediatamente permesso di quasi dimezzare il consumo energetico con la stessa potenza dei motori a gabbia di scoiattolo), e anche l'efficienza è aumentata grazie all'uso dei compressori scroll (del 10%).Le alette interne(!) dei tubi del freon e le tubazioni a doppia fila dei radiatori stessi (l'ultimo Daikin di fascia alta ha un radiatore a cinque file dell'unità interna) hanno permesso di massimizzare l'efficienza dei radiatori di entrambi le unità esterne ed interne. Tutto ciò ha permesso di ridurre la differenza di temperatura di esercizio tra le unità esterne ed interne, e di conseguenza aumentare il COP. E trasferisci anche le pompe di calore in zona di efficienza energetica A+++!
Di conseguenza, in estate avrai un condizionatore molto economico, che accelera anche il recupero dell'investimento!
Vorrei porre una domanda, cosa succede se si mette l'unità esterna sottoterra e si realizza una camicia d'acqua, oppure la si mette in un contenitore con acqua?