Bomba de calor “agua-agua”: dispositivo, principio de funcionamiento, reglas para la instalación de calefacción basada en ella

Para calefacción y suministro de agua caliente en casas particulares, es conveniente utilizar una bomba de calor agua-agua que funciona con fuentes naturales: aguas subterráneas, ríos, embalses, etc. El sistema se caracteriza por su absoluta seguridad ecológica, no requiere gastos regulares en consumibles, por lo que se vuelve cada vez más demandado.

Le contaremos sobre las variantes de diseño de la bomba de calor que utiliza la eco-energía del agua para transferirla a los sistemas de calefacción domésticos. Para los artesanos caseros curiosos, hemos descrito los principios de funcionamiento de las opciones populares de diseño y la tecnología de construcción. Aquí aprenderá qué equipo se necesitará para el funcionamiento del sistema.

Principio de funcionamiento de la bomba de calor agua-agua

La bomba de calor ha incorporado el principio del ciclo de Carnot. Consiste en que una sustancia en movimiento dentro de un sistema cerrado, que cambia su estado de agregación de líquido a gaseoso bajo la influencia de factores químicos, físicos o térmicos, libera y absorbe una enorme cantidad de energía térmica.

El fluido de trabajo es el portador térmico: agua de un pozo o embalse.

Incluso en invierno, en las fuentes naturales a cierta profundidad se mantiene una temperatura positiva, por lo que se puede extraer energía térmica durante todo el año. La única desventaja de la instalación es el alto consumo de electricidad y la necesidad de adquirir equipos adicionales.

En el diagrama se muestra la trayectoria de circulación del agua y del refrigerante. El sistema permite obtener energía térmica, independientemente de la temporada

Elementos principales de la bomba de calor agua-agua:

• compresor;
• evaporador;
• condensador;
• válvula de expansión inductiva;
• sistema automático que controla los indicadores;
• múltiples tuberías principales de cobre;
• sustancia de trabajo (refrigerante).

Mediante una bomba especial, el agua fluye a través de tubos desde la fuente hasta la unidad térmica, donde luego interactúa con el gas (freón), que hierve a una temperatura de +2-3 grados. El freón absorbe parte del calor del agua y es aspirado por el compresor, donde su temperatura aumenta durante la compresión.

El equipo de la bomba de calor ocupa bastante espacio, pero ofrece la posibilidad de liberarse de la dependencia de los servicios públicos.

Luego, el refrigerante entra al condensador, donde la sustancia caliente calienta el agua hasta la temperatura deseada (de +40 a +80 grados), que se transporta a través de las tuberías del sistema de calefacción.

El agua enfriada entra al evaporador y luego se vierte en el pozo receptor. Después de pasar por el condensador, el refrigerante se vuelve líquido y se acumula en el fondo del elemento, luego regresa a su lugar original a través de la válvula de expansión. El ciclo se repite.

¿Qué tener en cuenta al instalar dicha calefacción?

Existe una gran cantidad de modificaciones de bombas de calor, diseñadas para locales de cualquier propósito y tamaño, y que funcionan en diferentes condiciones. El equipo está destinado a calentar viviendas con una superficie total de 50 a 150 metros cuadrados.

Referencia n.º 1 – dureza del agua

La calidad del agua del pozo o del cuerpo de agua juega un papel importante al elegir el equipo. No todos los modelos pueden funcionar con agua dura que contiene grandes cantidades de manganeso y hierro.

Una alta concentración de estos elementos daña el sistema: se forma corrosión más rápidamente en las tuberías, lo que reduce la eficiencia del equipo y su vida útil.

Por lo tanto, antes de comprar una bomba de calor, se toma una muestra de agua y se analiza su contenido de estos y otros microelementos: sulfuro de hidrógeno, amoníaco, cloro, etc. Generalmente, si la temperatura del estanque supera los +13 grados, lo más probable es que el agua contenga muchos iones de hierro y manganeso.

Por lo tanto, la bomba de calor agua-agua se selecciona teniendo en cuenta la dureza del agua. Existen sistemas cuyos elementos están máximamente protegidos contra la corrosión, pero son más costosos.

Referencia n.º 2 – modo de funcionamiento

La bomba de calor puede utilizarse como única fuente de calor o interactuar con otros sistemas. Por lo tanto, antes de elegir un modelo, es importante determinar en qué modo funcionará el equipo.

En total, existen dos tipos de funcionamiento del sistema:

• Monovalente. Los equipos tienen gran potencia y son adecuados para calentar la casa.
• Bivalente. Son dispositivos de menor rendimiento que complementan el equipo de calefacción principal.

Para construir un sistema autónomo con el agregado de calefacción principal agua-agua, se necesita el tipo monovalente.

Referencia n.º 3 – potencia de la bomba

La potencia es un indicador importante al elegir una bomba de calor, ya que de ella depende el rendimiento del sistema. Cuanto mayor sea la potencia, mayor será la eficiencia del equipo, pero también el consumo de electricidad es mayor.

El rendimiento de la bomba de calor agua-agua se selecciona en función de las necesidades reales

Al elegir un dispositivo con potencia insuficiente, la eficiencia del sistema disminuirá si las pérdidas de calor de la casa superan la cantidad de energía que el sistema puede proporcionar. La bomba de calor puede funcionar las 24 horas, pero no habrá efecto debido a la disminución de la temperatura del agua.

Cuando las pérdidas de calor del edificio son menores que la salida de calor del sistema, la bomba generalmente se enciende automáticamente durante unos minutos, calienta el agua a la temperatura establecida y la transporta por el sistema. Luego se apaga hasta que la temperatura desciende unos grados. Entonces el ciclo se repite.

Referencia n.º 4 – funcionalidad del modelo específico

Las bombas de calor pueden tener funciones adicionales, como:

• Sistema de control automático que permitirá ajustar el microclima de la habitación según el gusto. El control se realiza generalmente mediante un control remoto.
• Función de calentamiento de agua para el suministro de agua caliente sanitaria.
• Carcasa con aislamiento acústico.
• Posibilidad de conexión a otros sistemas de calefacción, como colectores solares, lo que hará que el equipo de calefacción sea completamente autónomo.

La vida útil de las bombas de calor agua-agua generalmente supera los 30 años.

No menos importante al elegir el equipo se considera el costo de instalación y montaje.

Cálculo de la potencia necesaria de la bomba de calor

Antes de comprar el sistema, es importante elaborar un proyecto y calcular la potencia necesaria del equipo. El rendimiento se calcula teniendo en cuenta las necesidades reales de energía térmica. Se consideran los gastos de calor, las pérdidas de calor de la casa y la presencia o ausencia del circuito de ACS.

Algoritmo de cálculo:

1. Calculamos el área total de los locales calefaccionados.
2. Determinamos la cantidad necesaria de energía para la calefacción. El indicador óptimo por 1 metro cuadrado es 0,07 kW.
3. Para calentar una casa de N metros cuadrados, se necesitarán N*0,07 kW.
4. Para ACS, al número obtenido se le añade adicionalmente un 15-20%, es decir, N*0,07*0,85 o N*0,07*0,80.

Este cálculo será óptimo para locales con techos que no superen los 2,7 m de altura. Los especialistas realizarán cálculos más precisos durante la elaboración del proyecto.

Trabajos preparatorios antes de la operación

La preparación para el montaje, conexión y puesta en marcha de la bomba de calor de la serie agua-agua incluye una serie de etapas estándar, que conoceremos a continuación.

Selección de la fuente de agua óptima

Cabe señalar que no cualquier fuente abierta o pozo de agua es adecuado para el funcionamiento ininterrumpido de una bomba de calor. La calidad del agua juega un papel importante, pero los filtros pueden ayudar a resolver el problema de la contaminación.

Está permitido usar un embalse o estanque ubicado en un radio de 100 metros de la construcción. Si no existe tal fuente, surge la necesidad de perforar pozos.

La selección de la fuente para la bomba de calor debe orientarse hacia la simplicidad y el costo de uso. En el caso de un embalse abierto cercano, es más razonable utilizarlo.

El comportamiento de una fuente abierta es más predecible que el de las aguas subterráneas, por lo que, si es posible, es mejor dar preferencia a los embalses.

Instalación del sistema térmico con uso de pozo

Para instalar el sistema utilizando una bomba de calor, se necesitarán dos pozos. Uno de los pozos se suele llamar pozo de producción. En él se sumerge una bomba especial, mediante la cual se extrae agua para su posterior tratamiento en el sistema. El segundo pozo es el pozo receptor. En él se vierte el agua enfriada.

Los pozos de descarga y de alimentación deben estar separados entre sí por una distancia de al menos 15 metros.

La profundidad del pozo de producción no debe exceder los 50 metros. Cuanto más profunda se encuentre la fuente de agua, más potente será la bomba necesaria para su suministro, lo que aumentará la cantidad de energía consumida.

Disposición del pozo de producción

Antes de comenzar la operación del pozo de producción, es importante saber cuánta agua puede proporcionar y qué cantidad de líquido se necesita para calentar todo el espacio. Cuanto mayor sea la temperatura del agua, menos se necesitará para la calefacción.

Es importante calcular previamente el volumen V que se debe extraer del pozo en una hora para calentar el local. Supongamos que hay una bomba cuya capacidad térmica es igual a un número Q kW, y la potencia consumida es un número P kW. También será necesario conocer la temperatura del agua subterránea (t1) y su temperatura después del intercambio de calor (t2).

Entonces, la fórmula para calcular el volumen de agua necesario por hora es la siguiente:

V = (Q-P)/(t1-t2).

Determinar la capacidad del pozo de producción para suministrar el volumen de agua requerido de forma analítica es imposible, por lo que se realiza su prueba. Durante 3 días, la bomba bombea agua del pozo sin interrupción. De esta manera, también se verifica la capacidad del pozo receptor para aceptar la cantidad de agua necesaria bajo alta carga.

Es importante entender que las aguas subterráneas se comportan de manera impredecible, por lo que el agua del pozo de producción puede disminuir con el tiempo. Por ejemplo, en primavera se observan aumentos, y en invierno, por el contrario, el agua disminuye. Si no hay suficiente agua en el pozo, el sistema se apaga automáticamente y no se produce calefacción.

Características del pozo receptor

El pozo tubular receptor se coloca aguas abajo de las aguas subterráneas. Determinar en qué dirección se mueve el agua es analíticamente imposible. Por lo tanto, en la práctica se selecciona un pozo arbitrario como pozo de prueba y se introduce en él una bomba sumergible.

Si durante el funcionamiento del sistema el nivel del agua no baja, entonces la elección es correcta. Si el nivel ha bajado y la temperatura del agua ha disminuido, entonces es necesario intercambiar los pozos – trasladar la bomba sumergible a otro orificio.

El tubo de descarga en el pozo receptor debe sumergirse unos centímetros en el agua, sin llegar al fondo. Si se vierte el líquido residual desde arriba, esto provocará anegamiento. El pozo tubular puede dejar de recibir agua y obstruirse.

El resultado amenaza con desbordamiento y, en invierno, posible congelación. La mejor opción para la fuente receptora es un río o un estanque. Si no hay tales cuerpos de agua cerca, entonces surge la necesidad de perforar uno o más pozos receptores adicionales para protegerse en caso de desbordamiento.

En la figura se muestra un ejemplo del uso de un solo pozo como receptor y de producción.

No es posible determinar si el pozo aceptará agua ni mediante métodos analíticos ni de prueba. La práctica muestra que un pozo de descarga puede absorber agua de forma ininterrumpida durante muchos años, o puede incluso fallar en una sola temporada.

Existen tecnologías que permiten usar un solo pozo como de producción y receptor, pero este método no es eficaz: la operación estará acompañada de dificultades, posible disminución de la temperatura del agua, anegamiento y una serie de otros problemas.

Disposición del sistema con uso de embalse

El estanque seleccionado debe ser lo suficientemente profundo para que las capas inferiores de agua no se congelen durante las heladas severas. En las regiones del sur, la profundidad óptima será de aproximadamente 1 metro; en las regiones del norte, se requerirá una fuente con una profundidad de al menos 3 metros. Además, el estanque debe ser estable: no se permiten fluctuaciones en el nivel del agua ni su disminución.

Al cuerpo de agua se dirigen dos tuberías: una de producción y una receptora. En la receptora se instala una bomba sumergible.

Se recomienda utilizar tuberías de HDPE, que se caracterizan por su durabilidad y fiabilidad. Es importante proteger las tuberías contra la congelación, aislándolas adicionalmente, y contra roturas.

Preparación de la casa para la instalación de la bomba de calor

Para la interacción con la bomba de calor agua-agua, la casa debe estar equipada con un sistema de calefacción a base de agua, representado por tuberías y radiadores. Para un mejor aislamiento, también es posible instalar tuberías de calefacción en el suelo y las paredes.

Si el equipo se utiliza para suministrar agua caliente, la casa debe contar con un sistema de recolección de la misma. Para el funcionamiento de la bomba, se necesitará una conexión a la red eléctrica con suministro ilimitado.

Sin medidas adicionales de aislamiento térmico de la casa (aislamiento exterior, instalación de ventanas de doble acristalamiento, etc.) la operación de una bomba de calor no tiene sentido.

Los especialistas recomiendan instalar adicionalmente un sistema de ventilación de tipo de suministro con un mecanismo de calefacción del aire. El freón utilizado en el equipo es dañino para los humanos. Si ocurren microfisuras en el circuito del sistema, el gas se liberará y desplazará el aire de la habitación. El refrigerante puede causar exacerbación de enfermedades pulmonares y ataques de asfixia en las personas.

La bomba de calor es un equipo pesado; su peso puede alcanzar una tonelada (dependiendo de la potencia y el tamaño), por lo que para su instalación, en algunos casos, es necesario construir una base independiente, no conectada a los cimientos de la casa.

Antes de instalar el equipo, se deben tener en cuenta las dimensiones permitidas del espacio y mantener la distancia a las paredes indicada en el manual del producto.

Equipo adicional

La selección de equipos adicionales para la bomba de calor es una tarea responsable, cuya solución determina en gran medida la durabilidad del servicio del sistema de calefacción en su conjunto y la ausencia de problemas en la operación.

Sumergible bomba para pozos y cuerpos de agua

Si en el sistema la bomba de calor se utiliza para suministrar agua caliente, entonces el dispositivo con poca potencia puede reducir la presión en los grifos. Una bomba potente resolverá este problema, pero consume más energía. La potencia mínima permitida durante la operación de ACS – 1 kW.

Existen muchas modificaciones diferentes de bombas sumergidas. La selección se realiza teniendo en cuenta tres criterios, que son:

• Cantidad de líquido utilizado para bombear (cuanta más agua haya que transportar, mayor debe ser la potencia de la bomba).
• Profundidad del pozo (cuanto más profundo sea el pozo, mayor debe ser la potencia del equipo);
• Diámetro del pozo (tradicionalmente se prefieren los pozos de 4 pulgadas, ya que para ellos se ha creado la mayor cantidad de bombas, a diferencia de los de 3 pulgadas).

Para determinar la profundidad del pozo, es necesario atar un peso a una cuerda y bajarlo al pozo. La parte mojada de la cuerda indicará la profundidad total del pozo, la parte seca determinará la distancia desde el nivel del agua hasta la superficie.

La bomba se sumerge en el pozo a la profundidad indicada por el fabricante del dispositivo. Por lo general, en el manual técnico se especifica cuántos metros deben haber entre el espejo de agua y la bomba, y entre el fondo del pozo y la bomba.

Para pozos pueden ser adecuadas tanto bombas universales como equipos especialmente diseñados para pozos. Si el desarrollo del pozo fue realizado por profesionales, este se obstruye menos con arena, por lo que se puede usar con confianza una bomba universal.

Las bombas diseñadas específicamente para pozos son más caras, pero manejan muy bien la arena y la suciedad, se obstruyen menos. Las universales son sensibles a un alto contenido de materia orgánica, es necesario limpiarlas regularmente de la suciedad, lo que reduce su vida útil.

Se debe dar preferencia a las bombas con sistema automático, ya que ante el sobrecalentamiento del motor, obstrucción excesiva o falta de agua en el pozo, se apagan solas, con lo que el motor no se sobrecalienta ni se daña.

Según el principio de funcionamiento, se distinguen 2 tipos de bombas sumergidas:

• Centrífugas.
• Vibratorias.

Para trabajar en pozos que extraen agua de caliza, son preferibles los modelos centrífugos de profundidad. Son sensibles al agua con granos de arena y suspensiones de arcilla.

Si la bomba de calor se conecta a un cuerpo de agua abierto, es mejor usar un equipo de bomba de superficie diseñado para bombear agua sucia, o un dispositivo vibratorio económico.

Intercambiador de calor intermedio de la bomba de calor

En las bombas de calor, durante la circulación, el freón puede no enfriarse lo suficiente, lo que provoca un sobrecalentamiento del compresor debido a una temperatura de descarga excesiva. Por lo tanto, es importante mejorar el enfriamiento del refrigerante, reduciendo así la presión en los circuitos.

Existe otro problema característico de todas las bombas de calor: el refrigerante puede mezclarse con vapor de agua. Si el líquido entra en el compresor, puede ocurrir un golpe de ariete. En este caso, será necesaria la reparación o el reemplazo de la pieza. Además, el agua puede entrar en el aceite, y es difícil extraerla de allí.

Todos los problemas descritos anteriormente se resuelven con la instalación de un intercambiador de calor intermedio. Los intercambiadores de calor son de tres tipos: de tipo abierto, de carcasa y tubos, y de serpentín.

La modificación de tipo abierto neutraliza el líquido que ingresa al freón durante la circulación, lo que minimiza la probabilidad de golpe de ariete del compresor. El dispositivo se caracteriza por un alto rendimiento con un consumo mínimo de energía.

Al instalar un intercambiador de calor de tipo abierto, es importante elegir correctamente el tamaño de la tubería de líquido para asegurar una compresión mínima de la presión.

Unas tuberías correctamente seleccionadas permitirán neutralizar la posibilidad de ebullición del líquido. Además, la válvula debe tener una capacidad de caudal suficiente para que el líquido pueda ingresar al dispositivo con una baja diferencia de presión.

El intercambiador de calor de carcasa y tubos se presenta como una construcción cerrada. El intercambio de calor ocurre a través de las paredes de los tubos, y el líquido y el refrigerante no se mezclan en él, a diferencia del abierto, lo que garantiza una alta presión para la circulación de vapor y aire.

El intercambiador de calor de serpentín se caracteriza por tener un regulador de caudal que controla el flujo de freón líquido. El tamaño del dispositivo depende directamente de la potencia de la bomba de calor. Se debe elegir el producto teniendo en cuenta la funcionalidad y el presupuesto disponible. Es recomendable optar por modelos desmontables.

Filtros para la bomba de calor

El agua de pozos o embalses no llega en estado puro. Puede contener arena, suciedad, diversos microelementos: hierro, sulfuro de hidrógeno, manganeso, cloro, amoníaco, etc. Antes de ingresar a la bomba de calor, el agua debe ser filtrada.

En primer lugar, es necesario eliminar las partículas grandes: piedras, arena, suciedad, limo. Para eliminarlos del agua, es necesaria la instalación de un hidrociclón.

Hidrociclón – dispositivo necesario para la limpieza gruesa del agua. Se debe elegir teniendo en cuenta la potencia de la bomba.

A continuación, es importante instalar filtros que eliminen hierro, sulfuro de hidrógeno, manganeso, amoníaco. Estos microelementos reducen la vida útil del equipo y lo someten a corrosión.

Se pueden usar filtros de ósmosis inversa, suavizadores, desferrizadores y sus modificaciones. Para proporcionar agua caliente potable, además se deben equipar filtros de carbón y un esterilizador UV, que destruye bacterias y virus.

Generador eléctrico para alimentación de respaldo

Las bombas de calor funcionan con la red eléctrica, por lo tanto, si se produce un corte de suministro eléctrico, la casa se quedará sin calefacción. Es recomendable adquirir adicionalmente un electrogenerador que funcione con combustibles.

Es importante que el electrogenerador pueda producir la potencia necesaria para el funcionamiento del compresor de la bomba.

Características de operación de dicha bomba de calor

Una vez al año es necesario realizar una inspección visual independiente de los componentes de la bomba, seguir las recomendaciones de mantenimiento: lubricar oportunamente las piezas, supervisar el correcto funcionamiento del equipo al bombear agua.

Algunos tipos de equipo necesitan una revisión regular (generalmente 1-2 veces al año) por parte de especialistas del centro de servicio. Durante la revisión se detectan:

• pérdidas de aceite de máquina a través de grietas en el circuito;
• calidad de las fijaciones y conexiones;
• nivel de presión en los tanques y circuitos;
• fallos en el funcionamiento del cableado de alimentación.

La instalación de una bomba de calor agua-agua debe ser encomendada a técnicos capacitados. La ineficiencia del sistema suele deberse a una instalación incorrecta. El equipo térmico es apto para su uso tanto por residentes de regiones del sur como del norte.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El video lo introducirá al principio de funcionamiento y las características del dispositivo:

Como conclusión, se puede afirmar que la bomba de calor agua-agua se considera un equipo eficaz y ecológicamente seguro, diseñado para calentar casas de hasta 150 metros cuadrados. Para acondicionar un espacio de mayor superficie, ya podrían ser necesarios estudios de ingeniería bastante complejos.

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