Bomba de calor “aire-aire”: principio de funcionamiento, dispositivo, selección y cálculos

¿Desea instalar en su casa calefacción por convectores, donde para calentar el refrigerante se utiliza una bomba de calor «aire-aire», que proporciona un ahorro significativo en los gastos de calefacción? Reconozca que obtener calefacción completa junto con agua caliente prácticamente gratis es una empresa muy tentadora.

Pero usted no sabe cómo construir un sistema similar para calentar las habitaciones de forma alternativa y obtener agua caliente para uso doméstico?

Nosotros le ayudaremos a entender este tema: en el artículo se explica el principio de funcionamiento y la estructura de la bomba. Este sistema solo tendrá que gastar energía en el funcionamiento del compresor, mientras que la mayor parte del calor se tomará simplemente del exterior, de la atmósfera, por lo que aún no se cobra dinero.

También se analizan las ventajas de su implementación en el sistema y los inconvenientes significativos. Se presta especial atención a la selección y cálculo de la bomba.

Y para los aficionados a hacer todo por sí mismos, les ofrecemos construir una bomba similar por su cuenta, utilizando materiales disponibles. Como ayuda, proporcionamos materiales fotográficos y recomendaciones en video sobre la estructura y el funcionamiento de la bomba de calor aerotérmica.

Características de la bomba de calor aire-aire

Cualquier bomba de calor pertenece al equipo del ámbito de la energía alternativa. Toma la energía térmica de las masas de aire en el exterior, del espacio circundante en el interior, para calentar con ella objetos residenciales y no residenciales.

No se utiliza ningún tipo de combustible.

Exteriormente, la bomba de calor (BC) aire-aire se parece a un acondicionador de aire inverter, sistema split compuesto por una unidad exterior y una interior.

Pero por su principio de funcionamiento se asemeja más a un refrigerador, solo que actúa "al revés". Pero a diferencia de ambos, esta bomba de calor es capaz tanto de enfriar como de calentar las masas de aire en la casa.

La bomba de calor toma energía térmica de baja temperatura de la atmósfera exterior y calienta con ella el aire de la habitación hasta temperaturas confortables.

Principio de funcionamiento y estructura interna

El funcionamiento de la BC aire-aire se basa en un simple fenómeno físico de la termodinámica: el líquido al evaporarse enfría la superficie desde la que se evapora. Por ejemplo, el vapor sobre una taza de té caliente demuestra el mismo efecto.

En este principio también funciona un frigorífico común. En su interior hay tubos por los que circula un refrigerante a alta presión. Este absorbe el calor del interior del congelador, calentándose ligeramente en el proceso.

Luego, el calor recolectado se cede al aire de la habitación a través de un intercambiador de calor (la rejilla en la parte trasera del frigorífico).

En invierno, la bomba de calor aire-aire calienta el aire de la habitación, y en verano puede enfriarlo.

Y para que después el refrigerante se enfríe a las temperaturas de trabajo, se comprime en el compresor. Además, durante el ciclo de trabajo, el freón dentro del sistema compresor-condensador-evaporador pasa constantemente del estado gaseoso al líquido y viceversa.

La bomba de calor de aire funciona de manera absolutamente análoga. Solo que toma el calor del exterior, no de un congelador cerrado. Incluso si afuera hace frío, en la atmósfera todavía hay bastante energía térmica.

Para producir calor, la bomba de calor solo necesita la energía que consume el compresor. En el diagrama se muestra detalladamente el proceso de transferencia de calor.

La bomba de calor aire-aire consta de los siguientes elementos:

• compresor;
• evaporador con ventilador de aire forzado;
• válvula de expansión;
• tubos de cobre para bombear freón entre el exterior y la casa;
• condensador con ventilador de suministro de aire caliente a la habitación.

Los primeros tres elementos constituyen la unidad exterior, y el último pertenece a la parte interior de la bomba de calor. Los tubos de cobre aislados térmicamente están diseñados para el movimiento continuo del refrigerante entre estos módulos del sistema split.

El movimiento del freón en la bomba de calor ocurre en un circuito cerrado, como resultado de lo cual se comprime y expande constantemente.

El algoritmo de funcionamiento de la bomba de calor aire-aire es el siguiente:

1. El aire exterior es aspirado por el ventilador hacia la unidad exterior y se hace pasar a través de las aletas del evaporador exterior. El freón que circula por el intercambiador de calor absorbe la energía térmica presente, pasando a un estado gaseoso.
2. Luego, el gas entra en el condensador, donde se comprime. Y luego se bombea a través de tubos de cobre hacia la unidad interior.
3. En el condensador ubicado en la casa, el gas vuelve a convertirse en líquido, transfiriendo calor al aire interior.
4. Luego, el exceso de presión se libera a través de la válvula de expansión, y el freón líquido se envía nuevamente al evaporador primario.

El valor de la temperatura del freón que ingresa a la unidad exterior siempre es inferior a la temperatura ambiente. Por lo tanto, siempre toma calor de la atmósfera.

Pero el nivel de 'enfriamiento' del refrigerante en el sistema es constante, mientras que la temperatura exterior fluctúa constantemente. Por esta razón, en heladas severas, la bomba de calor pierde su eficacia.

Ciclo de movimiento del refrigerante de la bomba de calor aire-aire: 1. se comprime mediante el compresor, 2. se condensa en el intercambiador de calor, liberando calor, 3. en forma líquida pasa al intercambiador de calor exterior, 4. allí se evapora, capturando durante la evaporación la energía térmica del ambiente exterior, 5. vuelve de nuevo al condensador.

Para aumentar la potencia de la bomba de calor, las superficies del condensador y del evaporador se hacen lo más grandes posible. Y para garantizar un funcionamiento ininterrumpido en invierno, el intercambiador de calor exterior está equipado con su propio sistema de descongelación.

Ventajas y desventajas de la bomba de calor aerotérmica

Todo sistema técnicamente complejo tiene sus ventajas y desventajas. Los folletos publicitarios son una cosa, pero en la realidad, los propietarios de bombas de calor corren el riesgo de enfrentarse a ciertos problemas.

Las instalaciones de calefacción/refrigeración tipo «aire-aire» son ventajosas por varias razones.

Entre las principales ventajas se incluyen:

• Versatilidad. Los sistemas permiten calentar y enfriar los espacios según la función de la habitación, las necesidades y la temporada climática.
• Ecología. Permiten prescindir por completo de la combustión de gas natural, carbón, leña, etc., que contaminan el medio ambiente con productos de la combustión.
• Simplicidad de instalación. Montar un sistema a partir de componentes fabricados en fábrica no será difícil. Se puede construir una bomba de calor manualmente con materiales improvisados.
• Seguridad contra incendios. El proceso de obtención de calor no implica el uso de combustible. Incluso las fallas en el funcionamiento de la instalación no pueden provocar incendios.
• Eficiencia económica. Atraen por su alto coeficiente de transferencia de calor con un gasto mínimo (por cada 1 kW de electricidad consumida, producen 4–5 kW de calor). Además, se amortizan rápidamente.
• Accesibilidad en precio. El costo de los sistemas fabricados en fábrica permite que casi todos los interesados adquieran una bomba de calor. Una instalación hecha por uno mismo será prácticamente gratuita.
• Facilidad de uso. El dispositivo técnicamente más complejo del sistema – el compresor, con cuyo mantenimiento es difícil no poder manejarlo. Con la carga típica de las bombas de calor, los compresores rara vez fallan antes del plazo prometido por el fabricante.

Para organizar la calefacción en una habitación, es suficiente instalar un sistema split, colocando en la fachada el módulo externo y en la pared interior el convector. Para calentar varias estancias, será necesario disponer de conductos de distribución del aire caliente.

Por cada kilovatio de electricidad consumido, la bomba de calor produce hasta cinco kilovatios de energía térmica.

Todo el control de la bomba de calor aire-aire se realiza mediante la automatización integrada. No será necesario prestar especial atención al funcionamiento y ajuste de este sistema. Solo será necesario limpiar los filtros de aire con regularidad y cambiarlos de vez en cuando.

Entre los aspectos negativos de las bombas de calor se pueden mencionar:

• un fondo de ruido, aunque leve, pero presente;
• la dependencia directa de la eficiencia del sistema de la temperatura exterior;
• el aumento del consumo eléctrico cuando baja la temperatura exterior;
• el polvo que flota constantemente en el aire debido al funcionamiento continuo del ventilador y la convección del aire en la habitación;
• la dependencia del suministro eléctrico (para un funcionamiento ininterrumpido se necesitará un generador).

Con temperaturas exteriores de hasta -10°C, todo funciona perfectamente; el calor tomado del exterior es suficiente para crear condiciones cómodas en la casa. Pero si la temperatura sigue bajando, la eficiencia de la bomba cae bruscamente.

Si la casa está construida en una zona de clima frío con fuertes heladas invernales, no se puede prescindir de una caldera o chimenea adicional.

En climas cálidos, la bomba de calor aerotérmica cumple sin problemas las tareas de calefacción de una vivienda particular, pero en caso de heladas severas, una fuente de calor adicional no viene mal.

Para la instalación de calefacción por aire, estos sistemas son ideales. Mínimo gasto de electricidad, esfuerzo de montaje y problemas de mantenimiento. Pero con ellos no se puede calentar agua. Para ello, será necesario instalar adicionalmente un calentador de agua (boiler) o conectarse a las redes centralizadas.

Las bombas de calor aire-aire son la forma óptima de calentar edificios construidos con madera o SIP. Estas construcciones tienen bajas pérdidas de calor, por lo que la potencia de la bomba de calor aerotérmica es más que suficiente para calentarlas.

En el período estival, la bomba de calor aire-aire se puede utilizar para calentar el agua de la piscina

Diferencias fundamentales con el aire acondicionado

Externamente, la bomba de calor aire-aire es similar a un aire acondicionado doméstico. Pero posee sus propias características constructivas y técnicas distintivas.

El primer dispositivo se utiliza como fuente principal de calefacción, funcionando durante todo el año. El segundo está más destinado a enfriar el aire en el calor del verano.

La función principal de la bomba de calor es la calefacción. Sin embargo, muchos modelos también pueden enfriar el aire interior. Pero en este modo de funcionamiento, son significativamente inferiores al aire acondicionado en eficiencia energética. Es más bien un caso extremo de uso.

En apariencia, el aire acondicionado y la bomba de calor de aire son similares, pero tienen propósitos y características operativas completamente diferentes.

Por otro lado, muchos acondicionadores de aire inverter también pueden calentar el aire en las habitaciones. Pero consumen mucha más electricidad que las bombas de calor. Cada dispositivo tiene su propio propósito.

El uso de la bomba de calor «aire-aire» es ante todo una transición hacia fuentes de energía renovables.

Estos sistemas son económicamente ventajosos, a pesar de las grandes inversiones iniciales. La reducción de los pagos por calefacción recupera todos los gastos iniciales.

Selección y cálculos de la bomba de calor

La bomba de calor aire-aire será eficaz solo si se selecciona correctamente. Es necesario calcular previamente su potencia en función de los metros cuadrados de la casa. Y luego ver los precios de los diferentes fabricantes.

En los cálculos se utiliza el coeficiente de eficiencia energética COP (relación entre la potencia de la bomba de calor y la energía consumida).

En condiciones «ideales», a menudo alcanza 4–5 puntos, y los modelos más modernos hasta 7–8. Sin embargo, cuando la temperatura exterior baja a -15–20°C, este indicador cae bruscamente hasta solo 2.

La bomba de calor ofrece su productividad óptima en calefacción a temperaturas exteriores de -10…+10 grados Celsius, ya que toma hasta ¾ de la energía térmica del exterior.

Al calcular la calefacción por aire, es necesario tener en cuenta:

• el aislamiento térmico y la insolación de los espacios;
• la superficie de las habitaciones;
• el número de residentes en la casa;
• las condiciones climáticas generales de la zona donde se ubica la casa.

Para la mayoría de las casas, se necesitan aproximadamente 0,7 kW de potencia de bomba de calor por cada diez metros cuadrados. Pero todo esto es bastante relativo. Si los techos tienen más de 2,7 m o las paredes y ventanas están mal aisladas, se necesitará más calor.

Hay muchos fabricantes de bombas de calor aire-aire tanto en Asia como en Europa.

Los sistemas de Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic y Toshiba tienen buenas críticas. Casi todos sus modelos están adaptados a las condiciones locales de funcionamiento y se han desempeñado bastante bien.

Incluso con fluctuaciones de voltaje, no se estropean y continúan funcionando correctamente una vez que se restablece la electricidad.

El precio de las bombas de calor aerotérmicas populares varía entre 900 € y 4.500 €. Aquí mucho depende no solo de la potencia del equipo, sino también de las funciones adicionales y del país de fabricación.

Algunos modelos incluyen:

• filtros de purificación y desinfección del aire;
• calentadores de reserva;
• generadores eléctricos;
• módulos GSM para control del sistema;
• ionizadores y ozonizadores.

La práctica muestra que con heladas por debajo de -15 °C, en las habitaciones calentadas solo con una bomba de calor aerotérmica se vuelve frío. Y sin un calentador adicional, el confort en las habitaciones claramente no es tal.

Sin embargo, en las regiones del sur, donde tales heladas son raras, la bomba de calor es bastante efectiva y justifica con creces el dinero gastado gracias al ahorro de energía.

Bricolaje a partir de un refrigerador viejo

Es bastante difícil ensamblar una bomba de calor aire-aire con compresores y condensadores individuales por cuenta propia sin conocimientos especializados de ingeniería. Pero para una habitación pequeña o un invernadero, se puede utilizar un refrigerador viejo.

Se puede hacer la bomba de calor aerotérmica más simple a partir de un refrigerador, introduciendo un conducto de aire desde el exterior y colocando un ventilador en la rejilla trasera del intercambiador de calor.

Para ello, es necesario hacer dos agujeros en la puerta delantera del refrigerador. A través del primero, el aire exterior entrará al congelador, y a través del segundo, inferior, saldrá de nuevo al exterior.

Durante su paso por la cámara interior, cederá parte del calor que contiene al freón.

También se puede simplemente empotrar la máquina frigorífica en la pared con la puerta abierta hacia el exterior y el intercambiador de calor trasero hacia el interior. Pero hay que tener en cuenta que la potencia de dicho calentador será pequeña y consume bastante electricidad.

El aire de la habitación se calienta desde el intercambiador de calor trasero del refrigerador. Sin embargo, esta bomba de calor solo puede funcionar con temperaturas exteriores no inferiores a más cinco grados Celsius.

Este electrodoméstico está diseñado para uso exclusivo en interiores.

En una gran casa, el sistema de calefacción por aire deberá complementarse con conductos que distribuyan el aire caliente uniformemente por todas las habitaciones.

La instalación de una bomba de calor aire-aire es extremadamente sencilla. Es necesario instalar las unidades exterior e interior, y luego conectarlas entre sí mediante un circuito con refrigerante.

La primera parte del sistema se instala en el exterior: directamente en la fachada, en el tejado o junto al edificio. La segunda, dentro de la casa, se puede colocar en el techo o en la pared.

Se recomienda montar la unidad exterior a varios metros de la entrada de la casa y lejos de las ventanas, sin olvidar el ruido producido por el ventilador.

Y la unidad interior se instala de modo que el flujo de aire caliente se distribuya uniformemente por toda la habitación.

Si se planea calentar una casa con varias habitaciones en diferentes pisos mediante una bomba de calor aire-aire, será necesario instalar un sistema de conductos de ventilación con impulsión forzada.

En ese caso, es mejor encargar el proyecto a un ingeniero competente, de lo contrario la potencia de la bomba de calor podría no ser suficiente para todas las habitaciones.

El contador eléctrico y el dispositivo de protección deben soportar las cargas pico generadas por la bomba de calor. Cuando hace un frío repentino en el exterior, el compresor empieza a consumir mucha más electricidad de lo habitual.

Lo mejor para este tipo de calentador de aire es tender una línea de suministro independiente desde el cuadro de distribución.

Se debe prestar especial atención a la instalación de los tubos para el freón. Incluso la más mínima viruta en el interior puede dañar el equipo del compresor.

Aquí no se puede prescindir de las habilidades para soldar cobre. La carga de refrigerante, en general, debería confiarse a un profesional para evitar luego problemas con fugas.

La guía paso a paso para fabricar una bomba de calor a partir de un refrigerador se describe en este artículo.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Principio de funcionamiento de un sistema split de calefacción «aire-aire»:

Bomba de calor de aire en el sistema de calefacción de una casa de dos pisos:

¿Aire acondicionado inverter o bomba de calor de aire? – ¿cuál es mejor?

Las bombas de calor que funcionan según el principio «aire-aire» son dispositivos de alta eficiencia. Son fáciles de mantener, cómodas de usar y económicas.

Actualmente hay una gran variedad de estos sistemas en venta; para cualquier casa se puede elegir una unidad de calefacción. Solo hay que calcular correctamente su potencia, para que funcione de manera eficiente durante muchos años.

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