En este artículo se describen opciones para el suministro de agua caliente y calefacción doméstica mediante una bomba de calor, un colector solar y un generador de calor por cavitación. Se proporciona un método aproximado para calcular una bomba de calor y un generador de calor. Se da el costo aproximado de calentar una casa con una bomba de calor.

Bomba de calor. diseño de calefacción para el hogar

Para comprender su principio de funcionamiento, puede mirar un refrigerador o aire acondicionado doméstico común.

Las bombas de calor modernas utilizan para su trabajo bajo potencial fuentes de calor tierra, aguas subterráneas, aire. El mismo principio físico opera tanto en el refrigerador como en la bomba de calor (los físicos llaman a este proceso el ciclo de Carnot). Una bomba de calor es un dispositivo que "bombea" el calor del compartimiento del refrigerador y lo arroja al radiador. El aire acondicionado "bombea" el calor del aire de la habitación y lo arroja al radiador, pero ubicado en la calle. Al mismo tiempo, al calor "aspirado" de la habitación, se le suma más calor, en el que se ha convertido la energía eléctrica consumida por el motor eléctrico del acondicionador de aire.

El número que expresa la relación entre la energía térmica producida por la bomba de calor (aire acondicionado o refrigerador) y la energía eléctrica consumida por ella se denomina "coeficiente de calefacción" por los especialistas en bombas de calor. En las mejores bombas de calor, el coeficiente de calentamiento alcanza 3-4. Es decir, por cada kilovatio-hora de electricidad consumido por el motor eléctrico, se generan 3-4 kilovatios-hora de energía térmica. (Un kilovatio-hora corresponde a 860 kilocalorías). Este factor de conversión (factor de calentamiento) depende directamente de la temperatura de la fuente de calor, cuanto mayor sea la temperatura de la fuente, mayor será el factor de conversión.

El acondicionador de aire toma esta energía térmica del aire exterior y grandes bombas de calor "bombean" este calor adicional, generalmente de un depósito/agua subterránea o del suelo.

Aunque la temperatura de estas fuentes es mucho más baja que la temperatura del aire en una casa calentada, pero este calor de baja temperatura del suelo o el agua, la bomba de calor se convierte en alta temperatura necesario para calentar la casa. Por lo tanto, las bombas de calor también se denominan "transformadores de calor". (ver el proceso de transformación a continuación)

Nota: Las bombas de calor no solo calientan las casas, sino que también enfrían el agua del río, de donde se extrae el calor. Y en nuestro tiempo, cuando los ríos están demasiado sobrecalentados por las aguas residuales industriales y domésticas, enfriar el río es muy útil para que los organismos vivos y los peces vivan en él. Cuanto más baja es la temperatura del agua, más oxígeno se puede disolver en ella, lo cual es necesario para los peces. En agua caliente, el pez se asfixia, y en agua fría se regocija, por lo que las bombas de calor son muy prometedoras para ahorrar ambiente de " contaminación térmica".

Pero instalar un sistema de calefacción con bombas de calor sigue siendo demasiado caro, porque se requiere mucho movimiento de tierras además de consumibles, como tuberías para crear un colector/intercambiador de calor.

También conviene recordar que en las bombas de calor, como en frigoríficos convencionales, se utiliza un compresor que comprime el fluido de trabajo: amoníaco o freón. Las bombas de calor funcionan mejor con freón, pero el freón ya ha sido prohibido debido a que cuando ingresa a la atmósfera, quema el ozono en sus capas superiores, lo que protege a la Tierra de los rayos ultravioleta del sol.

Y, sin embargo, me parece que el futuro pertenece a las bombas de calor. Pero ellos, nadie todavía produce en masa. ¿Por qué? No es difícil de adivinar.

Si aparece una fuente alternativa de energía barata, entonces dónde colocar el gas, el petróleo y el carbón producidos, a quién venderlo. Y qué cancelar las pérdidas multimillonarias por explosiones en minas y minas.

diagrama de circuito calentar tu casa con una bomba de calor

Cómo funciona una bomba de calor

La fuente de calor de bajo potencial puede ser el aire exterior con una temperatura de -15 a +15°C, el aire expulsado de la habitación con una temperatura de 15-25°C, el subsuelo (4-10°C) y el suelo (más de 10°C) agua, agua de lagos y ríos (0-10°С), superficie (0-10°С) y suelo profundo (más de 20 m) (10°С). En los Países Bajos, por ejemplo, en la ciudad de Heerlen, se usa una mina inundada para este propósito. El agua que llena la antigua mina a la altura de 700 metros tiene una temperatura constante de 32°C.

En el caso de utilizar aire atmosférico o de ventilación como fuente de calor, el sistema de calefacción funciona según el esquema “aire-agua”. La bomba se puede ubicar en interiores o exteriores. El aire se suministra a su intercambiador de calor por medio de un ventilador.

Si se utiliza agua subterránea como fuente de calor, entonces el sistema funciona de acuerdo con el esquema "agua-agua". El agua se suministra desde el pozo por medio de una bomba al intercambiador de calor de la bomba y, una vez que se elimina el calor, se descarga en otro pozo o en un depósito. Se puede usar anticongelante o anticongelante como refrigerante intermedio. Si un depósito actúa como fuente de energía, un bucle de metal-plástico o tubo plástico. Por la tubería circula una solución de glicol (anticongelante) o anticongelante, que transfiere el calor al freón a través del intercambiador de calor de la bomba de calor.

Al utilizar el suelo como fuente de calor, el sistema funciona según el esquema "suelo-agua". Hay dos opciones para el dispositivo colector: vertical y horizontal.

• Con un colector horizontal, las tuberías de metal y plástico se colocan en zanjas con una profundidad de 1,2-1,5 m o en forma de espirales en zanjas con una profundidad de 2-4 m.Este método de colocación puede reducir significativamente la longitud de las zanjas .

Esquema de una bomba de calor con colector horizontal con tendido de tubería en espiral

1 - bomba de calor; 2 - tubería colocada en el suelo; 3 - caldera de calentamiento indirecto; 4 - sistema de calefacción "piso caliente"; 5 - circuito de alimentación agua caliente.

Sin embargo, cuando se coloca en espiral, la resistencia hidrodinámica aumenta considerablemente, lo que conduce a costos adicionales para bombear el refrigerante, y la resistencia también aumenta a medida que aumenta la longitud de las tuberías.

• Con una disposición vertical del colector, las tuberías se colocan en pozos verticales a una profundidad de 20-100 m.

Esquema de la sonda vertical

Foto de la sonda en la bahía.

Instalación de la sonda en el pozo.

Cálculo del colector horizontal de una bomba de calor

Cálculo del colector horizontal de una bomba de calor.

q - eliminación de calor específico (a partir de 1 m de la tubería).

• arena seca - 10 W/m,
• arcilla seca - 20 W/m,
• arcilla húmeda - 25 W/m,
• arcilla con alto contenido de agua - 35 W/m.

Entre los bucles directo y de retorno del colector aparece una diferencia de temperatura del refrigerante.

Por lo general, para el cálculo se toma igual a 3 ° C. La desventaja de tal esquema es que no es deseable construir edificios en el sitio sobre el colector para que el calor de la tierra se reponga debido a la radiación solar. La distancia óptima entre las tuberías se considera de 0,7 a 0,8 m, en este caso, la longitud de una zanja se selecciona de 30 a 120 m.

Ejemplo de cálculo de bomba de calor

Daré un cálculo aproximado de una bomba de calor para nuestra casa ecológica, descrita en el artículo.

Se cree que para calentar una casa con una altura de techo de 3 m, es necesario gastar 1 kW. Energía térmica por 10 m2 de superficie. Con un área de casa de 10x10m \u003d 100 m2, se necesitan 10 kW de energía térmica.

Cuando se utiliza un piso cálido, la temperatura del portador de calor en el sistema debe ser de 35°C y la temperatura mínima del portador de calor - 0°C.

Tabla 1. Datos de la bomba de calor Thermia Villa.

Para calentar un edificio, elija una bomba de calor con una capacidad de 15,6 kW (tamaño más grande más cercano), que consume 5 kW para el compresor. Seleccionamos la eliminación de calor de la capa superficial del suelo según el tipo de suelo. Para (arcilla húmeda) q es 25 W/m.

Calcular la potencia del colector de calor:

Qo=Qwp-P, donde

Qo- capacidad del colector térmico, kilovatios;

qwp- potencia de la bomba de calor, kilovatios;

PAG- compresor de energia electrica, kW.

La salida de calor requerida del colector será:

Qo=15,6-5=10,6 kW;

Ahora determinemos la longitud total de las tuberías:

L=Qo/q, donde q es el calor específico removido (de 1 m de tubería), kW/m.

L \u003d 10.6 / 0.025 \u003d 424 m.

Para organizar dicho colector, se requerirán 5 contornos con una longitud de 100 m cada uno En base a esto, determinaremos el área requerida del sitio para colocar el contorno.

A=Lxda, donde da es la distancia entre los tubos (paso de tendido), m.

Con un paso de colocación de 0,75 m, el área requerida del sitio será:

A \u003d 500x0.75 \u003d 375 m2.

Cálculo del colector vertical

Al elegir un colector vertical, los pozos se perforan con una profundidad de 20 a 100 m, en ellos se sumergen tuberías de metal y plástico o plástico en forma de U. Para hacer esto, se insertan dos bucles en un pozo, que se llenan con mortero de cemento. Eliminación de calor específico tal colector es de 50 W/m.

Para cálculos más precisos, se utilizan los siguientes datos:

• rocas sedimentarias secas - 20 W/m;
• suelo rocoso y rocas sedimentarias saturadas de agua - 50 W / m;
• rocas con alta conductividad térmica - 70 W/m;
• agua subterránea - 80 W/m.

A más de 15 m de profundidad, la temperatura del suelo es de aproximadamente +10°C. Hay que tener en cuenta que la distancia entre los pozos debe ser superior a 5 m.Si hay corrientes subterráneas en el suelo, entonces los pozos deben perforarse perpendiculares al flujo.

Ejemplo: L=Qo/q=10,6/0,05=212 m.

Así, con una disipación de calor específica de un colector vertical de 50 W/m y una potencia requerida de 10,6 kW, la longitud de la tubería L debería ser de 212 m.

Para construir un colector, es necesario perforar tres pozos con una profundidad de 75 m cada uno, en cada uno de ellos colocamos dos bucles de una tubería de metal y plástico en total: 6 contornos de 150 m cada uno.

Funcionamiento de la bomba de calor cuando funciona según el esquema "Suelo-agua"

La tubería se coloca en el suelo. Al bombear un refrigerante a través de él, este último se calienta a la temperatura del suelo. Además, de acuerdo con el esquema, el agua ingresa al intercambiador de calor de la bomba de calor y cede todo el calor al circuito interno de la bomba de calor.

Se ha bombeado refrigerante presurizado al circuito interno de la bomba de calor. El freón o sus sustitutos se utilizan como refrigerante, ya que el freón destruye la capa de ozono de la atmósfera y está prohibido su uso en nuevos desarrollos. El refrigerante tiene un punto de ebullición bajo y, por lo tanto, cuando la presión cae bruscamente en el evaporador, cambia de estado líquido a gas a baja temperatura.

Después del evaporador, el refrigerante gaseoso ingresa al compresor y es comprimido por el compresor. Al mismo tiempo, se calienta y su presión aumenta. El refrigerante caliente ingresa al condensador, donde se produce el intercambio de calor entre él y el refrigerante de tubería de retorno. Renunciando a su calor, el refrigerante se enfría y se convierte en un estado líquido. El refrigerante ingresa al sistema de calefacción y se enfría nuevamente, transfiere su calor a la habitación. Cuando el refrigerante pasa válvula de reducción de presión, su presión cae y vuelve a pasar a la fase líquida. Después de eso, el ciclo se repite.

En la estación fría, la bomba de calor funciona como un calentador, y en climas cálidos se puede usar para enfriar la habitación (al mismo tiempo, la bomba de calor no se calienta, pero enfría el portador de calor: el agua. Y el enfriado el agua, a su vez, se puede utilizar para enfriar el aire de la habitación).

En general, una bomba de calor es una máquina de Carnot que funciona en sentido contrario. El refrigerador bombea calor desde el volumen enfriado hacia el aire circundante. Si coloca un refrigerador en la calle, extrayendo el calor del aire exterior y transfiriéndolo al interior de la casa, puede, hasta cierto punto, calentar la habitación de una manera tan simple.

Sin embargo, como muestra la práctica, una bomba de calor por sí sola no es suficiente para suministrar calor y agua caliente a una casa. Me atrevo a ofrecer el esquema óptimo, en mi opinión, para la calefacción y el suministro de agua caliente en el hogar.

El esquema propuesto para el suministro de calor y agua caliente a la casa.

1 - generador de calor; 2 - colector solar; 3 - caldera de calentamiento indirecto; 4 - bomba de calor; 5 - tubería en el suelo; 6 - bloque de circulación del sistema solar; 7 - radiador de calefacción; 8 - circuito de suministro de agua caliente; 9 - sistema de calefacción "piso caliente".

Este esquema supone el uso simultáneo de tres fuentes de calor. El papel principal lo juegan el generador de calor (1), la bomba de calor (4) y Batería solar(2), que sirven como elementos auxiliares y ayudan a reducir el coste de la electricidad consumida, en consecuencia, y aumentar la eficiencia de la calefacción. El uso simultáneo de tres fuentes de calor elimina casi por completo el peligro sistema de descongelación.

Después de todo, la probabilidad de falla al mismo tiempo y el generador de calor, la bomba de calor y el colector solar es insignificante. El diagrama muestra dos opciones para la calefacción de espacios: radiadores (7) y "suelo cálido" (9). Esto no significa que se deban usar ambas opciones, sino que solo ilustra la posibilidad de usar tanto una como la segunda.

El principio de funcionamiento del circuito de calefacción.

El generador de calor (1) suministra agua caliente a la caldera (3) y al circuito formado por radiadores de calefacción (7). Además, el refrigerante calentado por la bomba de calor (4) y el colector solar (2) ingresa a la caldera. Parte del agua calentada por la bomba de calor también se suministra a la entrada del generador de calor. Al mezclarse con el "retorno" del circuito de calefacción, aumenta su temperatura. Esto contribuye a un calentamiento más eficiente del agua en el cavitador del generador de calor. El agua calentada y acumulada en la caldera se alimenta al circuito del sistema de “suelo caliente” (9) y al circuito de suministro de agua caliente (8).

Por supuesto, la efectividad de este esquema será diferente en diferentes latitudes. Después de todo, el colector solar tendrá la mayor eficiencia en el verano y, por supuesto, en un clima soleado. En nuestras latitudes, no es necesario calentar los locales residenciales en verano, por lo que el generador de calor se puede apagar por completo. Y dado que nuestro verano es bastante caluroso y apenas podemos imaginar nuestra vida sin un acondicionador de aire, se supone que la bomba de calor debe estar encendida para el modo de enfriamiento. Naturalmente, la tubería de la bomba de calor a la caldera se bloqueará. Por lo tanto, se supone que resuelve el problema del suministro de agua caliente solo con la ayuda de un sistema solar. Y solo si el sistema solar no hace frente a esta tarea, use un generador de calor.

Como puede ver, el esquema es bastante complejo y costoso. Los costos generales aproximados según el esquema elegido se detallan a continuación.

Costos de un colector vertical:

• Bomba de calor 6000 €;
• Trabajos de perforación 6000 €;
• Gastos de funcionamiento (electricidad): aproximadamente 400 € al año.

Para una variedad horizontal:

• Bomba de calor 6000 €;
• Trabajos de perforación 3000 €;
• Gastos de funcionamiento (electricidad): unos 450 euros al año.

De los grandes costos, será necesario comprar tuberías y pagar a los trabajadores.

La instalación de un colector solar plano (por ejemplo, Vitosol 100-F y un calentador de agua de 300 l) costará 3200 €.

Así que pasemos de lo simple a lo complejo. Primero, ensamblaremos un esquema simple de calefacción de la casa basado en un generador de calor, lo depuraremos y gradualmente le agregaremos nuevos elementos, lo que aumentará la eficiencia de la instalación.

Montemos el sistema de calefacción según el esquema:

Esquema de calefacción de la casa usando un generador de calor.

1 - generador de calor; 2 - caldera de calentamiento indirecto; 3 - sistema de calefacción "piso caliente"; 4 - circuito de suministro de agua caliente.

Como resultado, obtuvimos el circuito mas simple calefacción en el hogar, compartí mis pensamientos para alentar a las personas con iniciativa a desarrollar fuentes de energía alternativas. Si alguien tiene alguna idea u objeción sobre lo que se escribió anteriormente, compartamos nuestros pensamientos, acumulemos conocimiento y experiencia en este asunto, y salvaremos nuestro medio ambiente y mejoraremos un poco la vida.

Como vemos aquí, el principal y único elemento que calienta el refrigerante es el generador de calor. Aunque el esquema proporciona solo una fuente de calefacción, brinda la posibilidad de agregar más dispositivos de calefacción adicionales. Para ello se supone utilizar una caldera de calentamiento indirecto con posibilidad de añadir o quitar intercambiadores de calor.

No está previsto el uso de los radiadores de calefacción disponibles en el circuito mostrado en la figura uno anterior. Como saben, el sistema de "piso caliente" hace frente a la tarea de calentar las instalaciones de manera más eficiente y ahorra energía.

Atención: Los precios son válidos para 2009.

4.1. Cómo funciona una bomba de calor

El uso de fuentes de energía alternativas respetuosas con el medio ambiente puede prevenir una crisis energética en Ucrania. Junto a la búsqueda y desarrollo de fuentes tradicionales (gas, petróleo), una dirección prometedora es el aprovechamiento de la energía acumulada en reservorios, suelo, fuentes geotérmicas, emisiones tecnológicas (aire, agua, aguas residuales, etc.). Sin embargo, la temperatura de estas fuentes es bastante baja (0–25 °C), y para su uso efectivo es necesario transferir esta energía a un nivel de temperatura más alto (50–90 °C). Esta transformación es implementada por bombas de calor (TH), que, de hecho, son máquinas de refrigeración por compresión de vapor (Fig. 4.1).

La fuente de baja temperatura (LTS) calienta el evaporador (3), en el que el refrigerante hierve a una temperatura de –10 °С…+5 °С. Además, el calor transferido al refrigerante se transfiere mediante el ciclo clásico de compresión de vapor al condensador (4), desde donde se suministra al consumidor (HTP) a un nivel superior.

Las bombas de calor se utilizan en varias industrias sector industrial, residencial y público. Actualmente, más de 10 millones de bombas de calor de varias capacidades están en funcionamiento en el mundo: desde decenas de kilovatios hasta megavatios. Cada año, la flota de HP se repone con alrededor de 1 millón de unidades. Así, en Estocolmo, una estación de bombeo térmico con una capacidad de 320 MW, que utiliza agua de mar con una temperatura de +4 °C en invierno, proporciona calor a toda la ciudad. En 2004, la capacidad de las bombas de calor instaladas en Europa fue de 4.531 MW, y las bombas de calor generaron el equivalente a 1.810 millones de m 3 de energía térmica en todo el mundo. gas natural. Bombas de calor energéticamente eficientes que utilizan geotermia y agua subterránea. En los Estados Unidos, la legislación federal exige el uso de bombas de calor geotérmicas (GHP) en la construcción de nuevos edificios públicos. En Suecia, el 50% de toda la calefacción es proporcionada por bombas de calor geotérmicas. Para 2020, según las previsiones del Comité Mundial de la Energía, la cuota de bombas de calor geotérmicas será del 75%. La vida útil de una bomba de turbina de gas es de 25 a 50 años. Las perspectivas para el uso de bombas de calor en Ucrania se muestran en.

Las bombas de calor se dividen según el principio de funcionamiento (compresor, absorción) y según el tipo de cadena de transferencia de calor "fuente-consumidor". Se distinguen los siguientes tipos de bombas de calor: aire-aire, aire-agua, agua-aire, agua-agua, suelo-aire, suelo-agua, donde la fuente de calor es indicado primero. Si solo se usa una bomba de calor para calentar, entonces el sistema se llama monovalente. Si, además de la bomba de calor, se conecta otra fuente de calor, funcionando por separado o en paralelo con la bomba de calor, el sistema se denomina bivalente.

Arroz. 4.1. Diagrama de bomba de calor hidráulica:

1 - compresor; 2 – fuente de calor de bajo nivel (LHL); 3 – evaporador de bomba de calor;

4 - condensador de bomba de calor; 5 - consumidor de calor nivel alto(HTP);

6 - intercambiador de calor de baja temperatura; 7 - regulador de flujo de refrigerante;

8 - intercambiador de calor de alta temperatura

Bomba de calor con tubería hidráulica (bombas de agua, intercambiadores de calor, válvulas de cierre etc.) se denomina unidad de bomba de calor. Si el medio enfriado en el evaporador es el mismo que el medio calentado en el condensador (agua-agua, aire-aire), entonces cambiando los flujos de estos medios, es posible cambiar el modo HP a revertir (refrigeración a calefacción). y viceversa). Si los medios son gases, dicho cambio de régimen se denomina ciclo neumático reversible, si son líquidos, un ciclo hidráulico reversible (Fig. 4.2).

Arroz. 4.3. Diagrama de una bomba de calor aire-agua

Las bombas de calor aire-agua se utilizan ampliamente en los sistemas de aire acondicionado. El aire exterior se sopla a través del evaporador y el calor extraído del condensador calienta el agua utilizada para calentar la habitación en la habitación (Figura 4.3).

La ventaja de tales sistemas es la disponibilidad de una fuente de calor de bajo potencial (aire). Sin embargo, la temperatura del aire varía en un amplio rango, alcanzando valores negativos. En este caso, la eficiencia de la bomba de calor se reduce considerablemente. Por lo tanto, un cambio en la temperatura del aire exterior de 7 °С a menos 10 °С conduce a una disminución en el rendimiento de la bomba de calor de 1,5 a 2 veces.

Para suministrar agua desde el HP a las instalaciones calentadas, se instalan intercambiadores de calor en ellos, denominados en la literatura como "fancoils". El agua se suministra a los fancoils mediante un sistema hidráulico: una estación de bombeo (Fig. 4.4).

Arroz. 4.4. Diagrama de la estación de bombeo:

P - manómetros; RB - tanque de expansión; AB - tanque de almacenamiento; RP - interruptor de flujo; H - bomba;

BK - válvula de equilibrio; F - filtro; BIEN - válvula de retención; B - válvula; T - termómetro;

PC - válvula de seguridad; TP – intercambiador de calor freón-líquido; THC - válvula de tres vías; KPZh - válvula de reposición de líquido; KPV - válvula de suministro de aire; KVV - válvula de escape de aire

Para mejorar la precisión de mantener la temperatura en la habitación y reducir la inercia, se instalan tanques de almacenamiento en el sistema hidráulico. La capacidad del tanque de almacenamiento se puede determinar mediante la fórmula:

donde es la capacidad de refrigeración HP, kW;

- el volumen de los locales refrigerados, m 3;

es la cantidad de agua en el sistema, l;

Z es el número de pasos de potencia de HP.

Si V AB resulta ser negativo, entonces el tanque de almacenamiento no está instalado.

Para compensar la expansión térmica del agua en el sistema hidráulico, se instalan tanques de expansión. Los tanques de expansión están instalados en el lado de succión de la bomba. El volumen del tanque de expansión está determinado por la fórmula:

donde V sist es el volumen del sistema, l;

k es el coeficiente de expansión volumétrica del líquido (agua 3,7 10 -4, anticongelante (4,0–5,5) 10 -4);

ΔT - diferencia de temperatura del líquido (solo cuando se opera en modo de enfriamiento)

ΔT \u003d t env - 4 ° С; cuando funciona en modo bomba de calor ΔT=60 °С – 4 °С = 56 °С);

R anterior - ajuste de la válvula de seguridad.

La presión en el sistema (P sist) depende de la posición relativa de la estación de bombeo y el usuario final (fancoil). Si la estación de bombeo se encuentra por debajo del consumidor final, la presión (P sist) se determina como la diferencia de altura máxima (en bar) más 0,3 bar. Si la estación de bombeo se encuentra por encima de todos los consumidores, entonces P sist = 1,5 bar.

El tanque de expansión se infla previamente con aire a una presión de 0,1 a 0,3 bar menos que la calculada y, después de la instalación, la presión se normaliza.

El diseño de los tanques de expansión se muestra en la fig. 4.5.

Arroz. 4.5. Diseño del tanque de expansión:

1 - la posición de la membrana antes de la instalación (bombeo preliminar con aire de 0,1 a 0,3 bar);

2 - la posición de la membrana después de conectar el tanque a la red;

3 - la posición de la membrana durante la expansión térmica del líquido.

Hay unidades de expansión disponibles (Figura 4.6) para mantener la presión en el lado del agua de los sistemas de calefacción y aire acondicionado de gran volumen. La unidad está equipada con un procesador libremente programable y puede conectarse a un panel de control central. Esto simplifica enormemente el control sobre el funcionamiento del sistema.

Especificaciones:

1. Volumen, l 200–5,000;
2. Máximo presión demasiada, compás 10,0;
3. Temperatura máxima, °С 120.

El interruptor de flujo (RP) apaga el enfriador cuando no hay flujo de líquido, lo que evita que el líquido se congele en el intercambiador de calor (TP). Una válvula de tres vías mezcla dos corrientes de fluido (A y B) mientras mantiene la temperatura deseada del fluido. La válvula de tres vías está controlada por un microcontrolador.

Arroz. 4.6. Unidad de expansión para sistemas de calefacción y aire acondicionado

Diseño válvula de tres vías mostrado en la fig. 4.7.

En la posición extrema inferior del cono de cierre, se cierra el paso al flujo B, en la posición superior del cono, se cierra el paso al flujo A. 24 V.

Arroz. 4.7. Válvula de tres vías para control de flujo de fluidos

La salida del accionamiento da una señal de control sobre la posición del cono de cierre. El tiempo total de viaje del cono es de 100 a 150 segundos. Es posible mover manualmente el cono con una llave hexagonal.

La fuga de fluido con un canal cerrado no supera el 1% del caudal. En caso de mal funcionamiento de la válvula de tres vías y sistema hidráulico después de la válvula de tres vías, el líquido circulará por la válvula de retención (OK).

Para establecer el caudal estimado en el sistema, se utiliza una válvula de equilibrio, que es una válvula de control manual o automática de alta precisión. La válvula de equilibrio tiene salidas para medir el flujo y la presión del fluido. Las válvulas de equilibrio están disponibles, ajustadas por el controlador de ajuste. Para ajustar la válvula de equilibrio, los valores calculados de flujo y presión se ingresan en el controlador de ajuste, luego de lo cual el controlador ajusta automáticamente la válvula de equilibrio en la posición requerida.

Las válvulas de reposición de líquido (KPZh) y las válvulas de reposición de aire (KPV) están conectadas al tanque de expansión. Al instalar el filtro (F), preste atención a la dirección del flujo de fluido a través del filtro. Se instala una válvula automática de liberación de aire (VC) en el punto más alto del circuito hidráulico. Válvula de seguridad se ajusta de acuerdo con la presión máxima admisible del elemento más débil de la red más 1 bar (7–10 bar).

Si es necesario trabajar según un esquema bivalente, es posible conectar una caldera con calefacción eléctrica en paralelo con la HP según el esquema que se muestra en la fig. 4.8.

Arroz. 4.8. Diagrama de cableado caldera electrica al sistema de bomba de calor

4.2.2. Bombas de calor con fuentes de calor de agua

Las bombas de calor con fuentes de calor de agua (ríos, lagos, mares) aprovechan la energía solar acumulada. Esta energía es una fuente ideal para las bombas de calor, ya que se suministra de forma continua, aunque está menos disponible que el aire. La temperatura del agua en los embalses que no se congelan no cae por debajo de los 4 °C, y el agua artesiana tiene una temperatura casi constante de 10 a 12 °C. Teniendo en cuenta que el agua no puede enfriarse por debajo de 0 °C durante la extracción de calor, la diferencia de temperatura en el intercambiador de calor es de varios grados. Al mismo tiempo, para aumentar la selección de la cantidad de calor requerida, se requiere aumentar el flujo de agua. Para HP de pequeña capacidad, no se recomienda bombear agua subterránea desde una profundidad de más de 15 m, de lo contrario, se requerirán altos costos para las bombas y su operación.

Arroz. 4.9. bomba de calor usando calor agua subterránea

El circuito de extracción de calor del depósito puede ser abierto o cerrado. En el primer caso, el agua del depósito se bombea a través del enfriador, se enfría y se devuelve al depósito (Fig. 4.9). Dicho sistema requiere la filtración del agua suministrada al enfriador y la limpieza periódica del intercambiador de calor. Como regla general, se instala un intercambiador de calor colapsable intermedio. La toma y retorno de agua debe realizarse en la dirección del flujo de agua subterránea para evitar "desviar" el agua. La línea de entrada debe tener una válvula de retención (4) ubicada en el punto de entrada o después de la bomba profunda (5). El suministro de agua subterránea y la descarga a la bomba de calor deben protegerse contra la congelación y tenderse con una inclinación hacia el pozo.

La distancia entre los pozos de entrada (2) y retorno (1) debe ser de al menos 5 m El punto de salida del agua en el pozo de retorno debe estar por debajo del nivel freático.

El caudal volumétrico de agua se determina a partir de la potencia frigorífica de la bomba de calor

donde L es el caudal volumétrico de agua, m 3 / h

c p es la capacidad calorífica específica del agua, igual a 1.163 10 -3 kWh/kg K;

– densidad del agua, 1000 kg/m3;

- diferencia de temperatura entre el agua de entrada y de retorno.

Dónde . (4)

Si tomamos Q x \u003d 12 kW (determinado según el pasaporte de la bomba de calor), a \u003d 4 K, entonces m 3 / h.

Se coloca un circuito cerrado en el fondo del depósito. El valor aproximado de la potencia térmica por 1 m de una tubería de circuito cerrado es de aproximadamente 30 W. Es decir, para obtener 10 kW de calor, el circuito debe tener una longitud de 300 m Para que el circuito no flote, es necesario instalar una carga de aproximadamente 5 kg por 1 metro lineal.

4.2.3. Bombas de calor con intercambiadores de calor terrestres

Ground HP utiliza la energía térmica acumulada en el suelo debido a su calentamiento por el Sol u otras fuentes. El calor almacenado en el suelo se transforma mediante intercambiadores de calor de suelo colocados horizontalmente (también llamados colectores de suelo) o mediante intercambiadores de calor de suelo colocados verticalmente (sondas de suelo).

Arroz. 4.10. Bomba de calor geotérmica

Como regla general, los intercambiadores de calor del suelo están hechos de polietileno o tubos de metal y plástico con un diámetro de 25 a 40 mm.

Con una versión horizontal (Fig. 4.10), la tubería por la que circula el líquido está enterrada en el suelo hasta una profundidad por debajo del nivel de congelación del suelo (1,2–1,5 m). La distancia mínima entre las tuberías es de 0,7 a 1,0 m. Dependiendo del diámetro de la tubería, se pueden colocar de 1,4 a 2,0 m de tubería por cada metro cuadrado de área de entrada de calor. La longitud de cada ramal del colector horizontal no debe exceder los 100 m, de lo contrario la pérdida de presión en la tubería y la potencia de bombeo requerida serán demasiado grandes.

La cantidad de calor transformado y, en consecuencia, el tamaño de la superficie requerida para la ubicación del colector subterráneo depende significativamente de las propiedades termofísicas del suelo y de las condiciones climáticas de la zona. Las propiedades termofísicas, como la capacidad calorífica y la conductividad térmica, dependen mucho de la composición y condición del suelo. En este sentido, el factor determinante es la proporción de agua, el contenido de componentes minerales (cuarzo, feldespato), así como la proporción y el tamaño de los poros llenos de aire. Las propiedades de almacenamiento y la conductividad térmica del suelo son mayores cuanto mayor es la proporción de agua, componentes minerales y menor el contenido de poros.

El valor medio de la potencia térmica específica del suelo se da en la tabla 1.

Tabla 1. El valor medio de la potencia térmica específica del suelo.

Tipo de suelo	Potencia específica del colector de suelo, W / m 2	Potencia específica de la sonda de tierra, W/m
arena seca	10–15	20
arena mojada	15–20	40
Arcilla seca	20–25	60
Arcilla mojada	25–30	80
Acuífero	30–35	80–100

El área requerida para la ubicación del colector se calcula mediante las fórmulas (5) y (6)

donde está la salida de calor de HP, W;

– Consumo de energía HP de la red, W;

g - potencia específica del colector de suelo, W / m 2.

Entonces, si la capacidad de enfriamiento del HP es de 10 kW, entonces en suelo húmedo arenoso (g \u003d 20 W / m 2) se requerirá un área para colocar el colector

Para transformar el calor de tal área, es necesario colocarlo en el suelo. tubos de polietileno con un diámetro de 25 × 2,3 mm y una longitud de 500 × 1,4 = 700 m (1,4 es el consumo específico de tubería por metro cuadrado de área). Las tuberías deben colocarse en circuitos separados de 100 m cada uno, es decir, 7 circuitos.

Todos los distribuidores y colectores deben ubicarse en lugares accesibles para inspección, por ejemplo, en pozos de distribución separados fuera de la casa o en el pozo del sótano de la casa. Los accesorios deben estar hechos de materiales resistentes a la corrosión. Todas las tuberías de la casa y las penetraciones en las paredes deben estar aisladas térmicamente con impermeabilidad a la difusión del vapor para evitar la condensación, como en las líneas de suministro y retorno hay un refrigerante frío (en relación con la temperatura del sótano).

Con una versión vertical de la sonda de suelo, se perfora un pozo con una profundidad de 60 a 200 m, en el que se bajan varias tuberías en forma de U (Fig. 4.11).

A	b

Arroz. 4.11. Bomba de calor geotérmica

a - esquema general, b - esquema de una sonda de suelo

1 - línea de retorno, 2 - línea de suministro, 3 - sonda de bucle, 4 - tapa protectora

En suelo arcilloso húmedo con una capacidad de enfriamiento de bomba de calor de 10 kW, la longitud de la sonda (profundidad del pozo) debe ser

Es recomendable hacer 2 bucles con una profundidad de 50 m con un diámetro de D y \u003d 32 × 3 mm. La longitud total de las tuberías será de 200 M. El pozo con tuberías está lleno de betonita, que conduce bien el calor. La cantidad de refrigerante está determinada por el volumen interno de las tuberías del colector (sonda) y las tuberías de suministro. El diámetro de las tuberías de suministro se toma un tamaño mayor que el de la tubería colectora. En nuestro ejemplo, con una tubería de sonda D y = 32 × 3 mm y una tubería de suministro D y = 40 × 2,3 mm de 10 m de largo, el volumen interno (tabla 2), teniendo en cuenta la línea de suministro, será de 2 × 100 × 0,531 + 10 × 0,984 = 116,04 l. El caudal del refrigerante de la bomba de calor se determina según el pasaporte de la bomba de calor. Tomemos 1600 l / h. Entonces el caudal por circuito será de 800 l/h.

Tabla 2. Volumen interno específico de tuberías

La pérdida de presión en las tuberías depende del diámetro de las tuberías, la densidad y el caudal del refrigerante y se determina según los datos del fabricante de la tubería. Entonces, para tuberías de HDPE (polietileno de alta densidad) 32 × 3 mm y un caudal de 800 l / h es 154,78 Pa / m, y para tuberías con un diámetro de 40 × 2,3 - 520,61 Pa / m. A partir de donde la caída de presión total en la red será de 36161,1 Pa, lo que hay que tener en cuenta a la hora de elegir una bomba.

La vida útil de un colector de suelo depende de la acidez del suelo: con acidez normal (pH = 5,0) - 50–75 años, con acidez alta (pH > 5,0) - 25–30 años.

4.1. Eficiencia de la bomba de calor

Como principal indicador de la eficiencia de una bomba de calor se utiliza el coeficiente de conversión o coeficiente de calefacción COP (coeficiente de rendimiento), que es igual a la relación entre la potencia calorífica de la bomba de calor y la potencia consumida por el compresor. En modo refrigeración, se utiliza el índice de eficiencia energética (EER) para evaluar la eficiencia, que es igual a la relación entre la capacidad de refrigeración de la bomba de calor y la potencia consumida por el compresor.

donde es la energía emitida por el HTP;

- energía térmica tomada del INT;

- electricidad consumida;

Y son las temperaturas de condensación y ebullición en la bomba de calor.

La temperatura está determinada por la presión de condensación del refrigerante en el HP, y - por la temperatura del HP. Entonces, si tomamos = 281.16 K (8 ° C) y = 323.16 K (50 ° C), entonces el COP será igual a 7.7. Si el agua elimina el calor, varios refrigerantes permiten alcanzar las siguientes temperaturas: R717, R502, R22 - alrededor de +50 °C, R134a - +70 °C, R142 - +100 °C.

Debe recordarse la regla básica que se deriva de (4): cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre la fuente y el receptor de calor en la bomba de calor, mayor será el factor de conversión.

Cuando las bombas de calor usan calor y frío al mismo tiempo (por ejemplo, enfriar cuartos fríos y calentar oficinas), entonces

Con un ciclo equipotencial =

A las temperaturas anteriores, el factor de conversión total puede llegar a 12,7, lo que caracteriza la alta eficiencia energética de la bomba de calor. Las ROP reales son algo más bajas y están en el orden de 3 a 5.

En las bombas de calor de absorción, el coeficiente de conversión es menor que en las de compresión, debido a las grandes pérdidas en los elementos del circuito de absorción. Entonces, al usar agua subterránea con T 0 = 281.16 K (8 ° C) y temperatura de calor útil = 323.16 K (50 ° C), el coeficiente de conversión de absorción HP será solo 1.45. La temperatura calorífica útil en las bombas de calor de absorción también depende de la temperatura de calentamiento del generador. A las temperaturas arriba indicadas, el calentamiento del generador debe ser de al menos 150 °C.

Durante la temporada de calefacción (octubre-mayo), calentar 100 m 2 de un espacio habitable con una caldera eléctrica requerirá 37 440 kW de electricidad y una bomba de calor: 12 024 kW. Con una tarifa de 0,24 UAH por 1 kW de electricidad, el ahorro será de 6100 UAH. (datos de Santechnik LTD and Co., Ltd.).

Según http://www.aeroprof.by, el uso de HP es de 1,2 a 1,5 veces más rentable que la caldera de gas más eficiente.

El costo de una bomba de calor se puede estimar aproximadamente a razón de 750-1500 UAH por 1 kW de energía térmica generada. El período de recuperación es de 7 a 14 años.

4.2. Selección de equipos para bombas de calor

La elección del equipo comienza con el cálculo de la demanda de calor del edificio. Actualmente existe una variedad de programas de cálculo de calor basados ​​en PC que se pueden encontrar en Internet u obtener de los proveedores de equipos.

Se puede hacer un cálculo aproximado en función del área calentada del edificio y la cantidad de agua caliente consumida. Además, en caso de cortes de energía planificados periódicos, es necesario aumentar la producción de calor de la bomba de calor. Si el tiempo de corte de energía no excede las 2 horas, este factor puede ignorarse.

El consumo de calor específico depende del tipo de edificio:

• edificio con bajo consumo (materiales modernos, aislamiento de paredes, ventanas de doble acristalamiento) - 40 W / m 2;
• edificio nuevo, buen aislamiento térmico - 50 W / m 2;
• edificio con aislamiento térmico estándar - 80 W / m 2;
• edificios antiguos sin aislamiento especial - 120 W / m 2.

La contabilización de la energía térmica adicional para compensar las pérdidas de calor durante los cortes de energía planificados se lleva a cabo de la siguiente manera.

Determine el consumo de calor diario (durante 24 horas)

donde está la capacidad de calefacción de los HP, kW;

- tiempo de corte de energía.

El cálculo de la potencia calorífica adicional para la preparación de agua caliente se basa en el consumo por persona de unos 50 litros de agua a una temperatura de 45 °C, lo que corresponde a 0,25 kW/persona. Se puede realizar un cálculo más preciso utilizando los datos de la Tabla 3.

Tabla 3. Consumo diario de agua caliente

Categoría	Consumo de agua, l/persona		Consumo de calor específico, Wh/persona	Consumo de calor para agua caliente, kW / persona
	paso. agua 60°С	paso. agua 45°С
Bajo consumo	10–20	15–30	600–1200	0,08–0,15
Consumo estándar	20–40	30–60	1200–2400	0,15–0,3
Apartamento que ocupa un piso	32	45	1800	0,225
Edificio residencial unifamiliar	35	50	2000	0,25

Consideremos un ejemplo de construcción de una bomba de calor con un ciclo hidráulico reversible, operando todo el año en dos modos (refrigeración o calefacción), según la época del año, utilizando equipos y software de CIAT (Francia).

Requisitos iniciales:

1. Potencia calorífica 510 kW.

2. Fuente de baja temperatura - agua de mar con temperatura:

período cálido del año ≤20 °С,

período frío del año 7 °C.

3. Consumidor de alta temperatura: agua con una temperatura a la salida del intercambiador de calor de 55 °C.

4. La temperatura mínima del aire exterior es de menos 10 °С (Crimea, Ucrania).

Resolveremos este problema utilizando una bomba de calor con un ciclo hidráulico reversible, cuyo esquema se muestra en la fig. 2.

Dado que la temperatura del aire exterior es negativa (menos 10 °C) en la bomba de calor, utilizamos un sistema de dos circuitos. En el circuito primario utilizamos una solución de etilenglicol con un punto de congelación inferior a -10 °C (una mezcla al 20% de etilenglicol y agua).

De acuerdo con los requisitos iniciales, elegimos la diferencia de temperatura en el circuito de alta temperatura Dt out = 5 °C (50/55 °C). Entonces la temperatura del refrigerante en el circuito del condensador debe ser de 55/60 °C, respectivamente. Para obtener tales temperaturas en la bomba de calor, se recomienda utilizar el refrigerante R134a.

De acuerdo con los requisitos iniciales, establecemos la diferencia de temperatura INT 7/4 °C, luego en el circuito del evaporador la diferencia de temperatura será de 5/2 °C, respectivamente.

Usando el programa de selección de equipos CIAT, determinamos el tipo y los parámetros de la bomba de calor en los modos de funcionamiento de calefacción y refrigeración. El programa seleccionó la bomba de calor HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a con los parámetros indicados en la tabla. 4, apariencia que se muestra en la Fig. 12

Tabla 4. Especificaciones del enfriador de agua HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

Parámetro	Modo de calefacción	Modo de enfriamiento
Capacidad del evaporador, kW	326,0	395,9
refrigerante	MEG20%	MEG20%
Temperatura del portador de calor en el evaporador (entrada/salida), °C	5,0/2,0	6,0/2,0
Flujo de refrigerante a través del evaporador, m 3 / h	102,8	93,4
Capacidad del condensador, kW	517,0	553,9
Temperatura del refrigerante en el condensador (entrada/salida), °C	55/60	45,1/50
Flujo de refrigerante a través del condensador, m 3 / h	93,4	102,1
Consumo de energía, kW	191	158,0

Arroz. 4.12. Bomba de calor HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a

1. Temperatura del agua (salida-entrada): 55/50 °С.
2. Temperatura de la solución de etilenglicol al 20% en el circuito primario (salida-entrada): 60/55 °C.
3. Consumo de una solución de etilenglicol al 20%: 93,4 m 3 / h (ver tabla. 1).

El programa CIAT selecciona un intercambiador de calor de placas PWB 30 11 con una capacidad de 517 kW (Tabla 5).

Tabla 5. Datos técnicos del intercambiador de calor PWB 30 11 de 43 placas (bomba de calor - consumidor) en modo calefacción

El intercambiador de calor de baja temperatura "bomba de calor de agua de mar" en el modo de calefacción se selecciona de acuerdo con los siguientes datos iniciales:

1. Fuente de calor de baja calidad (circuito primario): agua de mar con una temperatura de entrada/salida de 7/4 °C.
2. La temperatura de la solución de etilenglicol al 20% en el circuito primario es de 5/2 °C.
3. El consumo de una solución al 20% de etilenglicol es de 102,8 m 3 /h.

El programa CIAT selecciona el intercambiador de calor de placas PWB 45 11.

Tabla 6. Datos técnicos del intercambiador de calor de 63 placas PWB 45 11 (bomba de calor de mar)

Realicemos un cálculo de verificación del intercambiador de calor PWB 30 11 previamente calculado con 43 placas para el período cálido del año y determinemos la temperatura del agua en la salida / entrada al consumidor.

El programa CIAT ha demostrado que durante el período de verano el intercambiador de calor PWB 30 11 tendrá una capacidad de 437 kW y temperaturas de refrigerante (salida/entrada) de 7,5/12°C. (Cuadro 7)

Tabla 7. Datos técnicos del intercambiador de calor PWB 30 11 de 43 placas (bomba de calor - consumidor) en modo frío

Así, la bomba de calor HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a seleccionada proporciona:

• durante el período frío del año, la capacidad de calefacción es de 517 kW con un consumo de energía de 191 kW;
• en el período cálido del año, la capacidad de refrigeración es de 395,9 kW con un consumo de energía de 158 kW.

A continuación se muestra un diagrama de circuito de una bomba de calor de ciclo hidráulico reversible calculada anteriormente.

Arroz. 4.13. Diagrama esquemático de una bomba de calor con un ciclo hidráulico reversible

La nomenclatura de algunas bombas de calor CIAT se da en la Tabla. 8.

Tabla 8. Bombas de calor del CIAT (Francia)

Tipo de bomba de calor		Productividad, kilovatios		Área de aplicación
		en el frio	por calor	casas individuales	Edificio de apartamentos	edificios públicos	producción
ÁUREA 2		7…28	9…36	+
DYNACIAT LG/LGP/ILG		35…350	40…370		+	+
HIDROCIAT LW/LWP		275…1140	350…1420		+	+	+

Conclusión.

1. Las bombas de calor que utilizan fuentes de calor renovables son los equipos de calefacción más eficientes energéticamente.
2. Los sistemas basados ​​en HP son fiables, seguros y duraderos.
3. Recibir calor con una bomba de calor es un proceso tecnológico respetuoso con el medio ambiente.
4. Los equipos climáticos modernos (por ejemplo, CIAT, Francia) permiten crear HP con una capacidad de decenas de kW a MW.

Literatura.

1. V. Maake, G.-Yu. Eckert, J.-L. Koshpen. Libro de texto de refrigeración: Per. del francés - M .: Editorial de la Universidad de Moscú, 1998. - 1142 p., ill.
2. Ray D., McMichael D. Bombas de calor: Per. De inglés. - M.: Energoizdat, 1982. - 224 p., il.
3. El Sadín Hasan. La elección de parámetros óptimos para el sistema de suministro de calefacción y frío de un edificio residencial // Kholodilnaya Tekhnika, 2003, No. 3, pp. 18–21.
4. Ovcharenko V. A. Ovcharenko A. V. Bombas de calor Vikoristannya / / Cold M + T, 2006, No. 2 p. 34–36.
5. Cinco pasos para acabar con la dependencia del metano//Calefacción Suministro de agua Ventilación + acondicionadores de aire, 2006, No. 1, p. 30–41.
6. Bondar ES, Kalugin P.V. Sistemas de aire acondicionado de bajo consumo con almacenamiento en frío//S.O.K., 2006, No. 3, p. 44–48.
7. Viesmann.Sistemas de bomba de calor. Instrucción de diseño.5829 122-2 GUS 2/2000
8. Belova. Sistemas de aire acondicionado con chillers y fancoils

Tipos de diseños de bombas de calor.

El tipo de HP generalmente se denota con una frase que indica el medio de origen y el portador de calor del sistema de calefacción.

Existen las siguientes variedades:

• TN "aire - aire";
• TN "aire - agua";
• TN "suelo - agua";
• TN "agua - agua".

La primera opción es un sistema dividido convencional que funciona en modo calefacción. El evaporador se monta en la calle y se instala un bloque con un condensador dentro de la casa. Este último es impulsado por un ventilador, por lo que se suministra una masa de aire caliente a la habitación.

Si dicho sistema está equipado con un intercambiador de calor especial con ramales, se obtendrá una bomba de calor aire-agua. Está conectado al sistema de calentamiento de agua.

El evaporador HP aire-aire o aire-agua se puede colocar no en la calle, sino en el canal ventilación de escape(debe ser forzado). En este caso, la eficiencia de HP aumentará varias veces.

Las bombas de calor del tipo "agua - agua" y "suelo - agua" utilizan el llamado intercambiador de calor externo o, como también se le llama, un colector para extraer calor.

Diagrama esquemático de la bomba de calor.

Se trata de un tubo largo en bucle, normalmente de plástico, por el que circula un medio líquido que lava el evaporador. Ambos tipos de HP son el mismo dispositivo: en un caso, el colector se sumerge hasta el fondo de un depósito de superficie, y en el segundo, hasta el suelo. El condensador de tal HP está ubicado en un intercambiador de calor conectado a un sistema de calentamiento de agua.

Conectar un HP según el esquema "agua - agua" es mucho menos laborioso que "suelo - agua", ya que no hay necesidad de movimientos de tierra. En el fondo del depósito, la tubería se coloca en forma de espiral. Por supuesto, solo un cuerpo de agua de este tipo es adecuado para este esquema, que no se congela hasta el fondo en invierno.

Es hora de estudiar la experiencia extranjera en detalle.

Casi todo el mundo ya conoce las bombas de calor capaces de extraer calor ambiental para calentar edificios, y si hasta hace poco un cliente potencial, por regla general, preguntaba desconcertado "¿cómo es esto posible?", Ahora la pregunta "¿cómo es posible?" cada vez se escucha más.

No es fácil responder a esta pregunta.

En busca de una respuesta a las numerosas preguntas que inevitablemente surgen cuando se intenta diseñar sistemas de calefacción con bombas de calor, es recomendable remitirse a la experiencia de especialistas de aquellos países donde se utilizan desde hace mucho tiempo bombas de calor basadas en intercambiadores de calor del suelo. .

Una visita* a la exposición estadounidense AHR EXPO-2008, que se llevó a cabo principalmente para obtener información sobre los métodos de cálculo de ingeniería de los intercambiadores de calor del suelo, no arrojó resultados directos en esta dirección, pero se vendió un libro en el stand de ASHRAE, algunas de cuyas disposiciones sirvieron de base para esta publicación.

Cabe decir de inmediato que la transferencia de métodos estadounidenses a suelo nacional no es una tarea fácil. Los estadounidenses no hacen las cosas como lo hacen en Europa. Solo que ellos miden el tiempo en las mismas unidades que nosotros. Todas las demás unidades de medida son puramente americanas, o mejor dicho, británicas. Los estadounidenses tuvieron especialmente mala suerte con el flujo de calor, que se puede medir tanto en unidades térmicas británicas por unidad de tiempo como en toneladas de refrigeración, que probablemente se inventaron en Estados Unidos.

El principal problema, sin embargo, no fue el inconveniente técnico de recalcular las unidades de medida aceptadas en los Estados Unidos, a las que eventualmente uno puede acostumbrarse, sino la ausencia en el libro mencionado de una base metodológica clara para construir un algoritmo de cálculo. Se da demasiado espacio a los métodos de cálculo rutinarios y bien conocidos, mientras que algunas disposiciones importantes permanecen completamente sin revelar.

En particular, tales datos iniciales relacionados físicamente para el cálculo de intercambiadores de calor de suelo verticales, como la temperatura del líquido que circula en el intercambiador de calor y el coeficiente de conversión de la bomba de calor, no pueden establecerse arbitrariamente, y antes de proceder con los cálculos relacionados con la transferencia de calor no estacionaria. en el suelo, es necesario determinar las dependencias que conectan estas opciones.

El criterio para la eficiencia de una bomba de calor es el factor de conversión, cuyo valor está determinado por la relación entre su potencia térmica y la potencia del accionamiento eléctrico del compresor. Este valor es función de las temperaturas de ebullición en el evaporador t u y de condensación t k , y en relación a las bombas de calor "agua-agua" podemos hablar de las temperaturas del líquido a la salida del evaporador t 2I y a la salida del el condensador t 2 K:

? \u003d? (t 2I, t 2 K). (1)

Un análisis de las características del catálogo de máquinas frigoríficas y bombas de calor agua-agua de serie permitió visualizar esta función en forma de diagrama (Fig. 1).

Usando el diagrama, es fácil determinar los parámetros de la bomba de calor como máximo fases iniciales diseño. Es obvio, por ejemplo, que si el sistema de calefacción conectado a la bomba de calor está diseñado para suministrar un medio de calefacción con una temperatura de flujo de 50 °C, entonces el factor de conversión máximo posible de la bomba de calor será de aproximadamente 3,5. Al mismo tiempo, la temperatura del glicol a la salida del evaporador no debe ser inferior a +3°C, lo que significa que será necesario un costoso intercambiador de calor terrestre.

Al mismo tiempo, si la casa se calienta por suelo radiante, un refrigerante con una temperatura de 35°C ingresará al sistema de calefacción desde el condensador de la bomba de calor. En este caso, la bomba de calor puede funcionar de manera más eficiente, por ejemplo, con un factor de conversión de 4,3, si la temperatura del glicol enfriado en el evaporador está alrededor de -2°C.

Usando hojas de cálculo de Excel, puede expresar la función (1) como una ecuación:

0,1729 (41,5 + t 2I - 0,015 t 2I t 2 K - 0,437 t 2 K (2)

Si con el factor de conversión deseado y un valor dado de la temperatura del refrigerante en el sistema de calefacción alimentado por bomba de calor, es necesario determinar la temperatura del líquido enfriado en el evaporador, entonces la ecuación (2) se puede representar como:

Es posible elegir la temperatura del portador de calor en el sistema de calefacción para los valores dados del coeficiente de conversión de la bomba de calor y la temperatura del líquido a la salida del evaporador utilizando la fórmula:

En las fórmulas (2)…(4) las temperaturas se expresan en grados Celsius.

Habiendo determinado estas dependencias, ahora podemos pasar directamente a la experiencia americana.

Metodología de cálculo de bombas de calor

Por supuesto, el proceso de selección y cálculo de una bomba de calor es una operación técnicamente muy compleja y depende de características individuales objeto, pero más o menos se puede reducir a los siguientes pasos:

Se determinan las pérdidas de calor a través de la envolvente del edificio (paredes, techos, ventanas, puertas). Esto se puede hacer usando la siguiente proporción:

Qok \u003d S * (tin - tout) * (1 + Σ β) * n / Rt (W) donde

tout - temperatura del aire exterior (°C);

estaño – temperatura del aire interior (°С);

S es el área total de todas las estructuras de cerramiento (m2);

n - coeficiente que indica la influencia del medio ambiente en las características del objeto. Para locales en contacto directo con el ambiente exterior a través de techos n=1; para objetos con pisos de ático n=0.9; si el objeto está ubicado arriba del sótano n = 0.75;

β es el coeficiente de pérdida de calor adicional, que depende del tipo de edificio y su ubicación geográfica, β puede variar de 0,05 a 0,27;

Rt - resistencia térmica, está determinada por la siguiente expresión:

Rt \u003d 1 / α int + Σ (δ i / λ i) + 1 / α out (m2 * ° С / W), donde:

δ і / λі - indicador calculado de conductividad térmica de los materiales utilizados en la construcción.

α nar - coeficiente de disipación térmica de las superficies exteriores de las estructuras de cerramiento (W / m2 * ° C);

α int - coeficiente de absorción térmica de las superficies internas de las estructuras de cerramiento (W / m2 * ° C);

- La pérdida total de calor de la estructura se calcula según la fórmula:

Qt.pot \u003d Qok + Qi - Qbp, donde:

Qi: costos de energía para calentar el aire que ingresa a la habitación a través de fugas naturales;

Qbp ​​​​: liberación de calor debido al funcionamiento de los electrodomésticos y las actividades humanas.

2. Según los datos obtenidos, se calcula el consumo anual de energía térmica para cada objeto individual:

Qaño = 24*0,63*Qt. sudor.*((d*(tin — tout.av.)/ (tin — tout.)) (kWh por año) donde:

tout - temperatura del aire exterior;

tout.average - la media aritmética de la temperatura del aire exterior durante toda la temporada de calefacción;

d es el número de días del período de calefacción.

Qhv \u003d V * 17 (kW / h por año) donde:

V es el volumen de calentamiento diario de agua hasta 50 °C.

Entonces el consumo total de energía térmica está determinado por la fórmula:

Q \u003d Qgw + Qaño (kW / h por año).

Teniendo en cuenta los datos obtenidos, no será difícil elegir la bomba de calor más adecuada para calefacción y suministro de agua caliente. Además, la potencia calculada se determina como. Qtn=1.1*Q, donde:

Qtn=1.1*Q, donde:

1.1 - factor de corrección que indica la posibilidad de aumentar la carga de la bomba de calor durante la aparición de temperaturas críticas.

Después de realizar el cálculo de las bombas de calor, puede elegir la bomba de calor más adecuada que pueda proporcionar los parámetros de microclima requeridos en habitaciones con cualquier característica técnica. Y dada la posibilidad de integrar este sistema con un aire acondicionado de suelo radiante, se puede destacar no solo su funcionalidad, sino también su alto valor estético.

Si te gustó el material, te agradeceré que lo recomiendes a tus amigos o dejes un comentario útil.

Tipos de bombas de calor

Las bombas de calor se dividen en tres tipos principales según la fuente de energía de bajo grado:

• Aire.
• Cebado.
• Agua: la fuente puede ser agua subterránea y depósitos en la superficie.

Para los sistemas de calentamiento de agua, que son los más comunes, se utilizan los siguientes tipos de bombas de calor:

"Aire agua" - tipo de aire una bomba de calor que calienta el edificio tomando aire del exterior a través de una unidad exterior. Funciona según el principio de un acondicionador de aire, solo que al revés, convirtiendo la energía del aire en calor. Tal bomba de calor no requiere grandes costos de instalación, no necesita asignarle un terreno y, además, perforar un pozo. Sin embargo, la eficiencia de operación a bajas temperaturas (-25ºС) disminuye y se requiere una fuente adicional de energía térmica.

El dispositivo de "agua subterránea" se refiere a la geotermia y produce calor del suelo utilizando un colector colocado a una profundidad por debajo de la congelación del suelo. También existe una dependencia del área del sitio y el paisaje, si el colector está ubicado horizontalmente. Para una disposición vertical, será necesario perforar un pozo.

El "agua-agua" se instala donde hay un embalse o agua subterránea cerca. En el primer caso, el colector se coloca en el fondo del depósito, en el segundo, se perfora un pozo o varios, si el área del sitio lo permite. A veces, la profundidad del agua subterránea es demasiado grande, por lo que el costo de instalar una bomba de calor de este tipo puede ser muy alto.

Cada tipo de bomba de calor tiene sus ventajas y desventajas, si el edificio está lejos de una masa de agua o el agua subterránea es demasiado profunda, entonces el agua a agua no funcionará. El "aire-agua" será relevante solo en regiones relativamente cálidas, donde la temperatura del aire durante la estación fría no cae por debajo de -25º C.

Método para calcular la potencia de una bomba de calor

Además de determinar la fuente de energía óptima, será necesario calcular la potencia de la bomba de calor necesaria para la calefacción. Depende de la cantidad de pérdida de calor del edificio. Calculemos la potencia de una bomba de calor para calentar una casa usando un ejemplo específico.

Para hacer esto, usamos la fórmula Q=k*V*∆T, donde

• Q es la pérdida de calor (kcal/hora). 1 kWh = 860 kcal/h;
• V es el volumen de la casa en m3 (multiplicamos el área por la altura de los techos);
• ∆Т es la relación entre las temperaturas mínimas exterior e interior del local en la época más fría del año, °С. A la tº interna le restamos la externa;
• k es el coeficiente de transferencia de calor generalizado del edificio. Para un edificio de ladrillo con dos capas de mampostería k=1; para un edificio bien aislado k=0,6.

Así, el cálculo de la potencia de una bomba de calor para calentar una casa de ladrillo de 100 m2 y una altura de techo de 2,5 m, con una diferencia de ttº de -30º exterior a +20º interior, será el siguiente:

Q \u003d (100x2.5) x (20- (-30)) x 1 \u003d 12500 kcal / hora

12500/860= 14,53kW. Es decir, para una casa de ladrillo estándar con un área de 100 m2, necesitará un dispositivo de 14 kilovatios.

El consumidor acepta la elección del tipo y potencia de la bomba de calor en función de una serie de condiciones:

• características geográficas del área (proximidad de cuerpos de agua, presencia de aguas subterráneas, área libre para un colector);
• características climáticas (temperatura);
• tipo y volumen interno de la habitación;
• oportunidades financieras

Teniendo en cuenta todos los aspectos anteriores, podrá hacer la mejor elección de equipo. Para una selección más eficiente y correcta de una bomba de calor, es mejor contactar a especialistas, ellos podrán hacer cálculos más detallados y proporcionar la viabilidad económica de instalar equipos.

Durante mucho tiempo y con mucho éxito, las bombas de calor se han utilizado en acondicionadores de aire y refrigeradores domésticos e industriales.

Hoy, estos dispositivos comenzaron a usarse para realizar la función de la naturaleza opuesta: calentar el hogar durante la estación fría.

Veamos cómo se usan las bombas de calor para calentar casas privadas y qué necesita saber para calcular correctamente todos sus componentes.

Ejemplo de cálculo de bomba de calor

Seleccionaremos una bomba de calor para el sistema de calefacción de una casa de un piso con un área total de 70 metros cuadrados. m con una altura de techo estándar (2,5 m), arquitectura racional y aislamiento térmico de las estructuras de cerramiento que cumplen con los requisitos de los códigos de construcción modernos. Para calentar el 1er sq. m de dicho objeto, de acuerdo con los estándares generalmente aceptados, debe gastar 100 W de calor. Por lo tanto, para calentar toda la casa necesitará:

Q \u003d 70 x 100 \u003d 7000 W \u003d 7 kW de energía térmica.

Elegimos una bomba de calor de la marca "TeploDarom" (modelo L-024-WLC) con una potencia calorífica de W = 7,7 kW. El compresor de la unidad consume N = 2,5 kW de electricidad.

Cálculo del colector

El suelo en el área asignada para la construcción del colector es arcilloso, el nivel freático es alto (tomamos el poder calorífico p = 35 W/m).

La potencia del colector está determinada por la fórmula:

Qk \u003d W - N \u003d 7,7 - 2,5 \u003d 5,2 kW.

L = 5200 / 35 = 148,5 m (aprox.).

Basado en el hecho de que tender un circuito de más de 100 m es irracional debido a la excesivamente alta resistencia hidráulica, aceptamos lo siguiente: el colector de la bomba de calor constará de dos circuitos: 100 m y 50 m de largo.

El área del sitio que deberá tomarse debajo del colector está determinada por la fórmula:

Donde A es el paso entre secciones adyacentes del contorno. Aceptamos: A = 0,8 m.

Entonces S = 150 x 0,8 = 120 cuadrados. metro.

Recuperación de una bomba de calor

Cuando se trata de cuánto tiempo una persona podrá devolver su dinero invertido en algo, significa qué tan rentable fue la inversión en sí. En el campo de la calefacción todo es bastante difícil, ya que nos proporcionamos confort y calidez, y todos los sistemas son caros, pero en este caso puedes buscar una opción que te devuelva el dinero gastado reduciendo costes a la hora de utilizarlo. Y cuando empiezas a buscar una solución adecuada, comparas todo: una caldera de gas, una bomba de calor o una caldera eléctrica. Analizaremos qué sistema dará sus frutos de manera más rápida y eficiente.

El concepto de amortización, en este caso, la introducción de una bomba de calor para modernizar el sistema de suministro de calor existente, aunque sea simple, se puede explicar de la siguiente manera:

Hay un sistema: una caldera de gas individual, que proporciona sistema de calefacción y ACS. Se cuenta con un aire acondicionado tipo split que brinda frío a una habitación. Instalado 3 sistemas split en diferentes habitaciones.

Y existe una tecnología avanzada más económica: una bomba de calor que calentará/enfriará casas y calentará agua en las cantidades adecuadas para una casa o apartamento. Es necesario determinar cuánto ha cambiado el costo total del equipo y los costos iniciales, así como evaluar cuánto han disminuido los costos anuales de operación de los tipos de equipo seleccionados. Y para determinar cuántos años se pagarán los equipos más caros con los ahorros resultantes. Idealmente, se comparan varias soluciones de diseño propuestas y se selecciona la más rentable.

Realizaremos el cálculo y descubriremos cuál es el período de recuperación de una bomba de calor en Ucrania

Considere un ejemplo específico

• Casa de 2 plantas, bien aislada, con una superficie total de 150 m2.
• Sistema de distribución de calor / calefacción: circuito 1 - calefacción por suelo radiante, circuito 2 - radiadores (o unidades fancoil).
• Se instala una caldera de gas para calefacción y suministro de agua caliente sanitaria (ACS), por ejemplo, de 24kW, de doble circuito.
• Sistema de aire acondicionado por sistemas split para 3 habitaciones de la casa.

Gastos anuales de calefacción y calentamiento de agua

1. El coste aproximado de una sala de calderas con caldera de gas de 24 kW (caldera, tuberías, cableado, depósito, contador, instalación) es de unos 1000 Euros. Un sistema de aire acondicionado (un sistema dividido) para una casa de este tipo costará alrededor de 800 euros. En total, con la disposición de la sala de calderas, trabajos de diseño, conexión a la red de gasoductos y trabajos de instalación: 6100 euros.

1. El coste aproximado de una bomba de calor Mycond con sistema fancoil adicional, trabajos de instalación y conexión eléctrica es de 6650 euros.

1. El crecimiento de las inversiones de capital es: K2-K1 = 6650 - 6100 = 550 euros (o alrededor de 16500 UAH)
2. La reducción en los costos operativos es: C1-C2 = 27252 - 7644 = 19608 UAH.
3. Período de recuperación Tokup. = 16500 / 19608 = 0,84 años!

Facilidad de uso de la bomba de calor

Las bombas de calor son los equipos más versátiles, multifuncionales y energéticamente eficientes para calentar una casa, apartamento, oficina o local comercial.

Sistema de control inteligente con programación semanal o diaria, cambio automático de ajustes estacionales, mantenimiento de la temperatura en el hogar, modos económicos, control de una caldera esclava, caldera, bombas de circulacion, control de temperatura en dos circuitos de calefacción, es el más avanzado y avanzado. El control inverter del compresor, ventilador, bombas, permite el máximo ahorro energético.

Funcionamiento de la bomba de calor durante el funcionamiento con agua subterránea

La colocación del colector en el suelo se puede hacer de tres maneras.

opción horizontales

Las tuberías se colocan en zanjas "serpiente" a una profundidad superior a la profundidad de congelación del suelo (en promedio, de 1 a 1,5 m).

Tal recolector requerirá una parcela de terreno de un área suficientemente grande, pero cualquier propietario puede construirlo; no se necesitarán más habilidades que la capacidad de trabajar con una pala.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la construcción manual de un intercambiador de calor es un proceso bastante laborioso.

opción verticales

Los tubos colectores en forma de bucles, que tienen la forma de la letra "U", se sumergen en pozos con una profundidad de 20 a 100 M. Si es necesario, se pueden construir varios de estos pozos. Después de instalar las tuberías, los pozos se llenan con mortero de cemento.

La ventaja de un colector vertical es que se necesita un área muy pequeña para su construcción. Sin embargo, no hay forma de perforar pozos con una profundidad de más de 20 m por su cuenta; deberá contratar un equipo de perforadores.

variante combinada

Este colector puede considerarse una variación del horizontal, pero requerirá mucho menos espacio para construir.

Se cava un pozo redondo en el sitio con una profundidad de 2 m.

Los tubos del intercambiador de calor se colocan en espiral, de modo que el circuito es como un resorte montado verticalmente.

Al finalizar el trabajo de instalación, el pozo se duerme. Como en el caso de un intercambiador de calor horizontal, todo el trabajo necesario se puede realizar a mano.

El colector está lleno de anticongelante, anticongelante o solución de etilenglicol. Para asegurar su circulación, una bomba especial choca contra el circuito. Habiendo absorbido el calor del suelo, el anticongelante ingresa al evaporador, donde se produce el intercambio de calor entre él y el refrigerante.

Debe tenerse en cuenta que la extracción ilimitada de calor del suelo, especialmente con un colector vertical, puede tener consecuencias indeseables para la geología y la ecología del sitio. Por lo tanto, en el período de verano, es muy conveniente operar el HP del tipo "suelo - agua" en el modo inverso: aire acondicionado.

El sistema de calefacción a gas tiene muchas ventajas y una de las principales es el bajo coste del gas. Cómo equipar la calefacción del hogar con gas, se le indicará el esquema de calefacción de una casa privada con una caldera de gas. Considere el diseño del sistema de calefacción y los requisitos para el reemplazo.

Lea sobre las características de elegir paneles solares para calentar el hogar en este tema.

Cálculo del colector horizontal de una bomba de calor

La eficiencia de un colector horizontal depende de la temperatura del medio en el que se sumerge, de su conductividad térmica, así como del área de contacto con la superficie de la tubería. El método de cálculo es bastante complicado, por lo que, en la mayoría de los casos, se utilizan datos promediados.

Se cree que cada metro del intercambiador de calor proporciona al HP la siguiente salida de calor:

• 10 W - cuando está enterrado en suelo arenoso o rocoso seco;
• 20 W - en suelo arcilloso seco;
• 25 W - en suelo arcilloso húmedo;
• 35 W - en suelo arcilloso muy húmedo.

Así, para calcular la longitud del colector (L), se debe dividir la potencia térmica requerida (Q) por el poder calorífico del suelo (p):

• El terreno sobre el colector no está edificado, sombreado ni plantado con árboles o arbustos.
• La distancia entre vueltas adyacentes de la espiral o secciones de la "serpiente" es de al menos 0,7 m.

Cómo funcionan las bombas de calor

En cualquier HP hay un medio de trabajo llamado refrigerante. Por lo general, el freón actúa en esta capacidad, con menos frecuencia: amoníaco. El dispositivo en sí consta de solo tres componentes:

El evaporador y el condensador son dos depósitos que parecen tubos largos y curvos: bobinas. El condensador está conectado en un extremo a la salida del compresor y el evaporador a la entrada. Se unen los extremos de los serpentines y se instala una válvula reductora de presión en la unión entre ellos. El evaporador está en contacto, directa o indirectamente, con el medio fuente, mientras que el condensador está en contacto con el sistema de calefacción o ACS.

Cómo funciona una bomba de calor

El funcionamiento de la HP se basa en la interdependencia del volumen, la presión y la temperatura del gas. Esto es lo que sucede dentro del agregado:

1. El amoníaco, el freón u otro refrigerante, que se mueve a través del evaporador, se calienta desde el medio fuente, por ejemplo, a una temperatura de +5 grados.
2. Después de pasar por el evaporador, el gas llega al compresor, que lo bombea al condensador.
3. El refrigerante bombeado por el compresor se mantiene en el condensador mediante una válvula reductora de presión, por lo que su presión aquí es más alta que en el evaporador. Como saben, al aumentar la presión, aumenta la temperatura de cualquier gas. Esto es exactamente lo que le sucede al refrigerante: se calienta hasta 60 o 70 grados. Dado que el refrigerante que circula en el sistema de calefacción lava el condensador, este último también se calienta.
4. A través de la válvula reductora de presión, el refrigerante se descarga en pequeñas porciones al evaporador, donde su presión vuelve a caer. El gas se expande y se enfría, y dado que perdió parte de la energía interna como resultado de la transferencia de calor en la etapa anterior, su temperatura cae por debajo de los +5 grados iniciales. Después del evaporador, se calienta nuevamente, luego el compresor lo bombea al condensador, y así sucesivamente en un círculo. Científicamente, este proceso se llama el ciclo de Carnot.

Pero HP sigue siendo muy rentable: por cada kWh de electricidad gastado, es posible obtener de 3 a 5 kWh de calor.

Influencia de los datos iniciales en el resultado del cálculo

Usemos ahora el modelo matemático construido en el curso de los cálculos para rastrear la influencia de varios datos iniciales en el resultado final del cálculo. Cabe señalar que los cálculos realizados en Excel permiten realizar dicho análisis con mucha rapidez.

Para empezar, veamos cómo su conductividad térmica afecta el valor del flujo de calor al WGT desde el suelo.

Como saben, las bombas de calor utilizan fuentes de energía gratuitas y renovables: calor de bajo grado del aire, suelo, aguas subterráneas, residuales y residuales de procesos tecnológicos, depósitos abiertos que no se congelan. La electricidad se gasta en esto, pero la relación entre la cantidad de energía térmica recibida y la cantidad de energía eléctrica consumida es de aproximadamente 3-7. Más precisamente, las fuentes de calor de bajo grado pueden ser el aire exterior con una temperatura de -15 a +15 °C, el aire de escape (15-25 °C), el subsuelo (4-10 °C) y las aguas subterráneas (más de 10 °C) agua, agua de lagos y ríos (0-10°С), superficie (0-10°С) y suelo profundo (más de 20 m) (10°С).

Si se selecciona aire atmosférico o de ventilación como fuente de calor, se utilizan bombas de calor que funcionan según el esquema "aire-agua". La bomba se puede ubicar en interiores o exteriores. El aire se suministra a su intercambiador de calor por medio de un ventilador.

Cuando se utiliza agua subterránea como fuente de calor, una bomba la bombea desde un pozo a un intercambiador de calor de una bomba de agua a agua y se bombea a otro pozo o se descarga en un depósito.
Si la fuente es un depósito, se coloca un bucle de un tubo de metal y plástico o plástico en su parte inferior. Por la tubería circula una solución de glicol (anticongelante), que transfiere calor al freón a través del intercambiador de calor de la bomba de calor.

Hay dos opciones para obtener calor de bajo grado del suelo: colocar tuberías de metal y plástico en zanjas de 1,2 a 1,5 m de profundidad o en pozos verticales de 20 a 100 m de profundidad A veces, las tuberías se colocan en forma de espirales en zanjas de 2 a 4 m de profundidad Esto reduce significativamente la longitud total de las zanjas. La máxima transferencia de calor de la superficie del suelo es de 50-70 kWh/m 2 por año. Según empresas extranjeras, la vida útil de trincheras y pozos es de más de 100 años.

Cálculo del colector horizontal de una bomba de calor

La eliminación de calor de cada metro de tubería depende de muchos parámetros: profundidad de tendido, disponibilidad de agua subterránea, calidad del suelo, etc. Tentativamente se puede considerar que para colectores horizontales es de 20 W/m. Más precisamente: arena seca - 10, arcilla seca - 20, arcilla húmeda - 25, arcilla con alto contenido de agua - 35 W/m. La diferencia en la temperatura del refrigerante en las líneas directas y de retorno del bucle en los cálculos se suele suponer que es de 3 °C. No se deben construir edificios en el sitio sobre el colector para que el calor de la tierra se reponga debido a la radiación solar.

La distancia mínima entre las tuberías tendidas debe ser de 0,7 a 0,8 m. La longitud de una zanja suele ser de 30 a 120 m. Se recomienda utilizar una solución de glicol al 25 % como refrigerante del circuito primario. En los cálculos, se debe tener en cuenta que su capacidad calorífica a una temperatura de 0 ° C es de 3,7 kJ / (kg.K), densidad - 1,05 g / cm 3. Cuando se utiliza anticongelante, la pérdida de presión en las tuberías es 1,5 veces mayor que cuando circula agua. Para calcular los parámetros del circuito primario de una instalación de bomba de calor, será necesario determinar el consumo de anticongelante:

Vs = Qo.3600 / (1.05.3.7..t),

Donde.t es la diferencia de temperatura entre las líneas de suministro y retorno, que a menudo se supone que es de 3 K, y Qo es la energía térmica recibida de una fuente de bajo potencial (suelo). Este último valor se calcula como la diferencia entre la potencia total de la bomba de calor Qwp y la energía eléctrica gastada en calentar el freón P:

Qo = Qwp - P, kW.

La longitud total de los tubos colectores L y el área total del área debajo de A se calculan mediante las fórmulas:

Aquí q - eliminación de calor específica (de 1 m de tubería); da - distancia entre tuberías (paso de colocación).

Ejemplo de cálculo de bomba de calor

Condiciones iniciales: demanda de calor de una cabaña con un área de 120-240 m 2 (dependiendo del aislamiento térmico) - 12 kW; la temperatura del agua en el sistema de calefacción debe ser de 35 ° C; la temperatura mínima del portador de calor es de 0 °C. Para calentar el edificio, se seleccionó una bomba de calor WPS 140 l (Buderus) con una capacidad de 14,5 kW (el tamaño estándar más grande más cercano), que consume 3,22 kW de freón para calefacción. La eliminación de calor de la capa superficial del suelo (arcilla seca) q es de 20 W/m. De acuerdo con las fórmulas mostradas anteriormente, calculamos:

1. la potencia calorífica requerida del colector Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2. la longitud total de las tuberías L = Qo / q = 11.28 / 0.020 = 564 m Para organizar dicho colector, se requieren 6 circuitos de 100 m de largo;
3. con un paso de colocación de 0,75 m, el área requerida del sitio A \u003d 600 × 0,75 \u003d 450 m 2;
4. consumo total de solución de glicol Vs = 11.28.3600 / (1.05.3.7.3) = 3,51 m 3 /h, el caudal por circuito es de 0,58 m 3 /h.

Para el dispositivo colector, seleccionamos una tubería de metal y plástico de tamaño 32Ch3 (por ejemplo, Henco). La pérdida de carga en él será de 45 Pa/m; la resistencia de un circuito es de aproximadamente 7 kPa; caudal de refrigerante - 0,3 m/s.

Cálculo de sonda

Cuando se utilizan pozos verticales con una profundidad de 20 a 100 m, se sumergen en ellos tuberías de metal y plástico o plástico en forma de U (con diámetros superiores a 32 mm). Como regla general, se insertan dos bucles en un pozo, después de lo cual se vierte con mortero de cemento. En promedio, la eliminación de calor específico de una sonda de este tipo puede tomarse igual a 50 W/m. También puede centrarse en los siguientes datos sobre la eliminación de calor:

• rocas sedimentarias secas - 20 W/m;
• suelo rocoso y rocas sedimentarias saturadas de agua - 50 W / m;
• rocas con alta conductividad térmica - 70 W/m;
• agua subterránea - 80 W/m.

La temperatura del suelo a una profundidad de más de 15 m es constante y es de aproximadamente +10 °C. La distancia entre los pozos debe ser superior a 5 m En presencia de corrientes subterráneas, los pozos deben ubicarse en una línea perpendicular al flujo.

La selección de los diámetros de las tuberías se realiza en función de las pérdidas de presión para el caudal de refrigerante requerido. El cálculo del caudal de líquido se puede realizar para .t = 5 °С.

Ejemplo de cálculo: Los datos iniciales son los mismos que en el cálculo del colector horizontal anterior. Con una disipación de calor específica de la sonda de 50 W/m y una potencia requerida de 11,28 kW, la longitud de la sonda L debería ser de 225 m.

Para construir un colector, es necesario perforar tres pozos con una profundidad de 75 m, en cada uno de ellos colocamos dos bucles de una tubería de metal y plástico de tamaño 26Ch3; en total - 6 contornos de 150 m cada uno.

El caudal total del refrigerante en t = 5 °С será de 2,1 m3/h; flujo a través de un circuito - 0,35 m3 / h. Los circuitos tendrán las siguientes características hidráulicas: pérdida de presión en la tubería - 96 Pa/m (portador de calor - solución de glicol al 25%); resistencia de bucle - 14,4 kPa; velocidad de flujo - 0,3 m/s.

Selección de equipos

Dado que la temperatura del anticongelante puede variar (de -5 a +20 °C), se requiere un vaso de expansión en el circuito primario de la unidad de bomba de calor.

También se recomienda instalar un acumulador en la línea de retorno: el compresor de la bomba de calor funciona en modo encendido/apagado. Los arranques demasiado frecuentes pueden provocar un desgaste acelerado de sus piezas. El tanque también es útil como acumulador de energía, en caso de un corte de energía. Su volumen mínimo se toma a razón de 10-20 litros por 1 kW de potencia de bomba de calor.

Cuando se utiliza una segunda fuente de energía (caldera eléctrica, de gas, líquida o de combustibles sólidos), se conecta al circuito a través de válvula mezcladora cuyo accionamiento está controlado por una bomba de calor o sistema común automatización.

En caso de posibles cortes de suministro eléctrico, es necesario aumentar la potencia de la bomba de calor instalada por un factor calculado mediante la fórmula: f = 24/(24 - t off), donde t off es la duración del corte de suministro eléctrico.

En caso de un posible corte de energía durante 4 horas, este coeficiente será igual a 1,2.

La potencia de la bomba de calor se puede seleccionar en función del modo monovalente o bivalente de su funcionamiento. En el primer caso, se supone que la bomba de calor se utiliza como único generador de energía térmica.

Debe tenerse en cuenta: incluso en nuestro país, la duración de los períodos con baja temperatura del aire es una pequeña parte de la temporada de calefacción. Por ejemplo, para la región central de Rusia, el momento en que la temperatura cae por debajo de -10 °C es de solo 900 horas (38 días), mientras que la duración de la temporada en sí es de 5112 horas, y la temperatura promedio de enero es de aproximadamente -10 ºC Por lo tanto, lo más conveniente es el funcionamiento de la bomba de calor en un modo bivalente, que prevé la inclusión de un generador de calor adicional durante los períodos en que la temperatura del aire cae por debajo de cierto: -5 ° C - en las regiones del sur de Rusia , -10 ° C - en los centrales. Esto permite reducir el coste de la bomba de calor y, especialmente, la instalación del circuito primario (colocación de zanjas, perforación de pozos, etc.), que aumenta considerablemente con el aumento de la capacidad de la instalación.

En las condiciones de la región central de Rusia, para una evaluación aproximada, al seleccionar una bomba de calor que funcione en modo bivalente, puede centrarse en la proporción de 70/30: la bomba de calor cubre el 70% de la demanda de calor, y el 30% restante por una caldera eléctrica u otro generador de calor. En las regiones del sur, puede guiarse por la relación entre la potencia de la bomba de calor y el generador de calor adicional, que a menudo se usa en Europa Oriental: 50 a 50.

Para una cabaña con un área de 200 m 2 para 4 personas con una pérdida de calor de 70 W / m 2 (calculada a -28 ° C de temperatura del aire exterior), la demanda de calor será de 14 kW. Añadir 700 W para agua caliente sanitaria a este valor. Como resultado, la potencia requerida de la bomba de calor será de 14,7 kW.

Si existe la posibilidad de un corte de energía temporal, debe aumentar este número por el factor apropiado. Digamos que el tiempo de apagado diario es de 4 horas, entonces la potencia de la bomba de calor debería ser de 17,6 kW (factor multiplicador - 1,2). En el caso de funcionamiento monovalente, puede elegir una bomba de calor de agua subterránea logafix WPS 160 L (Buderus) con una capacidad de 17,1 kW, que consume 5,5 kW de electricidad.

Para un sistema bivalente con calentador eléctrico adicional y una temperatura de instalación de -10 °C, teniendo en cuenta la necesidad de agua caliente y un factor de seguridad, la potencia de la bomba de calor debe ser de 11,4 W, y la caldera eléctrica - 6,2 kW (en total - 17.6 ). La potencia eléctrica máxima consumida por el sistema será de 9,7 kW.

¿Cómo calcular el costo de calentar una casa de campo?

Los cálculos se realizan sobre la base de los siguientes parámetros:

El primer parámetro son los costos operativos. Para determinar estos costos, vale la pena considerar el costo del combustible que se utilizará para generar calor. Esta partida también incluye los gastos de mantenimiento. Lo más rentable en este parámetro será la calefacción, cuyo vector energético será el gas principal suministrado. El siguiente más eficiente es la BOMBA DE CALOR.

El segundo parámetro es el costo de compra de equipos y su instalación. Lo más rentable y económico en la etapa de compra e instalación será la compra de una caldera eléctrica. Se esperan los costos máximos si decide comprar calderas, donde los portadores de energía son gas licuado en tanques de gas o combustible diesel. Aquí también la BOMBA DE CALOR es óptima.

El tercer parámetro debe considerarse la conveniencia al usar equipos de calefacción. Calderas de combustible sólido en este caso, se puede señalar como el más demandante de atención. Requieren de tu presencia y recarga de combustible, mientras que los eléctricos y los de gas funcionan de manera independiente. Porque el gas y calderas electricas el más cómodo de usar a la hora de calentar casas de campo. Y aquí la BOMBA DE CALOR tiene una ventaja. El control climático es la característica más cómoda de las bombas de calor.

A día de hoy, la situación de los precios en la Región de Moscú es la siguiente... Conectar el gas a casas particulares cuesta alrededor de 600.000 rublos. También requerido trabajo de diseño y las aprobaciones correspondientes, que a veces se prolongan durante años y también cuestan dinero. Agregue aquí el costo del equipo y el período relativamente corto de uso (razón por la cual las compañías de gas ofrecen motores más potentes). calderas de gas para que el desgaste-quemado de la caldera sea más prolongado). La calefacción con bombas de calor ya es comparable al precio anterior, pero no requiere ninguna aprobación. Una bomba de calor es un electrodoméstico común y corriente que consume 4 veces menos electricidad que una caldera eléctrica convencional y también es un dispositivo de control climático, es decir, un acondicionador de aire. El recurso motor de las bombas de calor modernas, y aún más las de alta calidad (clase premium), les permite trabajar durante más de 20 años.

Damos ejemplos del cálculo de bombas de calor para varios tipos y tamaños de casa.

Primero debe determinar la pérdida de calor de su edificio, según la región de ubicación. Lea más en "Noticias completas"

En primer lugar, es necesario determinar la potencia de la bomba de calor o caldera, ya que esta es una de las determinantes especificaciones. Se selecciona en función de la magnitud de la pérdida de calor del edificio. El cálculo del balance de calor de la casa, teniendo en cuenta las características de su diseño, debe ser realizado por un especialista; sin embargo, para una evaluación aproximada de este parámetro, si la construcción de la casa está diseñada teniendo en cuenta los códigos de construcción, usted puede utilizar la siguiente fórmula:
Q = k V ∆T
1 kWh = 860 kcal/h
Dónde
Q - pérdida de calor, (kcal/h)
V es el volumen de la habitación (largo × ancho × alto), m3;
ΔT - diferencia máxima entre la temperatura del aire exterior e interior de la habitación en invierno, °С;
k es el coeficiente de transferencia de calor generalizado del edificio;
k \u003d 3 ... 4 - construcción a partir de tableros;
k \u003d 2 ... 3 - paredes de ladrillo en una capa;
k min-max \u003d 1 ... 2 - mampostería estándar (ladrillo en dos capas);

k \u003d 0.6 ... 1 - edificio bien aislado;

Un ejemplo de cálculo de la potencia de una caldera de gas para su hogar:

Para un edificio con un volumen de V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;

La pérdida de calor de un edificio de ladrillos (k max \u003d 2) será:
Q \u003d 2 × 300 × 50 \u003d 30000 kcal / h \u003d 30000 / 860 \u003d 35 kW
Esta será la potencia mínima requerida de la caldera, calculada al máximo ...

Por lo general, se selecciona 1,5 veces el margen de potencia, sin embargo, factores como el funcionamiento constante de la ventilación de la habitación, respiraderos abiertos y puertas gran cuadrado acristalamiento, etc Si se planea usar una caldera de doble circuito (calefacción de espacios y suministro de agua caliente), entonces su capacidad debe aumentarse entre un 10 y un 40 %. El aditivo depende de la cantidad de consumo de agua caliente.

Un ejemplo de cálculo de la potencia de una bomba de calor para su hogar:

A ΔT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-30) = 50°C;
La pérdida de calor de un edificio de ladrillos (k min \u003d 1) será:
Q \u003d 1 × 300 × 50 \u003d 15000 kcal / h \u003d 30000 / 860 \u003d 17 kW
Esta será la potencia mínima requerida de la caldera, calculada al mínimo, ya que no hay quemado en la bomba de calor y el recurso depende de su recurso motor y ciclado durante el día... Para reducir el número de ciclos de encendido/apagado de la bomba de calor, se utilizan acumuladores de calor.

Entonces: necesita que la bomba de calor realice ciclos de 3 a 5 veces por hora.
aquellos. 17 kW/s hora -3 ciclos

Necesitará un tanque de compensación - 3 ciclos - 30 l / kW; 5 ciclos - 20 l/kW.

¡¡¡17 kW*30l=500l de capacidad de almacenamiento!!! Los calculos son aproximados, aqui una bateria grande esta bien, pero en la practica ponen 200 litros.

Ahora vamos a calcular el coste de una bomba de calor y su instalación para tu hogar:

El volumen del edificio es el mismo V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;
Potencia aproximada calculamos -17kW. Los diferentes fabricantes tienen una gama diferente de capacidades, así que elija una bomba de calor según la calidad y el costo junto con nuestros asesores. Por ejemplo, Waterkotte tiene una bomba de calor de 18kW, pero también puedes suministrar 15kW, ya que en caso de potencia insuficiente hay un pico de 6kW más cerca en cada bomba de calor. El recalentamiento máximo requiere un tiempo relativamente corto y, por lo tanto, no es necesario pagar de más por una bomba de calor. Por lo tanto, también puede elegir 15 kW, porque a corto plazo 15+6=21kW es más alto que sus necesidades de calor.

Detengámonos en 18kW. Especifique el costo de una bomba de calor con asesores, ya que hoy en día las condiciones de entrega son "por decirlo suavemente" impredecibles. Por lo tanto, el sitio presenta la fábrica.

Si se encuentra en las regiones del sur, la pérdida de calor de su casa según los cálculos anteriores será menor, ya que ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-10) \u003d 30 ° С. y luego ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-0) \u003d 20 ° С. Puede elegir una bomba de calor con una potencia menor y, además, según el principio de funcionamiento "aire-agua". Nuestras bombas de calor de fuente de aire funcionan de manera eficiente hasta -25 grados y, por lo tanto, no se requiere taladrar.

En el centro de Rusia y Siberia, las bombas de calor geotérmicas que funcionan según el principio de "agua a agua" son mucho más eficientes.

La perforación de un campo geotérmico tendrá un costo diferente, según la región. En la región de Moscú, el cálculo del costo es el siguiente:

Tomamos la potencia de nuestra bomba de calor -18kW. El consumo eléctrico de una bomba de calor geotérmica de este tipo es de aproximadamente 18/4 = 4,5 kWh desde el enchufe. Waterkotte tiene incluso menos (esta característica se llama COP. Las bombas de calor Waterkotte tienen un COP de 5 o más). De acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía eléctrica se transfiere al sistema, convirtiéndose en energía térmica. La energía que falta la recibimos de una fuente geotérmica, es decir, de sondas que necesitan ser perforadas. 18-4,5 = 13,5 kW de la Tierra por ejemplo (ya que la fuente en este caso puede ser un colector horizontal, un estanque, etc.).

La transferencia de calor de los suelos en diferentes lugares, incluso en la región de Moscú, es diferente. En promedio, de 30 a 60 W por 1 rpm, dependiendo de la humedad del suelo.

13,5 kW o 13500 W divididos por transferencia de calor. en promedio es de 50W por lo que 13500/50=270 metros. Los trabajos de perforación cuestan un promedio de 1200 rublos / m.p. Obtenemos 270 * 1200 \u003d 324000 rublos. llave en mano con entrada al punto de calor.

El costo de una bomba de calor de clase económica = 6-7 mil dólares. aquellos. 180-200 mil rublos

El costo de TOTAL 324 mil + 180 mil = 504 mil rublos

Agregue el costo de instalación y el costo de un acumulador de calor y obtendrá un poco más de 600 mil rublos, que es comparable al costo del suministro de gas principal. QED