Clima

Sistema de calefacción con bomba de calor

La situación es tal que la forma más popular de calentar una casa en este momento es usar calderas de calefacción: gas, combustible sólido, diesel y, con mucha menos frecuencia, eléctricas. Pero sistemas tan simples y al mismo tiempo de alta tecnología como las bombas de calor no han recibido una distribución generalizada, y en vano. Para los que aman y saben calcular todo de antemano, sus ventajas son obvias. Las bombas de calor para calefacción no queman reservas insustituibles de recursos naturales, lo que es extremadamente importante no solo desde el punto de vista de la protección del medio ambiente, sino que también ahorra recursos energéticos, ya que se vuelven más costosos cada año. Además, con la ayuda de bombas de calor, no solo puede calentar la habitación, sino también calentar agua caliente para las necesidades del hogar y acondicionar la habitación en el calor del verano..

Cómo funciona la bomba de calor

Detengámonos un poco más en detalle sobre el principio de funcionamiento de una bomba de calor. Recuerda cómo funciona el frigorífico. El calor de los productos colocados en él se bombea y se descarga al radiador ubicado en la pared trasera. Es fácil verificar esto tocándolo. Los acondicionadores de aire domésticos tienen un principio similar: bombean calor fuera de la habitación y lo arrojan a un radiador ubicado en la pared exterior del edificio..

El funcionamiento de la bomba de calor, el frigorífico y el aire acondicionado se basa en el ciclo de Carnot..

La bomba de calor requiere electricidad para funcionar. Pero esto sigue siendo mucho más rentable que usar solo un calentador eléctrico. Dado que una caldera eléctrica o un calentador eléctrico gastan exactamente la misma cantidad de electricidad que emite calor. Por ejemplo, si se escribe una potencia de 2 kW en un calentador, entonces gasta 2 kW por hora y produce 2 kW de calor. Una bomba de calor produce de 3 a 7 veces más calor de lo que consume electricidad. Por ejemplo, se utilizan 5,5 kW / h para hacer funcionar el compresor y la bomba, y se obtienen 17 kW / h de calor. Esta alta eficiencia es la principal ventaja de la bomba de calor..

Ventajas y desventajas del sistema de calefacción “bomba de calor”

Hay muchas leyendas y conceptos erróneos sobre las bombas de calor, a pesar de que no es un invento tan innovador y de alta tecnología. Con la ayuda de bombas de calor, se calientan todos los estados “cálidos” de EE. UU., Prácticamente toda Europa y Japón, donde la tecnología se ha desarrollado casi al nivel ideal y durante mucho tiempo. Por cierto, no piense que dicho equipo es una tecnología puramente extranjera y que nos llegó recientemente. De hecho, incluso en la URSS, estas unidades se utilizaron en instalaciones experimentales. Un ejemplo de esto es el sanatorio Druzhba en la ciudad de Yalta. Además de la arquitectura futurista, que recuerda a una “choza sobre patas de pollo”, este sanatorio también es famoso por el hecho de que desde los años 80 del siglo XX se utilizan bombas de calor industriales. La fuente de calor es el mar cercano, y la propia estación de bombeo no solo calienta todas las instalaciones del sanatorio, sino que también proporciona agua caliente, calienta el agua de la piscina y la enfría durante un período caluroso. Así que tratemos de disipar los mitos y determinar si tiene sentido calentar su hogar de esta manera..

Beneficios de los sistemas de calefacción con bomba de calor:

Ahorros de energía. En relación con el aumento de los precios del gas y el combustible diesel, una ventaja muy relevante. En la columna “gastos mensuales” solo se enumerará la electricidad que, como ya hemos escrito, necesita mucho menos que el calor producido realmente. Al comprar una unidad, es necesario prestar atención a un parámetro como el coeficiente de transformación de calor “ϕ” (también se puede llamar el coeficiente de conversión de calor, el coeficiente de transformación de potencia o temperatura). Muestra la relación entre la cantidad de producción de calor y la energía gastada. Por ejemplo, si ϕ = 4, entonces con un consumo de 1 kW / h obtenemos 4 kW / h de energía térmica.
Ahorro de mantenimiento. La bomba de calor no requiere ningún tratamiento especial. Los costos de mantenimiento son mínimos.
Se puede instalar en cualquier lugar. Las fuentes de calor a baja temperatura para el funcionamiento de la bomba de calor pueden ser el suelo, el agua o el aire. Dondequiera que construyas una casa, incluso en terreno rocoso, siempre existe la oportunidad de encontrar “comida” para la unidad. En un área alejada de la tubería de gas, este es uno de los sistemas de calefacción más óptimos. E incluso en regiones sin líneas eléctricas, se puede instalar un motor de gasolina o diésel para mantener el compresor en funcionamiento..
No es necesario controlar el funcionamiento de la bomba, agregar combustible, como es el caso de una caldera de combustible sólido o diesel. Todo el sistema de calefacción con bomba de calor está automatizado.
Puede dejarlo durante mucho tiempo y no tener miedo de que el sistema se congele. Al mismo tiempo, puede ahorrar dinero instalando una bomba para proporcionar una temperatura de + 10 ° С en la sala de estar..
Seguro para el medio ambiente. A modo de comparación, cuando se usan calderas tradicionales que queman combustible, siempre se forman varios óxidos de CO, CO2, NOx, SO2, PbO2, como resultado, los ácidos fosfórico, nitroso, sulfúrico y los compuestos benzoicos se depositan en el suelo alrededor de la casa. No se emite nada cuando la bomba de calor está funcionando. Y los refrigerantes utilizados en el sistema son absolutamente seguros..
Esto también incluye la preservación de los recursos naturales irreemplazables del planeta..
Seguridad para personas y bienes. En una bomba de calor, nada se calienta lo suficiente como para provocar un sobrecalentamiento o una explosión. Además, simplemente no hay nada que explote en él. Por lo que se puede atribuir a unidades completamente ignífugas..
Las bombas de calor funcionan con éxito incluso a temperaturas ambiente de -15 ° C. Entonces, si a alguien le parece que un sistema de este tipo solo puede calentar una casa en regiones con inviernos cálidos hasta +5 ° C, entonces están equivocados..
Reversibilidad de la bomba de calor. Una ventaja indiscutible es la versatilidad de la unidad, con la ayuda de la cual es posible calentar tanto en invierno como refrescar en verano. En los días calurosos, la bomba de calor toma el calor de la habitación y lo dirige al suelo para su almacenamiento, desde donde lo volverá a tomar en invierno. Tenga en cuenta que no todas las bombas de calor son reversibles, solo algunos modelos.
Durabilidad. Con el cuidado adecuado, las bombas de calor del sistema de calefacción pueden vivir de 25 a 50 años sin reparaciones importantes, y solo una vez cada 15 a 20 años será necesario reemplazar el compresor..

Desventajas de los sistemas de calefacción con bomba de calor:

Gran inversión inicial. Además del hecho de que los precios de las bombas de calor para calefacción son bastante altos (de 3,000 a 10,000 USD), además de la disposición del sistema geotérmico, deberá gastar no menos que la bomba en sí. Una excepción es la bomba de calor de fuente de aire, que no requiere trabajo adicional. La bomba de calor no se amortizará pronto (en 5 a 10 años). Entonces, la respuesta a la pregunta, si usar o no una bomba de calor para calefacción, depende más bien de las preferencias del propietario, sus capacidades financieras y las condiciones de construcción. Por ejemplo, en una región donde el suministro de una tubería de gas y su conexión cuesta lo mismo que una bomba de calor, tiene sentido dar preferencia a esta última..

En regiones donde la temperatura en invierno desciende por debajo de -15 ° C, es necesario utilizar una fuente de calor adicional. Esto se llama sistema de calefacción bivalente, en el que una bomba de calor proporciona calor mientras está a -20 ° C en el exterior, y cuando falla, por ejemplo, se conecta un calentador eléctrico o una caldera de gas, o un generador de calor..

Es más recomendable utilizar la bomba de calor en sistemas con un portador de calor de baja temperatura, como sistema de calefacción por suelo radiante (+35 ° C) y unidades fan coil (+35 – +45 ° C). Unidades fan coil son un convector de ventilador en el que el calor / frío se transfiere del agua al aire. Equipar un sistema de este tipo en una casa antigua requerirá una remodelación y reconstrucción completa, lo que implicará costos adicionales. Esto no es una desventaja a la hora de construir una nueva casa..
El respeto al medio ambiente de las bombas de calor que toman calor del agua y el suelo es algo relativo. El hecho es que en el proceso de trabajo, el espacio alrededor de las tuberías con el refrigerante se enfría, y esto viola el ecosistema establecido. De hecho, incluso en las profundidades del suelo viven microorganismos anaeróbicos, que proporcionan la actividad vital de sistemas más complejos. Por otro lado, en comparación con la producción de gas o petróleo, el daño de una bomba de calor es mínimo..

Evalúe todos los pros y los contras para tomar la decisión correcta.

Fuentes de calor para el funcionamiento de la bomba de calor

Las bombas de calor toman calor de fuentes naturales que acumulan radiación solar durante la estación cálida. Las bombas de calor difieren según la fuente de calor..

Cebado

El suelo es la fuente de calor más estable que se acumula durante la temporada. A una profundidad de 5-7 m, la temperatura del suelo es casi siempre constante e igual aproximadamente a +5 – + 8 ° С, y a una profundidad de 10 m, siempre es constante + 10 ° С. Hay dos formas de recolectar calor del suelo..

Colector de suelo horizontal es un tubo tendido horizontalmente por el que circula el refrigerante. La profundidad del colector horizontal se calcula individualmente según las condiciones, a veces es de 1,5 – 1,7 m – la profundidad de congelación del suelo, a veces más baja – 2 – 3 m para garantizar una mayor estabilidad de temperatura y menos diferencia, y a veces solo 1 – 1,2 m – aquí el suelo comienza a calentarse más rápido en primavera. Hay ocasiones en las que se equipa un colector horizontal de dos capas..

Los tubos colectores horizontales están disponibles en diferentes diámetros de 25 mm, 32 mm y 40 mm. La forma de su diseño también puede ser diferente: serpiente, bucle, zigzag, varias espirales. La distancia entre las tuberías de la serpiente debe ser de al menos 0,6 m, y generalmente de 0,8 a 1 m..

La eliminación de calor específico de cada metro lineal de la tubería depende de la estructura del suelo:

Arena seca – 10 W / m;
Arcilla seca – 20 W / m;
La arcilla está más húmeda: 25 W / m;
Arcilla con un contenido de agua muy alto – 35 W / m.

Para calentar una casa con una superficie de 100 m2, siempre que el suelo sea de arcilla húmeda, necesitarás 400 m2 de superficie de parcela para el colector. Esto es bastante – 4 – 5 áreas. Y dado que en este sitio no debería haber edificios y solo se permite un césped y macizos de flores con flores anuales, no todos pueden permitirse equipar un colector horizontal..

Un líquido especial fluye a través de las tuberías del colector, también se llama “salmuera” o anticongelante, por ejemplo, una solución al 30% de etilenglicol o propilenglicol. La “salmuera” recoge el calor del suelo y se dirige a la bomba de calor, donde lo transfiere al refrigerante. La “salmuera” enfriada fluye de regreso al colector de tierra..

Sonda de tierra vertical es un sistema de tuberías enterradas a 50 – 150 m. Puede ser una sola tubería en forma de U, bajada a una gran profundidad de 80 – 100 my rellena de hormigón. O tal vez un sistema de tuberías en forma de U, bajado 20 m para recolectar energía de un área más grande. Perforar a una profundidad de 100 a 150 m no solo es costoso, sino que también requiere un permiso especial, por lo que a menudo van al truco y equipan varias sondas poco profundas. La distancia entre estas sondas es de 5 a 7 m..

La eliminación de calor específico del colector vertical también depende de la roca:

Rocas sedimentarias secas – 20 W / m;
Rocas sedimentarias saturadas de agua y suelo pedregoso – 50 W / m;
Suelo pedregoso con un alto coeficiente de conductividad térmica: 70 W / m;
Agua subterránea (engarzado) – 80 W / m.

El área de un colector vertical es muy pequeña, pero el costo de su disposición es mayor que el de un colector horizontal. La ventaja del colector vertical es también una temperatura más estable y una mayor producción de calor..

Agua

Hay muchas formas de utilizar el agua como fuente de calor..

Colector en la parte inferior de un depósito abierto que no se congele – ríos, lagos, mares – representa tuberías con “salmuera”, sumergidas con ayuda de carga. Debido a la alta temperatura del refrigerante, este método es el más rentable y económico. Solo aquellos de los que el depósito no está a más de 50 m pueden equipar el colector de agua, de lo contrario se perderá la eficiencia de la instalación. Como comprenderá, no todo el mundo tiene esas condiciones. Pero no usar bombas de calor para los residentes costeros es simplemente miope y estúpido..

Colector de alcantarillado o las aguas residuales después de las instalaciones técnicas se pueden utilizar para calentar casas e incluso edificios de gran altura y empresas industriales dentro de la ciudad, así como para preparar agua caliente. Qué se está haciendo con éxito en algunas ciudades de nuestra Patria.

Agua de pozo o subterránea utilizado con menos frecuencia que otros colectores. Tal sistema implica la construcción de dos pozos, de uno se toma agua, que transfiere su calor al refrigerante en la bomba de calor, y el agua enfriada se descarga en el segundo. En lugar de un pozo, puede haber un pozo de filtración. En cualquier caso, el pozo de descarga debe ubicarse a una distancia de 15 a 20 m del primero, e incluso aguas abajo (el agua subterránea también tiene su propio curso). Este sistema es bastante difícil de operar, ya que se debe controlar la calidad del agua suministrada: se debe filtrar y las partes de la bomba de calor (evaporador) deben protegerse de la corrosión y la contaminación..

Aire

El diseño más simple es sistema de calefacción con bomba de calor de fuente de aire. No se necesita ningún colector adicional. El aire del ambiente va directamente al evaporador, donde transfiere su calor al refrigerante, que a su vez transfiere calor al refrigerante dentro de la casa. Puede ser aire para ventiloconvectores o agua para suelo radiante y radiador..

El costo de instalar una bomba de calor de aire es el más bajo, pero el rendimiento de la instalación depende en gran medida de la temperatura del aire. En regiones con inviernos cálidos (hasta +5 – 0 ° C), esta es una de las fuentes de calor más económicas. Pero si la temperatura del aire desciende por debajo de -15 ° C, el rendimiento baja tanto que no tiene sentido usar una bomba, pero es más rentable encender un calentador o caldera eléctrica convencional..

Las revisiones de las bombas de calor de aire para calefacción son muy controvertidas. Todo depende de la región de su uso. Es beneficioso usarlos en regiones con inviernos cálidos, por ejemplo, en Sochi, donde ni siquiera se necesita una fuente de calor duplicada en caso de heladas severas. También es posible instalar bombas de calor con fuente de aire en regiones donde el aire es relativamente seco y la temperatura en invierno es de -15 ° C. Pero en un clima húmedo y frío, tales instalaciones sufren de congelación y congelación. Los carámbanos que se adhieren al ventilador evitan que todo el sistema funcione normalmente.

Calefacción con bomba de calor: costo del sistema y costos operativos

La potencia de la bomba de calor se selecciona en función de las funciones que le serán asignadas. Si solo se calienta, los cálculos se pueden realizar en una calculadora especial que tiene en cuenta las pérdidas de calor del edificio. Por cierto, el mejor rendimiento de una bomba de calor con una pérdida de calor del edificio de no más de 80 – 100 W / m2. Para simplificar, asumiremos que se necesita una bomba de 10 kW para calentar una casa de 100 m2 con techos de 3 m de altura y una pérdida de calor de 60 W / m2. Para calentar agua, tendrá que llevar una unidad con reserva de energía: 12 o 16 kW.

Costo de la bomba de calor depende no solo de la potencia, sino también de la fiabilidad y las solicitudes del fabricante. Por ejemplo, una unidad de 16 kW de fabricación rusa costará 7.000 dólares, mientras que una bomba extranjera RFM 17 de 17 kW cuesta alrededor de 13.200 dólares. con todo el equipo relacionado, excepto el colector.

La siguiente línea de gastos será arreglo del coleccionista. También depende de la capacidad de la instalación. Por ejemplo, para una casa de 100 m2, en la que se instalan calefacción por suelo radiante (100 m2) o radiadores de calefacción de 80 m2 en todas partes, así como para calentar agua a +40 ° C con un volumen de 150 l / h, Será necesario perforar pozos para recolectores. Tal colector vertical costará $ 13,000..

Un colector en el fondo del depósito costará un poco menos. En las mismas condiciones, costará $ 11,000. Pero es mejor aclarar el costo de instalar un sistema geotérmico en empresas especializadas, puede ser muy diferente. Por ejemplo, la disposición de un colector horizontal para una bomba con una potencia de 17 kW costará solo 2500 USD. Y para una bomba de calor de aire, no se necesita un colector en absoluto..

En total, el costo de la bomba de calor es de 8000 USD. en promedio, la disposición del colector es de 6000 USD. promedio.

El costo mensual de calefacción con bomba de calor incluye solo costos de electricidad. Puede calcularlos así: el consumo de energía debe indicarse en la bomba. Por ejemplo, para la bomba de 17 kW antes mencionada, el consumo de energía es de 5,5 kW / h. En total, el sistema de calefacción funciona 225 días al año, es decir 5400 horas. Teniendo en cuenta el hecho de que la bomba de calor y el compresor funcionan cíclicamente, el consumo de energía debe reducirse a la mitad. Durante la temporada de calefacción, se gastarán 5400 h * 5,5 kW / h / 2 = 14850 kW.

Multiplicamos la cantidad de kWt consumidos por el costo del portador de energía en su región. Por ejemplo, $ 0.05. por 1 kW / hora. En total, se gastarán 742,5 USD durante el año. Por cada mes, en el que la bomba de calor funcionó para calefacción, hay $ 100. costos de electricidad. Si divide los costos entre 12 meses, obtiene 60 USD por mes..

Tenga en cuenta que cuanto menor sea el consumo de energía de la bomba de calor, menores serán los costos mensuales. Por ejemplo, hay bombas de 17 kW, que consumen solo 10,000 kW por año (cuesta $ 500). También es importante que el rendimiento de la bomba de calor sea mayor cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el refrigerante en el sistema de calefacción.. Por eso dicen que es más rentable instalar suelo radiante y ventiloconvectores. Aunque también se pueden instalar radiadores de calefacción estándar con un portador de calor de alta temperatura (+65 – +95 ° C), pero con un acumulador de calor adicional, por ejemplo, una caldera de calefacción indirecta. También se utiliza una caldera para recalentar agua caliente..

Las bombas de calor son beneficiosas cuando se utilizan en sistemas bivalentes. Además de la bomba, se puede instalar un colector solar, que podrá suministrar electricidad a la bomba por completo en el verano, cuando funcionará para refrigeración. Para la seguridad invernal, puede agregar un generador de calor, que calentará el agua para el suministro de agua caliente y los radiadores de alta temperatura..