Pompa di calore per il riscaldamento di una casa: principio di funzionamento, varietà e utilizzo

Nel peggioramento della situazione ambientale nel mondo e (più importante per il consumatore medio) il rapido aumento delle tariffe del gas e dell'elettricità, sempre più europei stanno cercando di introdurre sistemi che utilizzano fonti energetiche alternative nella loro vita quotidiana. Una delle opzioni per tali sistemi è la cosiddetta pompa di calore, attraverso la quale puoi riscaldare la tua casa in inverno e riscaldare l'acqua per scopi domestici, spendendo un minimo di elettricità su di essa.

Anche nelle case dei nostri compatrioti negli ultimi anni, puoi sempre più incontrare questo miracolo dell'ingegneria. Naturalmente, per i russi, il problema dei prezzi elevati delle fonti energetiche tradizionali non è così acuto come in Europa, ma, in primo luogo, è solo per il momento, e in secondo luogo, non voglio rimanere indietro rispetto al mondo civile ...

Quindi la pompa di calore ... Cos'è? Su cosa si basa il principio della sua azione? Dove, dove e come trasferisce il calore? Facciamolo bene.

Il principio di funzionamento della pompa di calore

Il principio di funzionamento delle pompe di calore si basa sulla capacità di una sostanza (refrigerante) di assorbire o emettere calore quando cambia lo stato di aggregazione. In sostanza, tali pompe non sono molto diverse dalle unità di refrigerazione. (Questa strana affermazione a prima vista non ti sorprenderà affatto se hai mai toccato la parete posteriore calda di un normale frigorifero domestico.)

Schematicamente, una pompa di calore può essere rappresentata come un sistema costituito da tre circuiti. Il primo è un refrigerante che trasferisce energia da una fonte di calore a basso potenziale. Nel secondo circuito, circola il refrigerante (freon), che periodicamente evapora, prendendo calore dal primo circuito, quindi si condensa di nuovo, dandolo al terzo circuito. E, infine, il dissipatore di calore "scorre" lungo il terzo circuito, nel nostro caso, l'acqua che trasferisce il calore attraverso il sistema di riscaldamento.

Il ciclo di lavoro della pompa di calore in termini generali può essere descritto come segue. Il refrigerante liquido entra nell'evaporatore, dove passa allo stato gassoso. L'energia necessaria per far fluire questo processo viene prelevata dal liquido di raffreddamento circolante nel circuito primario. Quindi, il refrigerante gassoso preriscaldato di diversi gradi viene aspirato nel compressore, il cui scopo principale è comprimere il gas (ovviamente, questo consuma elettricità).

La pressione del gas aumenta più volte, mentre si riscalda in modo significativo: se la temperatura del refrigerante all'ingresso del compressore è di 6-10 ° C, all'uscita è già di circa 60 ° C. Nella fase successiva, il gas riscaldato viene inviato al condensatore, dove fornisce il calore ricevuto al sistema di riscaldamento, mentre si condensa da solo, ad es. entra in uno stato liquido. La sovrapressione viene quindi alleviata mediante una valvola a farfalla e il ciclo ricomincia.

Come puoi vedere, il dispositivo della pompa di calore non differisce sostanzialmente dal dispositivo della macchina di refrigerazione. È solo che lo scopo principale delle unità di refrigerazione è generare freddo, quindi il calore viene assorbito dall'evaporatore e il condensatore scarica solo questo calore nello spazio circostante.Nella pompa di calore, è vero il contrario: il condensatore è uno scambiatore di calore che fornisce calore al consumatore e l'evaporatore è uno scambiatore di calore che utilizza il calore a basso potenziale delle risorse energetiche secondarie.

In altre parole, una pompa di calore è un "frigorifero al contrario". Allo stesso tempo, "viceversa" non è solo un dispositivo, ma anche un risultato. Se nel caso di un frigorifero, il calore prelevato dai prodotti immagazzinati all'interno viene sprecato, l'energia generata dalla pompa di calore porta vantaggi reali: viene spesa per il riscaldamento mirato della casa.

Varietà di pompe di calore e sistemi

L'energia termica spesa per riscaldare l'edificio e il sistema di acqua calda è il risultato della conversione di energia ambientale utilizzando una pompa di calore. La pompa concentra questa energia a basso potenziale (bassa temperatura) e la trasferisce al sistema di riscaldamento.

Resta da capire cosa si intende in questo caso con l'energia dell'ambiente. La maggior parte delle pompe di calore domestiche consente di utilizzare il calore del sole e il calore interno della terra, accumulato dagli strati superiori della crosta terrestre e dell'acqua durante tutto l'anno.

In base al tipo di progettazione del primo circuito dello scambiatore di calore, tutte le pompe di calore sono suddivise in terreno, acqua e aria.

Pompe di calore al suolo

Le pompe di calore a terra ricevono da terra il calore necessario per riscaldare il refrigerante nell'evaporatore. La temperatura di quest'ultimo a una profondità di diversi metri non è praticamente soggetta a fluttuazioni stagionali. In un sistema chiuso di tubi collocati nel terreno, circola una "salamoia". Non è un caso che abbiamo preso la parola "sottaceto" tra virgolette: il sale, come ci si potrebbe aspettare dal nome, non lo contiene. In realtà, è un antigelo a base di glicole etilenico o glicole propilenico, meno spesso etanolo acquoso. I tubi dello scambiatore di calore possono essere posati nel terreno sia in orizzontale (collettore orizzontale) che in verticale (sonda geotermica).

I tubi del collettore orizzontale sono posati nel terreno a una profondità inferiore al livello di congelamento del suolo in questa regione (di solito 1,5-2 m). Il sistema di scambio termico di questo tipo occupa un'area abbastanza ampia. Ad esempio, per fornire calore a una casa relativamente piccola con una superficie di 100 m² sarà necessario allocare 2-3 acri di terra. Va tenuto presente che nel territorio occupato dal collezionista, possono essere piantati solo quegli alberi e arbusti le cui radici non vanno troppo in profondità nel terreno ed è del tutto impossibile posizionare qui alcun edificio.

Una sonda geotermica è uno scambiatore di calore i cui tubi sono posizionati verticalmente e immersi nel terreno a una profondità di 100-200 m. Il numero di sonde installate dipende dalla capacità richiesta dell'installazione. Per riscaldare la casa, che abbiamo già considerato sopra come esempio, sarà sufficiente utilizzare due sonde con una lunghezza di circa 80 m, poste a una distanza di 5 m l'una dall'altra.

Come puoi vedere, questo sistema non richiede grandi aree, puoi perforare pozzi in qualsiasi parte del tuo sito - ovunque sia conveniente per te. Il principale svantaggio delle pompe di calore del suolo con sonde geotermiche è l'alto costo della perforazione di pozzi. Tuttavia, nonostante ciò, la maggior parte degli utenti preferisce questi sistemi, poiché le sonde geotermiche sono più efficienti dei collettori orizzontali e hanno meno restrizioni.

Perforare un pozzo per una sonda geotermica.

Pompe di calore ad acqua

La pompa di calore dell'acqua "assorbe" l'energia delle acque sotterranee, che pompa attraverso il suo evaporatore. Tale sistema è caratterizzato da una maggiore efficienza e buona stabilità: la prima caratteristica è il risultato di un elevato trasferimento di calore dell'acqua, la seconda è dovuta alla costanza della temperatura delle acque sotterranee.

Naturalmente, per utilizzare questo tipo di installazione, è necessario che queste stesse acque sotterranee siano disponibili nel tuo territorio e in quantità sufficiente. È altamente auspicabile che la falda acquifera non sia più profonda di 30-40 m. L'adempimento simultaneo di queste due condizioni è un fenomeno raro. Un'altra condizione, il cui fallimento può diventare un ostacolo all'installazione di una pompa di calore dell'acqua nella vostra casa o cottage, è il basso contenuto di sali di ferro e altre impurità nelle acque sotterranee.

L'uso di acqua di bassa qualità provocherà un rapido guasto dell'apparecchiatura, poiché lo scambiatore di calore si ostruisce semplicemente. La presenza di così tante restrizioni è il motivo per cui tali pompe di calore, nonostante la loro attrattiva, vengono installate di rado (circa il 5% di tutti i progetti realizzati).

Pompe di calore ad aria

In termini di facilità di installazione, le pompe di calore ad aria hanno un enorme vantaggio rispetto ai loro "fratelli". Per utilizzare l'aria ambiente come fonte di calore, non è necessario perforare pozzi o eseguire qualsiasi altro lavoro del suolo su larga scala. Di conseguenza, se si calcola il costo di installazione delle apparecchiature, una pompa ad aria ti costerà molto meno di una pompa per acqua o terra.

Nonostante un vantaggio così significativo, questo tipo di attrezzatura climatica non può essere definita ideale, poiché presenta anche un inconveniente significativo. Tale pompa funziona in modo efficiente solo quando la temperatura ambiente è superiore a –15 ° C ... –20 ° C. Un calo di temperatura al di sotto di questo confine, che non è raro nella maggior parte delle regioni del nostro paese in inverno, porta a una significativa riduzione del coefficiente di efficienza di una pompa di calore ad aria.

Rapporto di efficienza della pompa di calore

Un po 'più in alto, abbiamo usato il nuovo termine "coefficiente di efficienza". Sarebbe sbagliato non spiegare di cosa si tratta, soprattutto perché è una caratteristica importante delle pompe di calore che consente di confrontare tra loro diversi tipi di pompe.

Il coefficiente di efficienza (chiamato anche coefficiente di trasformazione) è il rapporto tra l'energia termica generata dalla pompa e l'energia elettrica consumata da essa. In effetti, questa è l'efficienza della pompa di calore. Nel caso di pompe di calore ad acqua, questo coefficiente è 5, indipendentemente dal periodo dell'anno. Ciò significa che quando si consumano 1 kW * h di elettricità, l'installazione genera 5 kW * h di energia termica.

Nelle pompe per il suolo, il valore del coefficiente di efficienza è leggermente inferiore - da 4 a 4,5. E, infine, le pompe di calore ad aria sono caratterizzate dal coefficiente più piccolo e la loro efficienza dipende fortemente dalla temperatura ambiente: a 0 ° C il coefficiente è ~ 3,5 e a –20 ° C non supera 1,5 (a così bassa efficienza, la pompa semplicemente non viene ripagato ed è logico pensare all'acquisto di attrezzature climatiche più economiche, come una caldaia elettrica).

Alcuni manager, pubblicizzando le pompe di calore che vendono, assicurano ai potenziali clienti che questa apparecchiatura ha un'efficienza del 400-500%. Certo, non si parla di violazione delle leggi della termodinamica. È solo che in questo caso i calcoli sono intenzionalmente sbagliati: non vengono prese in considerazione fonti di energia diverse dall'elettricità consumata: aria, acqua o suolo, riscaldati dal sole e processi geotermici. Quando si calcola l'efficienza, viene presa in considerazione solo l'elettricità e si dimenticano della fonte di calore di bassa qualità, il risultato è superiore al 100%.

L'uso di pompe di calore nel clima russo

Avendo preso conoscenza delle descrizioni di cui sopra dei vari tipi di pompe di calore, è possibile rispondere facilmente alla domanda su quale pompa sia la più adatta per il funzionamento nel clima russo.

Le pompe di calore ad aria sono adatte per l'uso solo in un numero limitato di regioni del nostro Paese, dove la temperatura dell'aria in inverno quasi non scende sotto lo zero. Certo, i residenti della Siberia, dell'Estremo Oriente, del nord della parte europea della Russia non dovrebbero nemmeno pensare alle pompe di calore ad aria.

Esistono molte limitazioni all'uso delle pompe di calore dell'acqua. Ne abbiamo già parlato, alcuni ne rimangono ancora uno. Più della metà del territorio del nostro paese è nella zona di permafrost. Se anche alcuni residenti della Siberia orientale o del nord dell'Estremo Oriente sono "fortunati" e vi sono acque sotterranee nella loro sezione che non giacciono troppo profonde, allora queste acque sotterranee sono sotto forma di ghiaccio, il che significa che non è adatto per l'uso nel sistema di riscaldamento .

Pertanto, la maggior parte dei nostri compatrioti deve fare affidamento sull'unica opzione vantaggiosa per tutti: una pompa di calore a terra. Allo stesso tempo, in un clima russo, è più adatta una pompa con un collettore orizzontale, ma con una sonda geotermica, che consente di raggiungere una profondità in cui la temperatura del suolo è più stabile.

Applicazione della pompa di calore per il raffreddamento

Un enorme vantaggio delle pompe di calore è che sono in grado non solo di riscaldare la casa, ma anche di raffreddarla se necessario. La nostra breve estate russa a volte è molto calda e quando la tua casa diventa letteralmente calda, la proposta di trasformare il riscaldamento in un condizionatore d'aria sarà molto utile.

Una soluzione tecnica a questo problema può essere integrata inizialmente nella pompa di calore, nella fase di produzione, e quasi tutti i produttori hanno una gamma di pompe che possono condizionare l'ambiente (modalità Natural Cooling). Se la tua pompa di calore non ha tali capacità, non tutto è ancora perso - una pompa normale può funzionare per il raffreddamento. L'attrezzatura aggiuntiva necessaria sotto forma di disaccoppiamento idraulico verrà montata all'esterno della pompa. Entrambe le opzioni non richiedono grandi investimenti.

È possibile trasportare il freddo generato dalla pompa di calore direttamente nella stanza in vari modi. Questa funzione può essere assegnata a pannelli freddi su pareti o soffitti, raffreddamento a pavimento, radiatori con un buon flusso d'aria o un fan coil - un dispositivo in cui uno scambiatore di calore a piastre viene fatto saltare da un ventilatore è integrato.

L'uso di una pompa di calore per l'acqua calda

Qualsiasi pompa di calore può non solo riscaldare la tua casa, ma anche fornirti acqua calda tutto l'anno. Tuttavia, va tenuto presente che questo sistema è a bassa temperatura, il che significa che la temperatura dell'acqua nella caldaia non supererà i 45-55 ° C. Ne consegue che il volume della caldaia dovrebbe essere maggiore rispetto a quando si utilizza un sistema di riscaldamento standard, altrimenti tu e la tua famiglia dovrete vivere in condizioni di austerità dell'acqua calda.

Questo fatto dovrebbe essere preso in considerazione quando si alloca spazio per un locale caldaia, vale a dire, anche nella fase di progettazione di una casa. Inoltre, quando si sceglie una caldaia, è necessario tenere presente che si tratta di apparecchiature speciali progettate per funzionare con installazioni di pompe di calore. La differenza principale tra questa caldaia e la solita è l'area aumentata dello scambiatore di calore necessaria per il trasferimento di calore più efficiente dalla pompa di calore.

Pompe di calore con resistenza integrata

Spesso i produttori integrano riscaldatori elettrici aggiuntivi nelle loro pompe di calore. Il riscaldatore incorporato consente, se necessario, di passare a una fonte di energia alternativa dal punto di vista della pompa di calore: l'elettricità. A cosa serve? In quali casi è necessario utilizzare TEN?

La selezione di una pompa di calore per il riscaldamento di una casa viene effettuata tenendo conto di vari parametri, tra cui le caratteristiche climatiche della regione. In questo caso, non è pratico installare una pompa con potenza in eccesso.Il fatto è che giorni estremamente freddi non accadono molto spesso, almeno nella parte dell'Europa centrale della Russia. La pratica dimostra che un'opzione più economica è quella di "ottenere" la potenza necessaria con l'elettricità durante questi periodi gelidi piuttosto che installare inizialmente una pompa più potente. La presenza di un elemento riscaldante elimina la necessità di rendere il sistema più potente di quanto richieda la maggior parte della stagione di riscaldamento.

Per i proprietari di pompe di calore per acqua e terra, un riscaldatore integrato è più un eccesso che una necessità. La situazione con le pompe di calore ad aria sembra completamente diversa. A una temperatura dell'aria di -20 ° C o inferiore, tale pompa, se non si spegne, sarà inefficace. E anche se non ci sono molti giorni e notti freddi durante l'anno, non voglio stare in una casa in rapido congelamento in un bel momento. La presenza di un generatore di calore duplicato in questo caso non può essere definita un lusso.

Pompa di calore ad aria.

Suggerimenti e trucchi

Una pompa di calore è un'apparecchiatura tecnicamente sofisticata e piuttosto costosa, quindi è necessario avvicinarla con grande responsabilità. Per non essere infondati, diamo alcune raccomandazioni molto specifiche.

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

2. Solo i professionisti dovrebbero affidare la progettazione, l'installazione e la manutenzione della pompa di calore e del sistema di riscaldamento. Come assicurarsi che i professionisti lavorino in questa azienda? Innanzitutto, in base alla disponibilità di tutta la documentazione necessaria, un portafoglio di oggetti venduti, certificati di fornitori di apparecchiature. È altamente auspicabile che l'intera gamma di servizi necessari sia fornita da una società, che in questo caso sarà pienamente responsabile dell'attuazione del progetto.

3. Vi consigliamo di privilegiare una pompa di calore di fabbricazione europea. Non essere confuso dal fatto che è più costoso delle apparecchiature cinesi o russe. Quando si include nella stima del costo di installazione, messa in servizio e debug dell'intero sistema di riscaldamento, la differenza nel prezzo delle pompe sarà quasi impercettibile. Ma poi, avendo un "europeo" a tua disposizione, sarai sicuro della sua affidabilità, dal momento che l'alto prezzo della pompa è solo il risultato dell'utilizzo di tecnologie moderne e materiali di alta qualità durante la sua creazione.