Cómo hacer una bomba de calor aire-agua: esquemas del dispositivo y montaje por cuenta propia

Debido al aumento regular del costo de los portadores de calor, los métodos alternativos de calefacción se vuelven populares. Por ejemplo, la práctica bomba de calor aire-agua, que utiliza la energía del aire para calentar. La instalación no requiere materiales costosos, es cómoda de usar y segura.

Debido al alto precio del montaje de fábrica de la unidad, muchos tienen interés en construir este sistema por su cuenta. Le contaremos qué necesitará un maestro de hogar para construir una bomba de calor casera. Aquí aprenderá qué medios técnicos debe adquirir.

Características del sistema térmico aire-agua

La bomba de calor, a la que está dedicado este artículo, a diferencia de otras modificaciones de este dispositivo (en particular, agua-agua y suelo-agua), posee una serie de ventajas:

• ahorra electricidad;
• para la instalación no se requieren trabajos de tierra a gran escala, perforación de pozos, obtención de permisos especiales;
• si se conecta el sistema a paneles solares, se puede asegurar su total autonomía.

Una ventaja importante del sistema térmico que extrae energía del viento y la transfiere al agua es su total seguridad ecológica.

Antes de comenzar a diseñar la bomba, es necesario determinar en qué casos el sistema se muestra más eficaz y cuándo su uso no es recomendable.

El sistema de bomba de calor que extrae energía de la masa de aire puede utilizarse para calentar todos los tipos de portadores de calor utilizados en la CEI: agua, aire, vapor

Especificidad de aplicación y funcionamiento

La bomba de calor funciona productivamente solo en el rango de temperatura de -5 a +7 grados. Con una temperatura del aire de +7, el sistema generará más calor del necesario, y con un valor inferior a -5, no será suficiente para calentar. Esto se debe a que el freón concentrado en la construcción hierve a una temperatura de -55 grados.

Teóricamente, el sistema puede generar calor incluso con una helada de 30 grados, pero no será suficiente para calentar, ya que la potencia térmica depende directamente de la diferencia entre la temperatura de ebullición del refrigerante y la temperatura del aire.

Por lo tanto, para los residentes de las regiones del norte, donde los fríos llegan antes, este sistema no es adecuado, mientras que en casas de las regiones del sur podrá funcionar eficazmente durante varios meses fríos.

Si en la habitación están instalados radiadores estándar, la bomba de calor funcionará de manera menos eficiente. Lo mejor es que el dispositivo aire-agua se combina con convectores y otros radiadores de gran superficie, así como con sistemas de «suelo radiante», «paredes radiantes» de tipo acuático.

Además, la propia habitación debe estar bien aislada por fuera, contar con ventanas multicámara integradas que proporcionen un mejor aislamiento térmico que las ventanas de madera o plástico comunes.

La bomba de calor interactúa mejor con el sistema de «suelo radiante» de agua, que no requiere calentar el refrigerante por encima de 40 – 45º C.

Una bomba de calor casera podrá calentar eficientemente casas de hasta 100 m² y garantizar una potencia de 5 kW. Hay que entender que no es posible cargar el freón con suficiente calidad en una construcción hecha en condiciones domésticas, por lo que se debe contar con una temperatura de ebullición de hasta -22 grados.

El dispositivo de fabricación casera es ideal para suministrar calor al garaje, invernadero, cuartos de servicio, una pequeña piscina privada, etc. El sistema se utiliza generalmente como calefacción adicional.

Caldera eléctrica u otro equipo tradicional para la temporada de calefacción será necesario en cualquier caso. Durante heladas fuertes (-15-30 grados) se recomienda apagar la bomba de calor para evitar el desperdicio de electricidad, ya que en este período su eficiencia no supera el 10%.

Las bombas de calor suministran suficiente energía para calentar el agua en piscinas privadas cubiertas (+)

Principio de funcionamiento del sistema

El fluido de trabajo en el diseño es el aire. A través de la unidad exterior, que se instala en el exterior, el oxígeno ingresa al evaporador a través de tuberías, donde interactúa con el refrigerante.

El freón se vuelve gaseoso por efecto de la temperatura (ya que hierve a -55 grados) y, en estado caliente, ingresa al compresor bajo presión. El dispositivo comprime el gas, aumentando así su temperatura.

El freón caliente ingresa al circuito del tanque de almacenamiento (condensador), donde transfiere calor al agua, que posteriormente se puede usar para calefacción y ACS. En el condensador, el freón pierde solo parte de su calor y aún se encuentra en estado gaseoso.

Al pasar a través del estrangulador, el refrigerante se pulveriza, como resultado su temperatura disminuye. El freón se vuelve líquido y en ese estado pasa al evaporador. El ciclo se repite.

En la figura se muestra esquemáticamente la implementación del principio de una bomba de calor elemental, dividida por el compresor y el expansor en dos circuitos – de alta y baja presión.

A quienes deseen construir ellos mismos una bomba de calor con materiales de desecho y equipos usados, por ejemplo, de un refrigerador viejo, les ayudará la información presentada en el artículo que recomendamos.

Construcción de la bomba de calor aire-agua

El sistema de bomba de calor consta de cuatro elementos principales:

• unidad exterior;
• depósito del intercambiador-evaporador;
• unidad para el compresor;
• depósito acumulador (condensador).

Consideremos las características de diseño de cada uno de los bloques.

Ensamblaje del bloque exterior

Para crear la unidad externa se necesitará:

• Carcasa. Tradicionalmente, sirve un bloque de un sistema split, una lavadora u otro equipo de gran tamaño; a veces se construye de manera independiente mediante soldadura de elementos metálicos. Es importante, después del montaje, tratar el metal con pintura anticorrosiva en polvo.
• Ventilador. El artículo se puede tomar prestado de un antiguo sistema de aire acondicionado en funcionamiento o comprarlo por separado.

El modelo de ventilador debe tener paletas de plástico anchas y, preferiblemente, con motor desmontable, para que sea posible conectarlo al sensor.

Para el montaje de la unidad exterior se necesitarán el armazón y el ventilador del sistema de aire acondicionado. Las dimensiones aproximadas de la unidad son 75×85×30 cm.

En la unidad exterior se puede instalar el evaporador y los elementos auxiliares para su funcionamiento, pero es más conveniente colocar estas piezas en un armazón separado.

La unidad exterior se instala a una distancia de 2 a 10 m de la casa. Es importante construir una base debajo de ella y colocar un toldo para proteger la estructura de las precipitaciones. También es necesario fijar una rejilla delante del ventilador para evitar que entren suciedad, residuos y hojas en las aspas del ventilador y en los tubos.

Además, es recomendable instalar calentadores que protejan los laterales y los paneles de la formación de hielo. En este caso no será necesario calentar adicionalmente el armazón. El lugar de instalación de la unidad debe estar bien ventilado y alejado de fuentes de fuego abierto.

Bloque con intercambiador de calor-evaporador

El evaporador se puede adquirir ya hecho, utilizando los servicios de proveedores en línea, o fabricarlo uno mismo. Para ello se necesitarán un tanque de 80 litros y un alambre de cobre de 10 mm de diámetro y un grosor de al menos 1 mm.

La longitud se calcula individualmente teniendo en cuenta la potencia requerida. Para un dispositivo de 5 kW se pueden tomar 10 m. En el evaporador se producirá el calentamiento y la circulación del freón, así como el contacto con el aire.

Para crear el intercambiador de calor es necesario fabricar un serpentín. Para ello, se enrolla el alambre alrededor de un tubo de pared gruesa con un diámetro que no supere la anchura del tanque. Es importante dejar los extremos que sobresalgan de la altura del armazón. Serán necesarios para conectar el serpentín con otros elementos del sistema: el compresor y el tanque de almacenamiento.

Para crear el serpentín, se enrolla un tubo de cobre con paredes de aproximadamente 1 mm alrededor de una bombona de gas, un tubo o una botella de plástico llena de agua.

En el armazón se insertan 2 racores para conectar las tuberías, y se crean dos conectores para la salida del alambre. Las uniones se sellan. La estructura terminada se fija con soportes en forma de L.

Se recomienda instalar adicionalmente un relé de descongelación en el evaporador, ya que en el tanque circulará aire con temperatura negativa. En ese caso, el condensado que se acumula en el sistema puede provocar la formación de hielo en el evaporador. Además, para evitar la formación de humedad, se puede incorporar un filtro desecador al sistema.

Reglas de instalación del compresor

Para la instalación del compresor se necesitará un armazón separado con aislamiento acústico y antivibración, ya que prácticamente todas las modificaciones del dispositivo hacen ruido durante el funcionamiento. El compresor puede ser usado, procedente de un refrigerador o un aire acondicionado, o se puede adquirir un modelo nuevo.

Para las bombas de calor son adecuados los siguientes tipos de compresores:

1. Rotativos son los compresores más económicos, pero tienen una serie de inconvenientes: hacen ruido, tienen baja eficiencia y duran de 8 a 10 años.
2. Espirales se instalan en todos los modelos modernos de aires acondicionados y refrigeradores. Son duraderos (15-20 años), silenciosos, eficientes, pero se caracterizan por su alto costo.
3. De émbolo se instalan principalmente en refrigeradores industriales. Tienen buen rendimiento, son duraderos (15-20 años), pero extremadamente ruidosos y caros.

Para la bomba de calor es necesario seleccionar un compresor de modificación monofásica. Antes de comprar, es importante saber con qué tipo de freón funciona el dispositivo. Es recomendable adquirir un modelo que funcione con R22, mejor con R422. Con este tipo de refrigerante es más fácil trabajar que con cualquier otro tipo de freón.

El compresor se conecta mediante tubos al bloque del evaporador y del condensador. Gracias al dispositivo, el freón aumenta su temperatura.

Diseño del tanque de almacenamiento (condensador)

Para fabricar el condensador se necesitará una carcasa de un calentador de 100 litros o cualquier otro tanque de acero inoxidable del mismo volumen. También se necesita un serpentín hecho de tubo de cobre. Para una bomba de 5 kW se puede usar un cable de 12 metros. Por el tubo del serpentín pasará freón caliente, lo que calienta el agua.

Paso n.º 1: Creación del serpentín

Para fabricar el serpentín se necesitará un cable de cobre con un diámetro de al menos 26 mm y un espesor de pared de 1 mm. Se debe enrollar alrededor de un tubo que tenga una sección transversal menor que la del tanque.

La altura de la espiral debe coincidir con la altura de la carcasa. Es importante dejar salidas del tubo fuera del depósito para poder conectar el serpentín con el evaporador y el compresor.

Paso n.º 2: Preparación de la carcasa

Para instalar el serpentín, es necesario cortar el tanque. En la parte superior e inferior se deben crear agujeros para las salidas del cable de cobre, así como recortar compartimentos adicionales para instalar 2 racores, uno para la salida del agua y otro para la entrada. Después de estos procedimientos, se debe sellar el tanque.

El intercambiador de calor-compresor se puede adquirir por separado como una construcción prefabricada. Con un dispositivo de ensamblaje de fábrica se puede aumentar la potencia y el rendimiento de la instalación.

El refrigerante con la marca R22, según las regulaciones de Montreal, está previsto que se retire del mercado para 2030. Para llenar el sistema, es mejor usar su sustituto – el refrigerante R422

Conexión del bloque externo con el evaporador

Para conectar la unidad exterior y el evaporador se requerirá la instalación de 2 tuberías de polietileno PEAD de 32. A través de un tubo pasará el aire, a través del otro saldrá.

Los tubos se pueden enterrar en el suelo, después de verter en la zanja cualquier material arenoso, o dejarlos en la superficie si la carcasa exterior está cerca de la casa.

Conexión del evaporador, compresor y tanque

En este sistema circula freón. Para conectar las serpentinas con el compresor y la válvula de expansión, es necesario consultar a especialistas en refrigeración. A una persona sin experiencia en trabajos de soldadura, incluso teniendo herramientas y materiales, le resultará difícil conectar correctamente todos los elementos en un solo sistema para garantizar el funcionamiento de la estructura.

Además, se necesitarán muchos materiales adicionales – tubos de diferentes diámetros, varias modificaciones de grifos de drenaje, válvulas de purga de aire, válvulas de seguridad, así como clips para tubos, abrazaderas, cortatubos para cortar secciones de tubería.

También se necesitarán otros dispositivos especializados que están disponibles en cualquier taller de reparación de refrigeradores y aires acondicionados.

La carga de calidad del freón también se realiza con equipo especial. Por lo tanto, para integrar los intercambiadores de calor, el compresor y la válvula de expansión en un sistema funcional, es más conveniente y rentable consultar a profesionales.

Implementación de sistemas de control de la instalación

Para monitorear la presión y temperatura del freón, se puede usar una placa con pantalla de cualquier aire acondicionado. Durante los trabajos de soldadura, con la ayuda de especialistas, se puede integrar correctamente la estructura en la instalación.

También es posible conectar un dispositivo especial: un sensor de rotación del ventilador. Este regula la velocidad de las aspas y también automatiza las revoluciones de la bomba de circulación del freón.

Adicionalmente se puede instalar un temporizador, arrancador eléctrico, un dispositivo que protege el compresor contra el sobrecalentamiento. Todas estas piezas se pueden adquirir en talleres de reparación o en el mercado de repuestos.

Cálculo de potencia de la bomba de calor aire-agua

Para calentar una habitación con un área de 100 m² o más, se necesitará una bomba de calor de mayor potencia. La potencia necesaria de la instalación se puede calcular aproximadamente usando la tabla:

Los datos de la tabla ayudarán a calcular el área de la serpentina para crear una instalación de tal o cual potencia

Para determinar qué potencia debe tener el compresor, qué diámetros de tubería se deben usar y otros datos importantes al diseñar una bomba de calor aire-agua, es necesario recurrir a uno de los siguientes métodos:

• Usar calculadoras en línea publicadas en los sitios web de los fabricantes de intercambiadores de calor.
• Aplicar el software CoolPack 1,46, Copeland.
• Invitar a un especialista que realice las mediciones y cálculos necesarios.

El área del serpentín-condensador (PZK) se puede calcular con la fórmula:

PZK = M/0,8DT,

donde M es la potencia de la instalación en kW; 0,8 es el coeficiente de conductividad térmica en el contacto entre agua y cobre; DT es la diferencia de temperatura entre el aire de entrada y salida en el sistema.

Los parámetros de la bomba de calor indicados anteriormente son adecuados para una estancia de hasta 100 metros cuadrados. La potencia de la instalación es de 5 kW. Si se adquieren intercambiadores de calor especiales, es perfectamente posible aumentar la potencia de la instalación hasta 10-15 kW.

En la figura se muestra un sistema en el que los intercambiadores de calor, el compresor y la válvula de expansión están integrados en un mismo depósito. En el diseño se utilizan intercambiadores de calor de fábrica (+).

Mantenimiento de la instalación casera

Para un funcionamiento de calidad, la bomba de calor necesita un mantenimiento adicional. Si se utiliza el dispositivo en invierno (teniendo en cuenta que no se ha instalado calefacción adicional en la carcasa), periódicamente será necesario descongelar el bloque, ya que en su superficie se formará una costra de hielo.

También es necesario periódicamente:

• Limpiar las aspas del ventilador de residuos – hojas, polvo, suciedad, nieve, etc.
• Lubricar el compresor según las instrucciones del mismo.
• Cambiar el aceite del compresor y del ventilador.

Además, para el funcionamiento normal del sistema, es necesario comprobar regularmente la integridad de la tubería de cobre, del cable de alimentación que suministra corriente al compresor, al ventilador y a otros dispositivos.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El siguiente vídeo explica el principio de funcionamiento y los componentes de una bomba de calor que aprovecha la energía eólica:

La bomba de calor casera del sistema aire-agua es uno de los dispositivos eficaces y económicos para la calefacción adicional de la vivienda. Cualquier persona interesada puede fabricar e instalar este sistema.

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