La búsqueda de fuentes alternativas que aporten energía a muchos ámbitos de la actividad humana se ha convertido recientemente en una tarea urgente. La gente se esfuerza por utilizar más activamente la energía del sol, el viento y las fuentes de agua para reducir los costos de resolver los problemas asociados con el suministro de calor a los edificios. Al mismo tiempo, la cuestión de la ecología tiene no poca importancia, ya que reducir las emisiones nocivas que contaminan la atmósfera es más importante que nunca.

Crear condiciones de vida favorables y cómodas en el sector de la vivienda en últimos años Comenzó a utilizar generadores eólicos, colectores solares y generadores de calor económicos simultáneamente con la implementación de medidas que ayudan a aumentar el aislamiento térmico de una instalación de suministro de calor.

Según los profesionales que trabajan en este campo, el uso de fuentes geotérmicas de energía térmica (bombas especiales) se considera una medida eficaz y económica. Su diseño fundamental permite extraer calor de ambiente, transfórmalo y muévelo al lugar de aplicación (más detalles: " ").

Las fuentes de energía de las bombas de calor son el agua, el aire y el suelo, y el proceso de generación de calor se produce debido al uso de las propiedades físicas de ciertas sustancias llamadas refrigerantes. Pueden hervir incluso a bajas temperaturas.

Procedimiento de cálculo para bombas de calor.

El resultado de los cálculos depende principalmente de las características individuales de la estructura calentada y consta de varias etapas:

1. En primer lugar, se determinan las pérdidas de calor que se producen a través de la envolvente del edificio (entre ellas se incluyen ventanas, puertas, paredes y techos). Para hacer esto, use la siguiente fórmula:
   
   Qok = Sx(tin – tout)x(1 + Σ β) x n / Rt (W), dondeS – la suma de las áreas de todas las estructuras de cerramiento (m²);
   estaño – temperatura del aire dentro del edificio (°C);
   tout – temperatura del aire exterior (°C);
   
   n – coeficiente que refleja la influencia del espacio circundante en las características de la estructura. Si la habitación está en contacto directo con el ambiente exterior a través del techo, entonces este indicador es igual a 1. Cuando el objeto tiene pisos de ático, n es igual a 0,9. Si el objeto está ubicado encima del sótano, el coeficiente es 0,75 (más detalles: " ").
   β es el coeficiente de pérdida de calor adicional, según el tipo de edificio y su ubicación geográfica. Este indicador, al calcular una bomba de calor, está en el rango de 0,05 a 0,27;Rt es un indicador de resistencia térmica, que está determinado por la siguiente fórmula:Rt = 1/ α interno + Σ (δі / λі) + 1/ α externo (m²x°C / W), donde:α interno – coeficiente que caracteriza la absorción térmica de las superficies internas de las estructuras de cercas (W/m²x°C);
   δі / λі – es un indicador calculado de la conductividad térmica de los materiales utilizados en la construcción;
   α nar – valor de disipación térmica de las superficies exteriores de las estructuras de vallado (W/m²x°C);
2. A continuación, para calcular las bombas de calor, utilice la fórmula para determinarPérdida total de calor del edificio:
   
   Qt.pot = Qok + Qi – Qbp, donde:
   
   Qi: el costo de calentar el aire que ingresa a través de lugares naturales con fugas;
   Qbp ​​​​: generación de calor como resultado del funcionamiento de electrodomésticos y la actividad humana.
3. En esta etapa se calcula la energía térmica consumida para cada uno de los objetos durante el año:Qaño = 24x0,63xQt. pot.х((dх (tin - tout.medi.)/ (tin - tout.)) kW/hora), donde:
   tout.av es el valor medio aritmético de las temperaturas registradas en el aire exterior durante todo el período de calefacción;
   d – número de días de la temporada de calefacción.
4. Luego es necesario determinar la potencia térmica necesaria para calentar el agua durante todo el año, para lo cual se utiliza la expresión:
   
   Qgv = V x17 (kW/hora por año calendario), donde
   V x17 – volumen diario de calentamiento de agua hasta 50 °C.
5. El consumo total de energía térmica está determinado por la fórmula:
   
   Q = Qgv + Qaño (kW/hora durante un año)

1,1 es un factor de corrección, ya que cuando se producen temperaturas críticas, la carga de la bomba de calor puede aumentar.

Cuando se han realizado los cálculos necesarios, es fácil elegir una bomba de calor adecuada para una habitación determinada, que proporcionará un microclima confortable para las personas que se encuentran en la habitación.

¿Cómo calcular los costes de calefacción de una casa de campo?

Los cálculos se realizan en base a los siguientes parámetros:

El primer parámetro son los costos operativos. Para determinar estos costes conviene tener en cuenta el coste del combustible que se utilizará para generar calor. Este rubro también incluye los costos de mantenimiento. La más rentable en este parámetro será la calefacción, cuyo portador energético será el gas principal suministrado. La siguiente más eficiente es la BOMBA DE CALOR.

El segundo parámetro es el costo de comprar equipos e instalarlos. La opción más rentable y económica en la etapa de adquisición e instalación sería la compra de una caldera eléctrica. Los costos máximos le esperan si decide comprar calderas donde los portadores de energía sean gas licuado en tanques de gas o combustible diesel. También en este caso lo óptimo es una BOMBA DE CALOR.

El tercer parámetro debe considerarse la conveniencia al utilizar equipos de calefacción. Las calderas de combustible sólido en este caso pueden considerarse las que más atención exigen. Requieren de tu presencia y carga adicional de combustible, mientras que los eléctricos y los alimentados por el suministro principal de gas funcionan de forma independiente. Por tanto, las calderas de gas y eléctricas son las más cómodas de utilizar a la hora de calentar casas de campo. Y aquí la BOMBA DE CALOR tiene una ventaja. El control del clima es la característica más cómoda de las bombas de calor.

Hoy en la región de Moscú se ha desarrollado la siguiente situación de precios... Conectar gas a casas privadas cuesta alrededor de 600 mil rublos. También requerido trabajo de diseño y las correspondientes homologaciones, que a veces duran años y además cuestan dinero. Agregue aquí el costo del equipo y el período relativamente corto de desgaste (razón por la cual las compañías de gas ofrecen calderas de gas más potentes para que el desgaste de la caldera sea más prolongado). La calefacción con bombas de calor ya es comparable al precio anterior, pero no requiere ninguna homologación. Una bomba de calor es un electrodoméstico común que consume 4 veces menos electricidad que una caldera eléctrica convencional y también es un dispositivo de control climático, es decir, un aire acondicionado. La vida útil del motor de las bombas de calor modernas, y especialmente de las de alta calidad (clase premium), les permite funcionar durante más de 20 años.

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

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

En primer lugar hay que decidir la potencia de la bomba de calor o caldera, ya que es uno de los factores decisivos. características técnicas. Se selecciona en función de la cantidad de pérdida de calor del edificio. El cálculo del equilibrio térmico de una casa, teniendo en cuenta las características de su diseño, debe ser realizado por un especialista; sin embargo, para una estimación aproximada de este parámetro, si la construcción de la casa se diseña teniendo en cuenta los estándares de construcción, es posible utilice la siguiente fórmula:
Q = k V ΔT
1 kW/h = 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, °C;
k es el coeficiente generalizado de transferencia de calor del edificio;
k = 3…4 - edificio de tablas;
k = 2…3 - paredes de ladrillo en una capa;
k min-max = 1…2 - mampostería estándar (ladrillo en dos capas);

k = 0,6...1 - edificio bien aislado;

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

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

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

Normalmente se selecciona una reserva de marcha de 1,5 veces; sin embargo, se deben tener en cuenta factores como la ventilación constante de la habitación, ventanas y puertas abiertas, una gran superficie acristalada, etc. Si planea utilizar una caldera de doble circuito (para calentar la habitación y suministrar agua caliente), entonces su potencia debe aumentarse aún más entre un 10 y un 40%. El aditivo depende de la cantidad de flujo de agua caliente.

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

En ΔT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-30) = 50°C;
La pérdida de calor de un edificio de ladrillo (k min= 1) será:
Q = 1 ×300 × 50 = 15000 kcal/hora = 30000 / 860 = 17 kW
Esta será la potencia mínima requerida de la caldera, calculada al mínimo, ya que no se quema en la bomba de calor y el recurso depende de la vida útil del motor y de los ciclos durante el día... Reducir el número de ciclos de encendido/apagado de la bomba de calor se utilizan depósitos acumuladores de calor.

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

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

¡¡¡17 kW*30l=500l de capacidad de almacenamiento!!! Los cálculos son aproximados, aquí una batería grande es buena, pero en la práctica consumen 200 litros.

Ahora calculemos 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;
Calculamos la potencia aproximada en -17 kW. Los diferentes fabricantes tienen diferentes líneas eléctricas, así que elija una bomba de calor en función de la calidad y el coste junto con nuestros asesores. Por ejemplo, Waterkotte tiene una bomba de calor de 18 kW, pero también puedes instalar una bomba de calor de 15 kW, ya que si no hay potencia suficiente, hay un pico de 6 kW más cerca en cada bomba de calor. El recalentamiento máximo se produce con relativa rapidez y, por lo tanto, no es necesario pagar de más por una bomba de calor. Por lo tanto, puedes elegir 15 kW, ya que a corto plazo 15+6=21 kW es más que tus necesidades de calor.

Detengámonos en 18 kW. Consulte el coste de la bomba de calor con asesores, ya que hoy en día las condiciones de entrega son “por decirlo suavemente” impredecibles. Por lo tanto, en el sitio se presenta la versión de fábrica.

Si se encuentra en las regiones del sur, la pérdida de calor de su hogar según los cálculos anteriores será menor, ya que ΔT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-10) = 30°C. o incluso ΔT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-0) = 20°C. Puede elegir una bomba de calor de menor potencia y también con 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 requieren trabajos de perforación.

En Rusia central y Siberia, las bombas de calor geotérmicas que funcionan según el principio “agua-agua” son mucho más efectivas.

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

Tomamos la potencia de nuestra bomba de calor -18 kW. El consumo eléctrico de una bomba de calor geotérmica de este tipo es de aproximadamente 18/4 = 4,5 kW/hora desde una toma de corriente. Waterkotte tiene incluso menos (esta característica se llama COP. Las bombas de calor Waterkotte tienen un COP de 5 o más). Según la ley de conservación de la energía, la energía eléctrica se transfiere al sistema y se convierte en energía térmica. La energía faltante la obtenemos de una fuente geotérmica, es decir, de sondas que hay que perforar. 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 del suelo en diferentes lugares, incluso en la región de Moscú, es diferente. En promedio, de 30 a 60 W por 1 m.p., dependiendo de la humedad del suelo.

13,5 kW o 13500 W divididos por la transferencia de calor. En promedio es de 50W, por lo que 13500/50=270 metros. Los trabajos de perforación cuestan una media de 1200 rublos/m.p. Obtenemos 270*1200=324000 rublos. Llave en mano con entrada a la estación de calefacción.

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

Costo TOTAL 324 mil + 180 mil = 504 mil rublos

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

El uso de calor ambiental de baja calidad para calentar y calentar agua se vuelve económicamente beneficioso con el uso a largo plazo del sistema. Un obstáculo para el uso generalizado de tales dispositivos es el alto costo inicial del equipo y su instalación. Por lo tanto, la instalación total o parcial de una bomba de calor con sus propias manos siempre es relevante, ya que le permite ahorrar una cantidad significativa de dinero.

Arroz. 1 Bomba de calor agua-agua en la vivienda

Al crear bombas de calor para calefacción, se utiliza el calor natural de baja calidad de las masas de aire, el suelo y el agua. Las especies acuáticas absorben energía térmica de pozos, pozos, estanques y otros cuerpos de agua abiertos. Una bomba de calor funciona como un frigorífico, que toma calor del compartimento frigorífico y lo libera al exterior a través de un radiador externo.

Durante la instalación, el intercambiador de calor primario con refrigerante circulante se coloca en un recipiente con agua, del que se extrae el calor. El agua es aspirada por una bomba de agua, pasa a través de un sistema de tuberías y luego ingresa al evaporador; en el dispositivo, cuando el líquido se calienta, se evapora. En el evaporador, el refrigerante transfiere calor al freón, cuyo punto de ebullición es una pequeña temperatura positiva de 6 a 8 C, y el refrigerante gaseoso ingresa al compresor.

Allí se comprime, lo que provoca un aumento de la temperatura del gas y su posterior suministro al condensador. en un condensador energía térmica del gas con una temperatura de 40 a 70 C se transfiere al agua en el sistema de calefacción, el gas enfriado se condensa y ingresa a la válvula reductora de presión (estrangulador). Su presión disminuye, lo que conduce a un mayor enfriamiento del gas a un estado líquido, en el que se suministra nuevamente al evaporador. El sistema opera en un modo cíclico cerrado circular.

Cálculo de la bomba de calor

Para diseñar un sistema con sus propias manos, primero debe realizar un cálculo teniendo en cuenta las necesidades de energía térmica (también se pueden utilizar bombas para suministrar agua caliente a la casa) y las posibles pérdidas. El algoritmo de cálculo consta de las siguientes operaciones.

1. Se calcula el área de la habitación con calefacción.
2. Con base en los valores obtenidos, la cantidad total de energía necesaria para calefacción se determina calculando entre 70 y 100 vatios por metro cuadrado. El parámetro depende de la altura de los techos, el material de fabricación y el grado de conductividad térmica de la casa.
3. Al proporcionar suministro de agua caliente, el valor obtenido aumenta entre un 15 y un 20%.
4. En función de la potencia recibida, se selecciona un compresor y se calculan y diseñan los componentes principales del sistema: tubería, evaporador, condensador, bomba eléctrica y otros componentes.

Componentes para un sistema de calefacción con bomba de calor cuando se fabrican de forma independiente.

Es bastante difícil para un propietario común competir con las bombas de calor industriales de fabricantes nacionales y extranjeros; sin embargo, su instalación y producción de componentes individuales no es una tarea imposible. La tarea principal al instalar una bomba de calor sigue siendo la exactitud de los cálculos, porque si hay un error, el sistema puede tener una baja eficiencia y volverse ineficaz.

Compresor

Para la instalación necesitará uno nuevo o usado. el compresor está en condiciones de funcionar con un recurso no agotado de potencia adecuada. La potencia habitual del compresor debe ser del 20 al 30% de la calculada, se pueden utilizar unidades estándar de fábrica para refrigeradores o acondicionadores de aire en espiral, que tienen una mayor eficiencia en comparación con los dispositivos de pistón.

Evaporador y condensador

Para enfriar y calentar líquidos se suele pasar a través de tubos de cobre colocados en un recipiente con un intercambiador de calor. Para aumentar el área de enfriamiento, la tubería de cobre se dispone en forma de espiral; la longitud requerida se calcula utilizando la fórmula para calcular el área dividida por la sección transversal. El volumen del tanque de intercambio de calor se calcula en función de la implementación del intercambio de calor efectivo, el valor promedio habitual es de aproximadamente 120 litros. Para una bomba de calor, es racional utilizar tuberías para acondicionadores de aire, que inicialmente tienen forma de espiral y se venden en bobinas.

Arroz. 3 Tubería de cobre y tanque para intercambiador de calor.

Muchos fabricantes de bombas de calor han sustituido este método de diseño de intercambiadores de calor por uno más compacto, utilizando el intercambio de calor según el principio de "tubería en tubería". El diámetro estándar del tubo de plástico para el evaporador es de 32 mm, en él se coloca un tubo de cobre con un diámetro de 19 mm, el evaporador está aislado térmicamente y la longitud total del intercambiador de calor es de aproximadamente 10 a 12 m. Condensador, puedes usar 25 mm. Tubo metal-plástico y 12,7 mm. cobre.

Para aumentar el área y la eficiencia del intercambiador de calor, algunos artesanos tuercen una trenza de varios tubos de cobre de pequeño diámetro, los cubren con alambre fino y colocan la estructura en plástico. Esto le permite obtener un área de intercambio de calor de aproximadamente 1 metro cúbico en un segmento de 10 metros.

Válvula termostática

Un dispositivo correctamente seleccionado regula el grado de llenado del evaporador y es en gran medida responsable del rendimiento de todo el sistema. Por ejemplo, si el suministro de refrigerante es demasiado grande, no tendrá tiempo de evaporarse por completo y entrarán gotas de líquido en el compresor, lo que provocará una interrupción de su funcionamiento y una disminución de la temperatura del gas de salida. Demasiado poco freón en el evaporador después de aumentar la temperatura en el compresor no será suficiente para calentar el volumen de agua requerido.

Sensores

Para facilitar su uso, monitorear el funcionamiento, detectar fallas y configurar el sistema, es necesario tener sensores de temperatura incorporados. La información es importante en todas las etapas del funcionamiento del sistema, solo con su ayuda, utilizando fórmulas, se puede establecer el parámetro más importante del equipo instalado para bombas de calor de agua: el indicador de eficiencia COP.

Equipo de bomba

Cuando funcionan las bombas de calor, el agua se toma y se suministra desde un pozo, pozo o depósito abierto mediante bombas de agua. Se pueden utilizar sumergibles o de superficie, normalmente su potencia es baja, 100 - 200 W son suficientes para suministrar agua. Para controlar el funcionamiento y proteger las bombas y el sistema, se instalan adicionalmente filtros, un manómetro, contadores de agua y una automatización sencilla.

Montar equipos de bomba de calor con sus propias manos no presenta grandes dificultades si sabe manejar una herramienta especial para soldar y soldar cobre. El trabajo terminado permitirá ahorrar una cantidad importante de dinero: el coste de los componentes será de unos 600 dólares. Es decir, la compra de equipos industriales costará 10 veces más (unos 6.000 dólares). Una estructura autoensamblada, si se calcula y configura adecuadamente, tiene una eficiencia (COP) de aproximadamente 4, que corresponde a los diseños industriales.

Como usted sabe, las bombas de calor utilizan fuentes de energía renovables y gratuitas: calor de baja calidad del aire, el suelo, depósitos subterráneos, abiertos y no helados, aguas residuales y aire, así como el calor residual de empresas tecnológicas. Para recolectar esto, se gasta electricidad, pero la relación entre la cantidad de energía térmica recibida y la cantidad de energía eléctrica consumida es aproximadamente de 3 a 7 veces.

Si hablamos sólo de las fuentes de calor de baja calidad que nos rodean y que se utilizan con fines de calefacción, esto es; aire exterior con una temperatura de -3 a +15 °C, aire expulsado de la habitación (15-25 °C), subsuelo (4-10 °C) y agua subterránea (aproximadamente 10 °C), agua de lagos y ríos (5 -10 °C), superficie del suelo (por debajo del punto de congelación) (3-9°C) y profundidad del suelo (más de 6 m - 8 o C).

Extracción de calor del ambiente (distrito interior).

Se bombea un medio de trabajo líquido, refrigerante, al evaporador a baja presión. El nivel térmico de temperaturas que rodean el evaporador es más alto que el punto de ebullición correspondiente del medio de trabajo (el refrigerante se selecciona de manera que pueda hervir incluso a temperaturas bajo cero). Debido a esta diferencia de temperatura, se transfiere calor al ambiente, el ambiente de trabajo, que a estas temperaturas hierve y se evapora (se convierte en vapor). El calor necesario para ello se obtiene de cualquiera de las fuentes de calor de bajo potencial mencionadas anteriormente.

Obtenga más información sobre las fuentes de energía renovables

Si se elige como fuente de calor aire atmosférico o de ventilación, se utilizan bombas de calor que funcionan según el esquema aire-agua. La bomba puede ubicarse en interior o exterior, con condensador incorporado o remoto. El aire se impulsa a través del intercambiador de calor (evaporador) mediante un ventilador.

Como fuente de energía térmica de bajo potencial se pueden utilizar aguas subterráneas con una temperatura relativamente baja o suelo de las capas superficiales de la tierra. El contenido de calor de la masa del suelo es generalmente mayor. El régimen térmico del suelo en las capas superficiales de la tierra se forma bajo la influencia de dos factores principales: la radiación solar que incide sobre la superficie y el flujo de calor radiogénico desde el interior de la tierra. Los cambios estacionales y diarios en la intensidad de la radiación solar y la temperatura del aire exterior provocan fluctuaciones en la temperatura de las capas superiores del suelo. La profundidad de penetración de las fluctuaciones diarias de la temperatura del aire exterior y la intensidad de la radiación solar incidente, dependiendo de las condiciones climáticas y del suelo específicas, oscila entre varias decenas de centímetros y un metro y medio. La profundidad de penetración de las fluctuaciones estacionales de la temperatura del aire exterior y la intensidad de la radiación solar incidente no supera, por regla general, los 15-20 m.

Tipos de intercambiadores de calor horizontales:

1. intercambiador de calor hecho de tubos conectados en serie;
2. intercambiador de calor hecho de tubos conectados en paralelo;
3. colector horizontal tendido en una zanja;
4. intercambiador de calor en forma de bucle;
5. un intercambiador de calor en forma de espiral ubicado horizontalmente (el llamado colector “slinky”);
6. Intercambiador de calor en forma de espiral ubicado verticalmente.

El agua acumula bien el calor solar. Incluso en el frío invierno, el agua subterránea tiene una temperatura constante de +7 a +12°C. Ésta es la ventaja de esta fuente de calor. Debido al nivel de temperatura constante, esta fuente de calor tiene una alta tasa de conversión a través de la bomba de calor durante todo el año. Lamentablemente, el agua subterránea no está disponible en cantidades suficientes en todas partes. Cuando se utiliza agua subterránea como fuente, el suministro se realiza desde un pozo mediante una bomba sumergible hasta la entrada al intercambiador de calor (evaporador) de una bomba de calor que funciona según el esquema "agua-agua/sistema abierto"; desde el A la salida del intercambiador de calor, el agua se bombea a otro pozo o se vierte a un depósito. La ventaja de los sistemas abiertos es la posibilidad de obtener gran cantidad energía térmica a costos relativamente bajos. Sin embargo, los pozos requieren mantenimiento. Además, el uso de tales sistemas no es posible en todos los ámbitos. Los principales requisitos para el suelo y las aguas subterráneas son los siguientes:
- suficiente permeabilidad del suelo, que permita reponer las reservas de agua;
- buena composición química del agua subterránea (por ejemplo, bajo contenido de hierro), que evita problemas asociados con la formación de depósitos en las paredes de las tuberías y la corrosión.

Los sistemas abiertos se utilizan con mayor frecuencia para suministrar calefacción o refrigeración a edificios grandes. El sistema geotérmico de transferencia de calor más grande del mundo utiliza agua subterránea como fuente de energía térmica de baja calidad. Este sistema está ubicado en los EE. UU. en Louisville, Kentucky. El sistema se utiliza para el suministro de calor y frío de un hotel y un complejo de oficinas; su potencia es de aproximadamente 10 MW.

Tomemos otra fuente: un depósito, en su fondo se pueden colocar bucles de tubería de plástico, un esquema de “sistema cerrado/agua-agua”. Por la tubería circula una solución de etilenglicol (anticongelante), que transfiere calor al refrigerante a través del intercambiador de calor (evaporador) de la bomba de calor.
El suelo tiene la capacidad de acumular energía solar durante un largo período de tiempo, lo que garantiza una temperatura relativamente uniforme de la fuente de calor durante todo el año y, por tanto, un alto coeficiente de conversión de la bomba de calor. La temperatura en las capas superiores del suelo varía según la estación. Por debajo de la línea de congelación, estas fluctuaciones de temperatura se reducen significativamente. El calor acumulado en el suelo se extrae a través de intercambiadores de calor sellados colocados horizontalmente, también llamados colectores de suelo, o mediante intercambiadores de calor colocados verticalmente, las llamadas sondas geotérmicas. El calor ambiental se transfiere mediante una mezcla de agua y etilenglicol (salmuera o medio), cuyo punto de congelación debe ser de aproximadamente -13°C (tener en cuenta los datos del fabricante). Gracias a esto, la salmuera no se congela durante el funcionamiento.
Esto significa que existen dos opciones posibles para obtener calor de baja calidad del suelo. Tendido horizontal de tuberías de plástico en zanjas de 1,3 a 1,7 m de profundidad, dependiendo de las condiciones climáticas de la zona, o pozos verticales de 20 a 100 m de profundidad, el tendido de tuberías en zanjas también se puede realizar en forma de espirales, pero con una profundidad de colocación de 2 a 4 m, esto reducirá significativamente la longitud total de las zanjas. La máxima transferencia de calor del suelo superficial es de 7 a 25 W por m.p., de la geotérmica de 20 a 50 W por m.p. Según las empresas fabricantes, la vida útil de zanjas y pozos es de más de 100 años.

Un poco más sobre los intercambiadores de calor verticales de suelo.

Desde 1986 se investiga en Suiza, cerca de Zúrich, un sistema con intercambiadores de calor verticales en el suelo. En la masa de suelo se instaló un intercambiador de calor vertical de tipo coaxial con una profundidad de 105 m, que se utilizó como fuente de energía térmica de baja calidad para un sistema de transferencia de calor instalado en un edificio residencial de un solo apartamento. El intercambiador de calor vertical del suelo proporcionó una potencia máxima de aproximadamente 70 W por metro de longitud, creando una carga térmica significativa en la masa del suelo circundante. La producción anual de energía térmica es de unos 13 MWh.
A una distancia de 0,5 y 1 m del pozo principal, se perforaron dos pozos adicionales, en los que se instalaron sensores de temperatura a una profundidad de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 y 105 m. después de lo cual los pozos se llenaron con una mezcla de arcilla y cemento. Las temperaturas se midieron cada treinta minutos. Además de la temperatura del suelo, se registraron otros parámetros: la velocidad de movimiento del refrigerante, el consumo de energía del accionamiento del compresor, la temperatura del aire, etc.

El primer período de observación duró de 1986 a 1991. Las mediciones han demostrado que la influencia del calor del aire exterior y la radiación solar se observa en la capa superficial del suelo a una profundidad de hasta 15 m, por debajo de este nivel el régimen térmico del suelo se forma principalmente debido al calor. del interior de la tierra. Durante los primeros 2-3 años de funcionamiento, la temperatura de la masa de suelo que rodea el intercambiador de calor vertical cayó bruscamente, pero cada año la caída de temperatura disminuyó y después de unos años el sistema alcanzó un régimen casi constante, cuando la temperatura de la masa de suelo alrededor del intercambiador de calor se hizo 1 menor que la inicial -2 °C.

En el otoño de 1996, diez años después de que el sistema comenzara a funcionar, se reanudaron las mediciones. Estas mediciones mostraron que la temperatura del suelo no cambió significativamente. En los años siguientes se registraron ligeras fluctuaciones en la temperatura del suelo de 0,5 °C en función de la carga de calefacción anual. Así, el sistema alcanzó un modo casi estacionario después de los primeros años de funcionamiento.

A partir de datos experimentales se construyeron modelos matemáticos de los procesos que ocurren en la masa del suelo, lo que permitió realizar pronósticos a largo plazo de los cambios en la temperatura de la masa del suelo.

Los modelos matemáticos mostraron que la disminución anual de temperatura disminuirá gradualmente y el volumen de la masa de suelo alrededor del intercambiador de calor, sujeto a una disminución de temperatura, aumentará cada año. Al final del período de funcionamiento, comienza el proceso de regeneración: la temperatura del suelo comienza a subir. La naturaleza del proceso de regeneración es similar a la naturaleza del proceso de “selección” de calor: en los primeros años de funcionamiento hay un fuerte aumento en la temperatura del suelo, y en los años siguientes la tasa de aumento de temperatura disminuye. La duración del período de "regeneración" depende de la duración del período de funcionamiento. Estos dos períodos son aproximadamente iguales. En el caso que nos ocupa, el período de funcionamiento del intercambiador de calor terrestre fue de treinta años, y el período de “regeneración” también se estima en treinta años.

Por lo tanto, los sistemas de calefacción y refrigeración para edificios que utilizan calor de baja calidad procedente de la tierra representan una fuente fiable de energía que puede utilizarse en todas partes. Esta fuente se puede utilizar durante bastante tiempo y se puede renovar al final del período de funcionamiento.

Cálculo de un colector de bomba de calor horizontal.

La disipación de calor de cada metro de tubería depende de muchos parámetros: profundidad de tendido, presencia de agua subterránea, calidad del suelo, etc. Aproximadamente podemos suponer que para colectores horizontales es de 20 W.m.p. Más precisamente: arena seca - 10, arcilla seca - 20, arcilla húmeda - 25, arcilla con alto contenido de agua - 35 W.m.p. En los cálculos, la diferencia de temperatura del refrigerante en las líneas de ida y vuelta del circuito generalmente se considera de 3 °C. En el lugar del colector no se deben construir edificios de modo que el calor de la tierra, es decir, nuestra fuente de energía se reponía con energía procedente de la radiación solar.

La distancia mínima entre las tuberías tendidas debe ser de al menos 0,7-0,8 m. La longitud de una zanja puede variar de 30 a 150 m, es importante que las longitudes de los circuitos conectados sean aproximadamente las mismas. Como refrigerante primario se recomienda utilizar una solución de etilenglicol (medio) con un punto de congelación de aproximadamente -13 o C. En los cálculos se debe tener en cuenta que la capacidad calorífica de la solución a una temperatura de 0 ° C es 3,7 kJ/(kg K) y la densidad es 1,05 g/cm 3 . Cuando se utiliza un medio, la pérdida de presión en las tuberías es 1,5 veces mayor que cuando se hace circular agua. Para calcular los parámetros del circuito primario de una instalación de bomba de calor será necesario determinar el caudal del medio:

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 considera igual a 3 o K. Entonces Qo es la potencia térmica recibida de una fuente de bajo potencial (tierra). Este último valor se calcula como la diferencia entre la potencia total de la bomba de calor Qwp y la potencia eléctrica gastada en calentar el refrigerante P:

Qo = Qwp - P, kW.

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

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

Ejemplo de cálculo. Bomba de calor.
Condiciones iniciales: demanda de calor de una cabaña con un área de 120-240 m2 (basada en las pérdidas de calor teniendo en cuenta la infiltración) - 13 kW; La temperatura del agua en el sistema de calefacción se considera de 35 °C (calefacción por suelo radiante); La temperatura mínima del refrigerante a la salida del evaporador es 0 °C. Para calentar el edificio se seleccionó de la gama técnica existente una bomba de calor con una capacidad de 14,5 kW, teniendo en cuenta las pérdidas por viscosidad del medio, a la hora de seleccionar y transferir energía térmica desde el suelo, que ascienden a 3,22 kilovatios. Eliminación de calor de la capa superficial del suelo (arcilla seca), q es igual a 20 W/m.p. De acuerdo con las fórmulas calculamos:

1) potencia térmica requerida del colector Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2) longitud total de la tubería L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 m.p. Para organizar un colector de este tipo se necesitarán 6 circuitos de 100 m de largo;
3) con un paso de colocación de 0,75 m, el área requerida del sitio es A = 600 x 0,75 = 450 m2;
4) llenado total de solución de etilenglicol Vs = 11,28 3600/ (1,05 3,7 3) = 3,51 m3, en un circuito es 0,58 m3.

Para instalar el colector seleccionamos un tubo de plástico de tamaño 32x3. La pérdida de presión en el mismo será de 45 Pa/m.p.; la resistencia de un circuito es de aproximadamente 7 kPa; velocidad del flujo de refrigerante - 0,3 m/s.

Cálculo de la sonda

Cuando se utilizan pozos verticales con una profundidad de 20 a 100 m, se sumergen en ellos tubos de plástico en forma de U (con diámetros de 32 mm). Como regla general, se insertan dos bucles en un pocillo lleno de una solución de suspensión. En promedio, la disipación de calor específico de una sonda de este tipo puede considerarse igual a 50 W/m.p. 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 +9 °C. La distancia entre los pozos debe ser superior a 5 m, en presencia de flujos subterráneos 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 flujo de refrigerante requerido. El cálculo del flujo de líquido se puede realizar para t = 5 °C.

Ejemplo de cálculo.

Los datos iniciales son los mismos que en el cálculo anterior de un depósito horizontal. Con una eliminación de calor específica de la sonda de 50 W/m y una potencia requerida de 11,28 kW, la longitud de la sonda L debe ser de 225 m.
Para instalar un colector es necesario perforar tres pozos de 75 m de profundidad, en cada uno de ellos colocamos dos bucles de tubería de tamaño estándar 32x3; en total - 6 circuitos de 150 m cada uno.

El caudal total de refrigerante en t = 5 °C será de 2,1 m3/h; El caudal a través de un circuito es de 0,35 m3/h. Los circuitos tendrán las siguientes características hidráulicas: pérdida de presión en la tubería - 96 Pa/m (refrigerante - solución de etilenglicol al 25%); resistencia del circuito - 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), es necesario un depósito de expansión hidráulica en el circuito primario de la instalación de bomba de calor.
También se recomienda instalar un tanque de almacenamiento en la línea de calefacción (condensador) de la bomba de calor: el compresor de la bomba de calor funciona en modo "on-off". Los arranques demasiado frecuentes pueden provocar un desgaste acelerado de sus piezas. El tanque también es útil como dispositivo de almacenamiento de energía en caso de un corte de energía. Su volumen mínimo se toma a razón de 20-30 litros por 1 kW de potencia de la bomba de calor.

Cuando se utiliza una bivalencia, una segunda fuente de energía (caldera eléctrica, de gas, de combustible líquido o sólido), se conecta al circuito a través de un tanque de batería, que también es un distribuidor termohidráulico; el encendido de la caldera se controla mediante una bomba de calor o un sistema de automatización de nivel superior.
En caso de posibles cortes de energía, se puede aumentar la potencia de la bomba de calor instalada mediante un factor calculado mediante la fórmula: f = 24/(24 - t off), donde t off es la duración de la interrupción del 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 de funcionamiento monovalente o bivalente. En el primer caso se supone que la bomba de calor se utiliza como único generador de energía térmica.

Hay que tener en cuenta: incluso en nuestro país, la duración de los periodos con bajas temperaturas del aire es una pequeña parte de la temporada de calefacción. Por ejemplo, para Región central En Rusia, el tiempo en que la temperatura desciende 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 en enero es de aproximadamente -10 °C. Por lo tanto, lo más apropiado es operar la bomba de calor en modo bivalente, lo que implica encender una fuente adicional durante los períodos en que la temperatura del aire desciende por debajo de un cierto nivel: -5 °C en las regiones del sur de Rusia, -10 °C en las regiones centrales. Esto permite reducir el coste de la bomba de calor y, especialmente, el de la instalación del circuito primario (tendido de zanjas, perforación de pozos, etc.), que aumenta considerablemente al aumentar la potencia de instalación.

En las condiciones de la región central de Rusia, para una estimación aproximada al seleccionar una bomba de calor que funcione en modo bivalente, puede centrarse en la proporción 70/30: el 70% de la demanda de calor se cubre con una bomba de calor, y la el 30% restante mediante una fuente de energía eléctrica u otra fuente de energía térmica. En las regiones del sur, uno puede guiarse por la relación entre la potencia de la bomba de calor y la fuente de calor adicional, que se utiliza a menudo en Europa occidental: 50 a 50.

Para una cabaña con una superficie de 200 m2 para 4 personas con pérdidas de calor de 70 W/m2 (calculadas a -28 °C de temperatura del aire exterior), la necesidad de calor será de 14 kW. A este valor hay que sumarle 700 W para la preparación de agua caliente sanitaria. 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 en el factor apropiado. Digamos que el tiempo de apagado diario es de 4 horas, entonces la potencia de la bomba de calor debe ser de 17,6 kW (factor creciente - 1,2). En el caso del modo monovalente, se puede elegir una bomba de calor de agua subterránea con una potencia de 17,1 kW y que consume 6,0 kW de electricidad.

Para un sistema bivalente con calentador eléctrico adicional y una temperatura de suministro de agua fría de 10 ° C para 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 (total - 17.6). La potencia eléctrica máxima consumida por el sistema será de 9,7 kW.

El coste aproximado de la electricidad consumida por temporada cuando la bomba de calor funciona en modo monovalente será de 500 rublos y en modo bivalente a temperaturas inferiores a (-10 ° C) - 12 500. El coste de la energía cuando se utiliza únicamente la caldera adecuada será: electricidad - 42.000, combustible diésel - 25.000 y gasolina - unos 8.000 rublos. (en presencia de tubería suministrada y los bajos precios del gas existentes en Rusia). Actualmente, para nuestras condiciones, en términos de eficiencia operativa, una bomba de calor solo se puede comparar con una caldera de gas de nueva serie, y en términos de costos operativos, durabilidad, seguridad (no se requiere sala de calderas) y respeto al medio ambiente, supera a todos. otros tipos de producción de energía térmica.

Tenga en cuenta que al instalar bombas de calor, en primer lugar, debe cuidar el aislamiento del edificio y la instalación de ventanas de doble acristalamiento con baja conductividad térmica, lo que reducirá las pérdidas de calor del edificio y, por tanto, el coste del trabajo y del equipo.

Teniendo en cuenta que una bomba de calor es un equipo que requiere unos costes de adquisición e instalación bastante importantes, la cuestión de su selección debe tratarse con especial cuidado. Lo primero que debe hacer un comprador potencial es realizar al menos un cálculo aproximado de la potencia del equipo adecuado para un funcionamiento eficiente en condiciones específicas. Por supuesto, puede recurrir a especialistas para que elaboren el diseño de una bomba de calor, pero para estimar los costos aproximados, puede realizar algunos cálculos iniciales usted mismo.

Una bomba de calor, cuyo diseño es una tarea bastante compleja, se elige en función del área de la casa, el grado de aislamiento y los valores de temperatura promedio en la estación fría. Además de calcular la potencia requerida, el proyecto completo pasa por determinar los parámetros del depósito de tierra para la bomba geotérmica, calculando el número y diámetro de tuberías para el pozo en el caso de un sistema agua-agua. El cálculo correcto de una bomba de calor implica tener en cuenta muchos factores: desde las características del suelo del sitio hasta el material con el que está construida la casa.

Desarrollo de un sistema de calefacción basado en bomba de calor.

Si está realmente interesado en un método tan progresivo de calefacción del hogar como las bombas de calor, lo mejor es preferir los servicios de especialistas con educación especializada y amplia experiencia en el trabajo con dichos equipos. Esto se debe a que el correcto desarrollo de una bomba de calor y de todo el sistema de calefacción del hogar te permitirá olvidarte de los problemas de calor durante muchos años, disfrutando de un ambiente estable. trabajo eficiente equipo.

En primer lugar, conviene decidir qué fuente de calor se convertirá en energía para el refrigerante del sistema de calefacción. Que sea suelo, agua o aire determina tanto la producción de bombas de calor (o más bien, la tecnología de fabricación), como la productividad y el precio del propio equipo y del trabajo de instalación. Uno de los sistemas más eficaces es el agua-agua, pero requiere la presencia de un depósito cerca de la casa o una cantidad suficiente de agua subterránea en el sitio.

Vale la pena considerar que la bomba de calor se usa más para fuentes de calor de baja temperatura, idealmente combinada con un sistema de "piso cálido", pero también es posible combinarla con generadores tradicionales. Al elegir bombas de calor, su cálculo térmico se realiza de tal manera que se tenga en cuenta si son capaces de calentar la habitación de forma independiente incluso en el frío más extremo, o si es necesario proporcionar una fuente de calor adicional en el sistema. , por ejemplo, una caldera eléctrica. El cálculo termodinámico tiene en cuenta las temperaturas mínimas que se pueden alcanzar en invierno.

También es necesario tener en cuenta la necesidad de suministro de agua caliente en el hogar, si se requiere dicha funcionalidad, se incluye un 20% adicional en la potencia requerida.

Ejemplo de cálculo de bomba de calor

Entonces, tenemos un edificio de dos pisos con una superficie de 250 m2. con una altura de techo de 2,7 m, supongamos que la temperatura en la habitación es de +20°C y en el exterior de -26°C. A continuación calculamos la potencia de la bomba de calor para calentar la casa:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7 kW - potencia de calefacción máxima requerida de acuerdo con SP 50.13330-2012

Este cálculo no implica grandes pérdidas. Las pérdidas en este caso pueden ser incluso inferiores a 13475,7 kW.

Se pueden realizar cálculos térmicos más precisos individualmente. Se tendrán en cuenta todos los materiales de paredes, ventanas, techos, etc.

El cálculo del circuito de la bomba de calor, que se utilizará para calentar y enfriar la habitación, es más complejo y lo realizan especialistas.