Pompe di calore per il riscaldamento domestico: tipologie e principio di funzionamento

Il principio di funzionamento della pompa aria-acqua

Come già accennato, la principale fonte di energia termica per impianti di questo tipo è l'aria atmosferica. La base fondamentale del funzionamento delle pompe ad aria è la proprietà fisica dei liquidi di assorbire e rilasciare calore durante il passaggio di fase dallo stato liquido allo stato gassoso e viceversa. Come risultato del cambiamento di stato, la temperatura viene rilasciata. Il sistema funziona secondo il principio di un frigorifero al contrario.

Per utilizzare efficacemente queste proprietà del liquido, un refrigerante a basso punto di ebollizione (freon, freon) circola in un circuito chiuso, il cui design include:

• compressore con azionamento elettrico;
• evaporatore a ventola;
• valvola a farfalla (di espansione);
• scambiatore di calore a piastre;
• tubi di circolazione in rame o metallo-plastica che collegano gli elementi principali del circuito.

Il movimento del refrigerante lungo il circuito è dovuto alla pressione sviluppata dal compressore.Per ridurre le perdite di calore, i tubi sono ricoperti da uno strato termoisolante di gomma artificiale o schiuma di polietilene con un rivestimento protettivo metallizzato. Come refrigerante viene utilizzato il freon o il freon, che può bollire a una temperatura negativa e non congela fino a -40 ° C.

L'intero processo di lavoro consiste nei seguenti cicli successivi:

1. Il radiatore dell'evaporatore contiene un refrigerante liquido più freddo dell'aria esterna. Durante il soffiaggio attivo del radiatore, l'energia termica dell'aria a basso potenziale viene trasferita al freon, che bolle e passa allo stato gassoso. Allo stesso tempo, la sua temperatura aumenta.
2. Il gas riscaldato entra nel compressore, dove si riscalda ancora di più durante il processo di compressione.
3. In uno stato compresso e riscaldato, il vapore del refrigerante viene immesso in uno scambiatore di calore a piastre, dove il vettore di calore dell'impianto di riscaldamento circola attraverso il secondo circuito. Poiché la temperatura del liquido di raffreddamento è molto inferiore a quella del gas riscaldato, il freon condensa attivamente sulle piastre dello scambiatore di calore, cedendo calore all'impianto di riscaldamento.
4. La miscela vapore-liquido raffreddata entra nella valvola a farfalla, che consente solo al refrigerante liquido a bassa pressione raffreddato di passare all'evaporatore. Quindi l'intero ciclo viene ripetuto.

Per aumentare l'efficienza di trasferimento del calore del tubo, le alette a spirale sono avvolte sull'evaporatore. Il calcolo dell'impianto di riscaldamento, la scelta delle pompe di circolazione e di altre apparecchiature dovrebbero tenere conto resistenza idraulica e coefficiente installazione scambiatore di calore a piastre.

Panoramica video del dispositivo di sistema e del suo funzionamento

Pompe di calore inverter

La presenza di un inverter come parte dell'installazione consente un avviamento regolare dell'apparecchiatura e la regolazione automatica delle modalità in base alla temperatura esterna. Ciò massimizza l'efficienza della pompa di calore:

• raggiungimento dell'efficienza al livello del 95-98%;
• riduzione del consumo energetico del 20-25%;
• minimizzazione dei carichi sulla rete elettrica;
• aumentare la vita utile dell'impianto.

Di conseguenza, la temperatura interna viene mantenuta stabilmente allo stesso livello, indipendentemente dai cambiamenti meteorologici. Allo stesso tempo, la presenza di un inverter completo di unità di controllo automatizzata garantirà non solo il riscaldamento in inverno, ma anche l'erogazione di aria refrigerata in estate nella stagione calda.

Allo stesso tempo, va tenuto conto del fatto che la presenza di apparecchiature aggiuntive comporta sempre un aumento del suo costo e un aumento del periodo di ammortamento.

Divisione per tipo di fluido di lavoro

Le moderne pompe di calore possono essere utilizzate corpo gassoso o liquido chimico soluzione di ammoniaca come trasportatore di calore. L'idoneità di un particolare schema è valutata da diversi fattori, caratteristiche del sistema.

1. Gli impianti a freon hanno un ciclo a pompa di calore basato su processi di compressione ed espansione del gas. Sono in qualche modo costruiti sullo schema del compressore. L'apparecchiatura ha indicatori di prestazione interessanti, ma presenta anche degli svantaggi. Sebbene il consumo medio ponderato del sistema al momento del ciclo di funzionamento sia stabile, il cablaggio è pesantemente caricato. Inoltre, le pompe di calore con un trasportatore di calore gassoso non saranno utili nelle regioni in cui non esiste una rete elettrica centralizzata o una fonte di alimentazione con capacità di carico sufficiente.
2. Gli impianti di tipo evaporativo che utilizzano una soluzione di ammoniaca hanno un ciclo di lavoro basato sul processo di evaporazione della sostanza a bassi punti di ebollizione. La liquefazione dopo il passaggio di uno scambiatore di calore esterno avviene sotto l'azione di una fonte di energia. Questo è un bruciatore di calore. Quasi tutti i combustibili possono essere utilizzati per questo: solido, benzina, diesel, gas, cherosene, in alcuni casi - alcol metilico. Pertanto, le pompe di calore evaporative sono interessanti in luoghi in cui non c'è elettricità. Inoltre, l'economicità del carburante di un certo tipo nella regione può indurre alla scelta di tali apparecchiature.

La natura del fluido di lavoro utilizzato nel sistema può dire molto sulle prestazioni dell'installazione e sulla potenza erogata. Quindi, le pompe di calore a compressore freon sono capaci di uno scatto acuto, riscaldando rapidamente la stanza. I modelli di evaporazione dell'ammoniaca non sono in grado di compiere tali prodezze. La loro modalità d'uso preferita è il funzionamento stabile e continuo alla potenza termica nominale.

Tipi di pompe di calore

Le pompe di calore sono suddivise in diversi tipi. Il primo tipo (tipo) nella classificazione secondo il metodo di trasferimento dell'energia termica:

Compressione. I principali elementi di installazione sono compressori, condensatori, espansori ed evaporatori. Questo tipo di pompe è di altissima qualità ed efficiente, il che porta al fatto che è molto popolare sul mercato.

Assorbimento. L'ultima generazione di pompe di calore. Usano un freon assorbente nel loro lavoro. Grazie a ciò, la qualità del lavoro viene aumentata più volte.

Può essere distinto tipi di pompe di calore in base alle fonti di calore, ovvero:

• L'energia termica è generata dal suolo (nella foto);
• acqua;
• Correnti d'aria
• Riscaldare. Sono ottenuti dal deflusso dell'acqua, dall'aria sporca o dalle acque reflue.

Per tipi di circuiti di ingresso-uscita:

• aria-aria. La pompa preleva aria fredda, ne abbassa la temperatura, riceve il calore richiesto, che lo trasferisce dove è richiesto il riscaldamento.
• acqua ad acqua. La pompa preleva il calore dall'acqua di falda, che lo cede all'acqua per riscaldare l'ambiente.
• acqua-aria. Dall'acqua all'aria. Tipico è l'uso di sonde e pozzi per l'acqua e il riscaldamento avviene tramite un sistema di riscaldamento ad aria.
• aria-acqua. Dall'aria all'acqua. Le pompe di questo tipo utilizzano il calore dell'atmosfera per riscaldare l'acqua.
• acqua sporca. In questa forma, il calore viene prelevato dai tubi con l'acqua posata nel terreno. Il calore viene prelevato dal suolo (suolo).
• acqua ghiacciata. Un tipo interessante di pompa di calore. Per riscaldare l'acqua per il riscaldamento degli ambienti, viene utilizzata una tecnica di produzione di ghiaccio, in cui viene rilasciata una colossale energia termica. Se congeli fino a 200 litri di acqua, puoi ottenere energia che può riscaldare medie dimensioni per 40-60 minuti.

Vantaggi e svantaggi delle pompe di calore

Principio funzionamento in pompa di calore, in parole povere, si basa sulla raccolta di energia termica di bassa qualità e sul suo ulteriore trasferimento agli impianti di riscaldamento e climatizzazione, nonché ai sistemi di trattamento delle acque, ma a temperatura più elevata. Si può fare un semplice esempio la forma di una bombola di gas – quando è pieno di gas, il compressore si riscalda comprimendolo. E se rilasci gas dal cilindro, il cilindro si raffredderà: prova a rilasciare bruscamente il gas da un accendino ricaricabile per comprendere l'essenza di questo fenomeno.

Pertanto, le pompe di calore, per così dire, sottraggono energia termica allo spazio circostante: è nel terreno, nell'acqua e persino nell'aria. Anche se l'aria ha una temperatura negativa, c'è ancora calore in essa. Si trova anche in tutti i corpi idrici che non si congelano fino in fondo, così come negli strati profondi del suolo che non sono suscettibili di congelamento profondo, a meno che, ovviamente, non si tratti di permafrost.

Le pompe di calore hanno un dispositivo piuttosto complicato, come si può vedere provando a smontare un frigorifero o dei condizionatori. Queste unità domestiche a noi familiari sono in qualche modo simili alle pompe sopra menzionate, solo che funzionano nella direzione opposta: prendono il calore dai locali e lo inviano all'esterno. Se metti la mano sul radiatore posteriore del frigorifero, noteremo che è caldo. E questo calore non è altro che l'energia sottratta a frutta, verdura, latte, zuppe, salsicce e altri prodotti che sono nella camera.

I condizionatori d'aria ei sistemi split funzionano in modo simile: il calore generato dalle unità esterne è l'energia termica raccolta poco a poco negli ambienti refrigerati.

Il principio di funzionamento di una pompa di calore è l'inverso di quello di un frigorifero. Raccoglie il calore dall'aria, dall'acqua o dal suolo negli stessi grani, dopodiché lo reindirizza ai consumatori: si tratta di sistemi di riscaldamento, accumulatori di calore, sistemi di riscaldamento a pavimento e scaldabagni. Sembrerebbe che nulla ci impedisca di riscaldare il liquido di raffreddamento o l'acqua con un normale elemento riscaldante: in questo modo è più facile. Ma confrontiamo la produttività delle pompe di calore e degli elementi riscaldanti convenzionali:

Nella scelta di una pompa di calore, la cosa più importante è la disponibilità di una specifica fonte di energia naturale.

• Elemento riscaldante convenzionale - per la produzione di 1 kW di calore, consuma 1 kW di elettricità (esclusi gli errori;
• Una pompa di calore: consuma solo 200 W di elettricità per produrre 1 kW di calore.

No, qui non c'è efficienza pari al 500% - le leggi della fisica sono irremovibili. Sono solo le leggi della termodinamica al lavoro qui. La pompa, per così dire, accumula energia dallo spazio, la "addensa" e la invia ai consumatori. Allo stesso modo, possiamo raccogliere le gocce di pioggia attraverso un grande annaffiatoio, ottenendo un flusso d'acqua solido all'uscita.

Abbiamo già dato molte analogie che ci permettono di capire l'essenza delle pompe di calore senza formule astruse con variabili e costanti. Vediamo ora i loro vantaggi:

• Risparmio energetico - se il riscaldamento elettrico standard di un edificio di 100 mq. m. porterà a costi di 20-30 mila rubli al mese (a seconda della temperatura dell'aria esterna), quindi il sistema di riscaldamento con pompa di calore ridurrà i costi a 3-5 mila rubli accettabili - d'accordo, questo è già piuttosto un solido risparmio. E questo senza trucchi, senza inganni e senza trucchi di marketing;
• Prendersi cura dell'ambiente: le centrali a carbone, nucleari e idroelettriche danneggiano la natura. Pertanto, il ridotto consumo di elettricità riduce la quantità di emissioni nocive;
• Una vasta gamma di usi: l'energia risultante può essere utilizzata per riscaldare una casa e preparare l'acqua calda.

Ci sono anche degli svantaggi:

• L'alto costo delle pompe di calore: questo svantaggio impone una limitazione al loro utilizzo;
• La necessità di una manutenzione regolare: devi pagarla;
• Difficoltà di installazione - questo vale nella massima misura per le pompe di calore con circuiti chiusi;
• Mancanza di accettazione da parte delle persone: pochi di noi accetterebbero di investire in questa attrezzatura per ridurre l'onere per l'ambiente. Ma alcune persone che vivono lontano dalla rete del gas e sono costrette a riscaldare le loro case con fonti di calore alternative accettano di spendere soldi per l'acquisto di una pompa di calore e di ridurre le bollette mensili dell'elettricità;
• Dipendenza dalla rete: se la fornitura di elettricità si interrompe, l'apparecchiatura si congela immediatamente. La situazione verrà salvata installando un accumulatore di calore o una fonte di alimentazione di riserva.

Come puoi vedere, alcuni degli svantaggi sono piuttosto gravi.

I generatori a benzina e diesel possono fungere da fonti di alimentazione di riserva per le pompe di calore.

Suggerimenti e trucchi

Una pompa di calore è un'apparecchiatura tecnicamente complessa e piuttosto costosa, quindi la sua scelta va affrontata con grande responsabilità. Per non essere infondato, ecco alcune raccomandazioni molto specifiche.

1. Non iniziare mai a scegliere una pompa di calore senza prima fare calcoli e creare un progetto. L'assenza di un progetto può causare errori fatali, che possono essere corretti solo con l'aiuto di enormi investimenti finanziari aggiuntivi.

2. La progettazione, l'installazione e la manutenzione della pompa di calore e dell'impianto di riscaldamento devono essere affidate esclusivamente a professionisti. Come assicurarsi che i professionisti lavorino in questa azienda? Innanzitutto, dalla disponibilità di tutta la documentazione necessaria, un portafoglio di oggetti implementati, certificati dei fornitori di apparecchiature.È altamente auspicabile che l'intera gamma dei servizi necessari sia fornita da un'unica società, che in questo caso sarà pienamente responsabile dell'attuazione del progetto.

3. Ti consigliamo di dare la preferenza a una pompa di calore di fabbricazione europea. Non lasciarti confondere dal fatto che è più costoso dell'attrezzatura cinese o russa. Se inclusa nella stima del costo di installazione, messa in servizio e debug dell'intero sistema di riscaldamento, la differenza di prezzo delle pompe sarà quasi impercettibile. Ma d'altra parte, avendo a disposizione un "europeo", sarete sicuri della sua affidabilità, poiché il prezzo elevato della pompa è solo il risultato dell'utilizzo di moderne tecnologie e materiali di alta qualità per realizzarla.

Principali varietà

Tutte le pompe di circolazione per impianti di riscaldamento sono divise in due tipi di design: dispositivi con rotore "a secco" e pompe di circolazione con rotore "bagnato".

Nelle pompe di circolazione del primo tipo, che è già chiaro dal loro nome, il rotore non entra in contatto con il fluido di lavoro: il liquido di raffreddamento. La girante di tali pompe è separata dal rotore e dallo statore mediante anelli di tenuta in acciaio, premuti l'uno contro l'altro per mezzo di una speciale molla che compensa l'usura di questi elementi. La tenuta di questo gruppo di tenuta durante il funzionamento della pompa è assicurata da un sottile strato d'acqua tra gli anelli di acciaio, che si forma a causa della differenza tra le pressioni nell'impianto di riscaldamento e nell'ambiente esterno.

Le pompe di circolazione per il riscaldamento con rotore "a secco" si distinguono per un'efficienza piuttosto elevata (89%) e una produttività, ma anche le macchine idrauliche di questo tipo presentano degli svantaggi, tra cui una forte rumore sul lavoro e complessità di funzionamento, manutenzione e riparazione.Di norma, gli impianti di riscaldamento industriale sono dotati di pompe di questo tipo, raramente utilizzati negli impianti di riscaldamento domestici.

Pompa di circolazione monostadio con rotore "a secco".

Una pompa di circolazione per impianti di riscaldamento dotati di rotore di tipo “bagnato” è un dispositivo la cui girante e rotore sono in costante contatto con il liquido di raffreddamento. Il mezzo di lavoro in cui ruotano il rotore e la girante funge da lubrificante e refrigerante. Lo statore e il rotore delle pompe di questo tipo sono isolati l'uno dall'altro mediante uno speciale vetro in acciaio inossidabile. Tale vetro, all'interno del quale il rotore e la girante ruotano nel mezzo di raffreddamento, protegge l'avvolgimento dello statore eccitato dall'ingresso di fluido di lavoro su di esso.

L'efficienza delle pompe di questo tipo è piuttosto bassa ed è solo del 55%, ma le capacità tecniche di un tale dispositivo sono sufficienti per garantire la circolazione del liquido di raffreddamento negli impianti di riscaldamento case non troppo grandi. Se parliamo dei vantaggi delle pompe di circolazione con rotore "bagnato", dovrebbero includere la quantità minima di rumore emessa durante il funzionamento di tali dispositivi, elevata affidabilità, facilità d'uso, manutenzione e riparazione.

Pompa di circolazione a umido

Selezione del tipo di pompa di calore

L'indicatore principale di questo sistema di riscaldamento è la potenza. Innanzitutto, i costi finanziari per l'acquisto di apparecchiature e la scelta dell'una o dell'altra fonte di calore a bassa temperatura dipenderanno dalla potenza.Maggiore è la potenza del sistema a pompa di calore, maggiore è il costo dei componenti.

Si tratta in primo luogo della potenza del compressore, della profondità dei pozzi per le sonde geotermiche o dell'area per ospitare un collettore orizzontale. I corretti calcoli termodinamici sono una sorta di garanzia che il sistema funzioni in modo efficiente.

Se c'è un serbatoio vicino alla tua area personale, sarà la scelta più economica e produttiva acqua pompa di calore-acqua

Per prima cosa è necessario studiare l'area prevista per l'installazione della pompa. La condizione ideale sarebbe la presenza di un bacino idrico in quest'area. L'uso dell'opzione acqua-acqua ridurrà notevolmente la quantità di lavori di scavo.

L'utilizzo del calore della terra, invece, comporta un gran numero di opere legate allo scavo. I sistemi che utilizzano l'acqua come calore di bassa qualità sono considerati i più efficienti.

Il dispositivo di una pompa di calore che estrae energia termica dal terreno comporta una quantità impressionante di lavori di sterro. Il collettore è posto al di sotto del livello di congelamento stagionale

Ci sono due modi per utilizzare l'energia termica del suolo. Il primo prevede la perforazione di pozzi con un diametro di 100-168 mm. La profondità di tali pozzi, a seconda dei parametri del sistema, può raggiungere i 100 mo più.

Sonde speciali sono poste in questi pozzi. Il secondo metodo utilizza un collettore di tubi. Tale collettore è posto sottoterra su un piano orizzontale. Questa opzione richiede un'area abbastanza ampia.

Per la posa del collettore, le aree con terreno umido sono considerate ideali. Naturalmente, la perforazione di un pozzo costerà più di un serbatoio orizzontale.Tuttavia, non tutti i siti hanno spazio libero. Per un kW di potenza della pompa di calore, è necessario da 30 a 50 mq di superficie.

La costruzione per l'assunzione di energia termica con un pozzo profondo può risultare un po' più economica rispetto allo scavo di una fossa

Ma un vantaggio significativo risiede nel notevole risparmio di spazio, che è importante per i proprietari di piccoli appezzamenti. In caso di presenza sul sito di un orizzonte di falda sotterranea elevato, gli scambiatori di calore possono essere disposti in due pozzi posti a una distanza di circa 15 m l'uno dall'altro

In caso di presenza sul sito di un orizzonte idrico sotterraneo elevato, gli scambiatori di calore possono essere disposti in due pozzi posti a una distanza di circa 15 m l'uno dall'altro.

L'estrazione di energia termica in tali sistemi pompando acque sotterranee in un circuito chiuso, parti della quale si trovano in pozzi. Un tale sistema richiede l'installazione di un filtro e la pulizia periodica dello scambiatore di calore.

Lo schema più semplice ed economico della pompa di calore si basa sull'estrazione di energia termica dall'aria. Una volta che divenne la base per la costruzione di frigoriferi, in seguito furono sviluppati condizionatori d'aria secondo i suoi principi.

Il più semplice sistema a pompa di calore ottiene energia dalla massa d'aria. D'estate si occupa di riscaldamento, d'inverno di aria condizionata. Lo svantaggio del sistema è che, in una versione indipendente, un'unità con potenza insufficiente

Efficienza vari tipi di questa attrezzatura non lo stesso. Le pompe che utilizzano l'aria hanno le prestazioni più basse. Inoltre, questi indicatori dipendono direttamente dalle condizioni meteorologiche.

Le varietà macinate di pompe di calore hanno prestazioni stabili. Il coefficiente di efficienza di questi sistemi varia entro 2,8 -3,3.I sistemi acqua-acqua sono i più efficienti. Ciò è dovuto principalmente alla stabilità della temperatura della sorgente.

Va notato che più profondo si trova il collettore della pompa nel serbatoio, più stabile sarà la temperatura. Per ottenere una potenza dell'impianto di 10 kW sono necessari circa 300 metri di condotta.

Il parametro principale che caratterizza l'efficienza di una pompa di calore è il suo fattore di conversione. Maggiore è il fattore di conversione, più efficiente viene considerata la pompa di calore.

Il fattore di conversione di una pompa di calore è espresso dal rapporto tra la portata termica e la potenza elettrica spesa per il funzionamento del compressore