Cómo hacer una bomba de calor para calefacción doméstica por cuenta propia: principio de funcionamiento y esquemas de montaje

Las primeras versiones de las bombas de calor solo podían satisfacer parcialmente las necesidades de energía térmica. Las variedades modernas son más eficientes y pueden aplicarse en sistemas de calefacción. Por eso muchos propietarios intentan instalar una bomba de calor por sí mismos.

Le contaremos cómo elegir la opción óptima de bomba de calor teniendo en cuenta los datos geográficos del terreno donde se planea instalarla. En el artículo propuesto se describe detalladamente el principio de funcionamiento de los sistemas de uso de “energía verde”, y se enumeran las diferencias. Siguiendo nuestros consejos, usted, sin duda, optará por un tipo eficiente.

Para los aficionados al bricolaje, presentamos la tecnología de montaje de la bomba de calor. La información presentada se complementa con esquemas ilustrativos, selecciones de fotos y una detallada videoguía en dos partes.

¿Qué es una bomba de calor y cómo funciona?

Por el término bomba de calor se entiende un conjunto de equipos específicos. La función principal de este equipo es recolectar energía térmica y transportarla al consumidor. Cualquier cuerpo o medio con una temperatura de +1º o más grados puede ser fuente de dicha energía.

En el entorno que nos rodea hay más que suficientes fuentes de calor de baja temperatura. Estos son residuos industriales de fábricas, centrales térmicas y nucleares, aguas residuales, etc. Para el funcionamiento de las bombas de calor en el ámbito de la calefacción doméstica se necesitan tres fuentes naturales que se regeneran por sí mismas: aire, agua y tierra.

Las bombas de calor “extraen” energía de procesos que ocurren regularmente en el medio ambiente. El flujo de los procesos nunca se detiene, por lo que las fuentes se consideran inagotables según criterios humanos.

Los tres proveedores potenciales de energía mencionados están directamente relacionados con la energía solar, que mediante el calentamiento pone en movimiento el aire con el viento y transmite energía térmica a la tierra. Precisamente la elección de la fuente es el criterio principal según el cual se clasifican los sistemas de bombas de calor.

El principio de funcionamiento de las bombas de calor se basa en la capacidad de los cuerpos o medios para transferir energía térmica a otro cuerpo o medio. Los receptores y proveedores de energía en los sistemas de bombas de calor suelen funcionar en pareja.

Así se distinguen los siguientes tipos de bombas de calor:

• Aire – agua.
• Tierra – agua.
• Agua – aire.
• Agua – agua.
• Tierra – aire.
• Agua – agua
• Aire – aire.

En este caso, la primera palabra determina el tipo de medio del cual el sistema extrae el calor de baja temperatura. La segunda indica el tipo de portador al cual se transfiere esta energía térmica. Así, en las bombas de calor agua – agua, el calor se extrae del medio acuático y se utiliza líquido como portador de calor.

Las bombas de calor, según su tipo constructivo, son instalaciones de compresión de vapor. Extraen calor de fuentes naturales, lo procesan y lo transportan a los consumidores (+)

Las bombas de calor modernas utilizan tres principales fuentes de energía térmica. Estas son – suelo, agua y aire ambiente. La más simple de estas opciones es – la bomba de calor aerotérmica. La popularidad de estos sistemas se debe a su construcción bastante sencilla y facilidad de instalación.

Sin embargo, a pesar de tal popularidad, estas variedades tienen un rendimiento bastante bajo. Además, el coeficiente de eficiencia es inestable y depende de las fluctuaciones estacionales del régimen de temperatura.

Con la disminución de la temperatura, su rendimiento cae significativamente. Estas variantes de bombas de calor pueden considerarse como un complemento a la fuente principal de energía térmica existente.

Las variantes de equipos que utilizan el calor del suelo se consideran más eficaces. El suelo recibe y acumula energía térmica no solo del Sol, sino que también se calienta constantemente por la energía del núcleo terrestre.

Es decir, el suelo es una especie de acumulador térmico, cuya capacidad es prácticamente ilimitada. Además, la temperatura del suelo, especialmente a cierta profundidad, es constante y varía dentro de límites insignificantes.

Ámbito de aplicación de la energía generada por las bombas de calor:

La constancia de la temperatura de la fuente es un factor importante para el funcionamiento estable y eficiente de este tipo de equipos energéticos. Características similares tienen los sistemas en los que el medio acuático es la principal fuente de energía térmica. El colector de estas bombas se coloca ya sea en un pozo, donde queda en la capa freática, o en un cuerpo de agua.

La temperatura media anual de fuentes como el suelo y el agua varía entre +7º y +12º C. Esta temperatura es suficiente para garantizar el funcionamiento eficiente del sistema.

Se consideran más eficientes las bombas de calor que extraen energía térmica de fuentes con indicadores de temperatura estables, es decir, de agua y suelo.

Elementos principales de la construcción de las bombas de calor

Para que la instalación de obtención de energía funcione según los principios de funcionamiento de la bomba de calor, su construcción debe incluir 4 unidades principales, que son:

• Compresor.
• Evaporador.
• Condensador.
• Válvula de expansión.

Un elemento importante de la construcción de la bomba de calor es el compresor. Su función principal – es aumentar la presión y la temperatura de los vapores que se forman como resultado de la ebullición del refrigerante. Para la técnica climática y las bombas de calor en particular se utilizan modernos compresores de espiral.

Como fluido de trabajo que realiza la transferencia directa de energía térmica, se utilizan líquidos con bajo punto de ebullición. Por lo general, se usa amoníaco y freones (+).

Dichos compresores están diseñados para funcionar a temperaturas bajo cero. A diferencia de otros tipos, los compresores de espiral producen poco ruido y funcionan tanto a bajas temperaturas de ebullición del gas como a altas temperaturas de condensación. Se consideran una ventaja indudable su tamaño compacto y su bajo peso específico.

Prácticamente toda la energía de la bomba de calor se utiliza para transportar energía térmica desde el exterior hacia el interior del recinto. Así, el funcionamiento de los sistemas consume alrededor de 1 unidad energética mientras se producen 4 – 6 unidades (+).

El evaporador, como elemento estructural, es un recipiente en el que el refrigerante líquido se transforma en vapor. El refrigerante, al circular por un circuito cerrado, pasa a través del evaporador. Allí, el refrigerante se calienta y se convierte en vapor. El vapor formado a baja presión se dirige hacia el compresor.

En el compresor, los vapores del refrigerante son sometidos a presión y su temperatura aumenta. El compresor bombea el vapor calentado a alta presión hacia el condensador.

El compresor comprime el medio que circula por el circuito, lo que aumenta su temperatura y presión. Luego, el medio comprimido ingresa al intercambiador de calor (condensador), donde se enfría, transfiriendo calor al agua o al aire.

El siguiente elemento estructural del sistema – el condensador. Su función se reduce a ceder energía térmica al circuito interior del sistema de calefacción.

Los modelos en serie fabricados por empresas industriales están equipados con intercambiadores de calor de placas. El material principal para dichos condensadores es acero aleado o cobre.

Para la fabricación casera del intercambiador de calor, es adecuado un tubo de cobre de media pulgada de diámetro. El espesor de las paredes de los tubos utilizados para fabricar el intercambiador de calor debe ser de al menos 1 mm.

La válvula termorreguladora, o válvula de expansión, se instala al inicio de la parte del circuito hidráulico donde el medio circulante de alta presión se transforma en un medio de baja presión. Más precisamente, el estrangulador, junto con el compresor, dividen el circuito de la bomba de calor en dos partes: una con parámetros de alta presión y la otra – con baja presión.

Al pasar a través de la válvula de expansión, el líquido que circula por el circuito cerrado se evapora parcialmente, por lo que la presión junto con la temperatura disminuyen. Luego ingresa al intercambiador de calor que se comunica con el entorno. Allí capta la energía del medio y la transporta de vuelta al sistema.

Mediante la válvula de expansión se regula el flujo de refrigerante hacia el evaporador. Al seleccionar la válvula, se deben considerar los parámetros del sistema. La válvula debe cumplir con dichos parámetros.

Al pasar a través de la válvula de regulación térmica, el refrigerante líquido se evapora parcialmente y la temperatura del flujo disminuye (+)

Elección del tipo de bomba de calor

El indicador principal de este sistema de calefacción es la potencia. De la potencia dependerán principalmente los costes económicos de la compra del equipo y la elección de una u otra fuente de calor de baja temperatura. Cuanto mayor sea la potencia del sistema de bomba de calor, mayor será el coste de los componentes.

En primer lugar, se refiere a la potencia del compresor, la profundidad de los pozos para las sondas geotérmicas, o el área para la colocación del colector horizontal. Los cálculos termodinámicos correctos son una especie de garantía de que el sistema funcionará de manera eficiente.

Si hay un cuerpo de agua cerca de la propiedad personal, la opción más rentable y eficiente será una bomba de calor agua-agua

Para empezar, se debe estudiar el terreno que se planea para la instalación de la bomba. La condición ideal será la presencia de un cuerpo de agua en este terreno. El uso de la variante de tipo agua-agua reducirá significativamente el volumen de movimiento de tierras.

Por el contrario, el uso del calor de la tierra implica una gran cantidad de trabajos relacionados con la excavación de suelo. Los sistemas que utilizan el medio acuático como calor de bajo potencial se consideran los más eficientes.

El diseño de una bomba de calor que extrae energía térmica del suelo implica realizar una considerable cantidad de movimientos de tierra. El colector se instala por debajo del nivel de congelación estacional.

Se puede utilizar la energía térmica del suelo de dos maneras. La primera implica perforar pozos con un diámetro de 100-168 mm. La profundidad de estos pozos, dependiendo de los parámetros del sistema, puede alcanzar los 100 m o más.

En estos pozos se colocan sondas especiales. En el segundo método se utiliza un colector de tuberías. Dicho colector se coloca bajo tierra en un plano horizontal. Para esta opción se requiere un área bastante grande.

Para la instalación del colector, se consideran ideales las áreas con suelo húmedo. Naturalmente, la perforación de pozos resulta más cara que la colocación horizontal del colector. Sin embargo, no en todos los terrenos hay espacio libre. Por cada kW de potencia de la bomba de calor se necesitan entre 30 y 50 m² de superficie.

La construcción para la captación de energía térmica mediante un pozo profundo puede resultar un poco más barata que la excavación de un pozo. Pero la gran ventaja radica en un ahorro significativo de espacio, lo cual es importante para los propietarios de terrenos pequeños.

En caso de que en el terreno exista un nivel freático elevado, los intercambiadores de calor se pueden instalar en dos pozos separados entre sí por unos 15 m.

La extracción de energía térmica en estos sistemas se realiza mediante el bombeo de agua subterránea en un circuito cerrado, cuyas partes están ubicadas en los pozos. Este sistema requiere la instalación de un filtro y la limpieza periódica del intercambiador de calor.

El esquema más simple y económico de la bomba de calor se basa en la extracción de energía térmica del aire. En su momento, se convirtió en la base para el diseño de refrigeradores; más tarde, siguiendo sus principios, se desarrollaron los acondicionadores de aire.

El sistema de bomba de calor más simple obtiene energía de la masa de aire. En verano participa en la calefacción, en invierno en el aire acondicionado. La desventaja del sistema es que, cuando se construye de forma independiente, el equipo tiene una potencia insuficiente.

La eficiencia de los diferentes tipos de este equipo no es la misma. Las bombas que utilizan el aire como fuente presentan los rendimientos más bajos. Además, estos rendimientos dependen directamente de las condiciones climáticas.

Las variedades de bombas de calor de fuente terrestre tienen rendimientos estables. El coeficiente de eficiencia de estos sistemas varía entre 2,8 y 3,3. Los sistemas agua-agua presentan la mayor eficiencia. Esto se debe, en primer lugar, a la estabilidad de la temperatura de la fuente.

Cabe señalar que cuanto más profundo esté ubicado el colector de la bomba en el cuerpo de agua, más estable será la temperatura. Para obtener una potencia del sistema de 10 kW, se necesitan unos 300 metros de tubería.

El parámetro principal que caracteriza la eficiencia de funcionamiento de la bomba de calor es su coeficiente de transformación. Cuanto mayor sea el coeficiente de transformación, más eficiente se considera la bomba de calor.

El coeficiente de transformación de la bomba de calor se expresa mediante la relación entre el flujo térmico y la potencia eléctrica consumida por el compresor.

Montaje de la bomba de calor por sus propios medios

Conociendo el esquema de funcionamiento y el diseño de una bomba de calor, es posible ensamblar e instalar de forma independiente un sistema de calefacción alternativa. Antes de comenzar los trabajos, es necesario calcular todos los parámetros principales del sistema futuro. Para calcular los parámetros de la futura bomba, se puede utilizar un software diseñado para la optimización de sistemas de refrigeración.

La opción más simple de construir es el sistema aire-agua. No requiere trabajos complejos para la instalación de un circuito externo, que es inherente a las variedades acuáticas y subterráneas de bombas de calor. Para el montaje solo se necesitarán dos conductos, por uno de los cuales se suministrará el aire y por el segundo se evacuará la masa de escape.

Lo más sencillo es construir con sus propias manos una bomba de calor que capte el calor del aire. Un ventilador instalado en el exterior impulsa el aire hacia el evaporador.

Además del ventilador, es necesario disponer de un compresor de la potencia adecuada. Para tal unidad es adecuado un compresor con el que se equipan los sistemas split comunes. No es necesario comprar una unidad nueva.

Se puede retirar de equipos viejos o utilizar componentes de un refrigerador viejo. Es recomendable usar la variedad espiral. Estas variantes de compresores, además de poseer suficiente eficiencia, generan una alta presión que asegura el aumento de temperatura.

Para construir el condensador, se necesitará un recipiente y un tubo de cobre. Con el tubo se hace un serpentín. Para su fabricación, se utiliza cualquier cuerpo cilíndrico del diámetro requerido. Enrollando el tubo de cobre alrededor de él, se puede fabricar este elemento estructural de forma fácil y rápida.

El serpentín terminado se monta en un recipiente previamente cortado por la mitad. Para la fabricación del recipiente, es mejor usar materiales resistentes a los procesos de corrosión. Después de colocar el serpentín en su interior, las mitades del tanque se sueldan.

El área del serpentín se calcula mediante la siguiente fórmula:

MT/0,8 RT,

donde:

• MT – potencia de energía térmica que entrega el sistema.
• 0,8 – coeficiente de conductividad térmica en la interacción del agua con el material del serpentín.
• RT – diferencia de temperatura del agua entre la entrada y la salida.

Al seleccionar un tubo de cobre para la fabricación casera del serpentín, es necesario prestar atención al grosor de las paredes. Debe ser de al menos 1 mm. De lo contrario, al enrollar, el tubo se deformará. El tubo por el que se realiza la entrada del refrigerante se coloca en la parte superior del recipiente.

El intercambiador de calor de tubo de cobre se fabrica enrollando el tubo de cobre alrededor de un objeto de forma cilíndrica. Cuanto mayor es la superficie de la serpentina, mayor es el rendimiento de la bomba.

El evaporador de la bomba de calor se puede realizar en dos versiones – como un recipiente con una serpentina en su interior y como un tubo dentro de otro tubo. Dado que la temperatura del líquido en el evaporador es baja, el recipiente se puede fabricar con un barril de plástico. En este recipiente se coloca el circuito, que está hecho de tubo de cobre.

A diferencia del condensador, la espiral de la serpentina del evaporador debe coincidir con el diámetro y la altura del recipiente seleccionado. La segunda opción del evaporador: tubo dentro de tubo. En esta opción, el tubo con refrigerante se coloca dentro de un tubo de plástico de mayor diámetro, por el cual circula agua.

La longitud de dicho tubo depende de la potencia prevista de la bomba. Puede ser de 25 a 40 metros. Este tubo se enrolla en espiral.

La válvula termostática pertenece a la tubería de cierre y regulación. Como elemento de cierre en la VTR se utiliza una aguja. La posición del elemento de cierre de la válvula está determinada por la temperatura en el evaporador.

Este importante elemento del sistema tiene una construcción bastante compleja. Incluye:

• Termoelemento.
• Diafragma.
• Tubo capilar.
• Termobalón.

Estos elementos pueden dañarse a altas temperaturas. Por lo tanto, durante los trabajos de soldadura del sistema, la válvula debe aislarse con tela de amianto. La válvula reguladora debe corresponder a la capacidad del evaporador.

Después de realizar los trabajos de fabricación de las partes estructurales principales, llega el momento crucial del ensamblaje de toda la estructura en un solo bloque. La etapa más crítica es el proceso de carga de refrigerante o fluido caloportador en el sistema.

Realizar una operación similar por cuenta propia difícilmente está al alcance de una persona común. Aquí será necesario recurrir a profesionales que se dedican a la reparación y mantenimiento de equipos de climatización.

Los trabajadores de este sector, por lo general, disponen del equipo necesario. Además de la carga de refrigerante, pueden probar el funcionamiento del sistema. La carga independiente de refrigerante puede provocar no solo daños en la estructura, sino también lesiones graves. Además, para poner en marcha el sistema también se requiere equipo especial.

Al arrancar el sistema se produce una carga máxima de arranque, que generalmente es de aproximadamente 40 A. Por lo tanto, no es posible arrancar el sistema sin un relé de arranque. Después del primer arranque, es necesario ajustar la válvula y la presión del refrigerante.

La elección del refrigerante debe tomarse con toda seriedad. Después de todo, esta sustancia es esencialmente el principal “transportador” de energía térmica útil. Entre los refrigerantes modernos existentes, los más populares son los freones. Estos son derivados de compuestos de hidrocarburos en los que una parte de los átomos de carbono se reemplaza por otros elementos.

Como resultado del ensamblaje de los elementos individuales de la bomba de calor, se debe obtener un circuito cerrado por el cual circula el medio de trabajo.

Como resultado de estos trabajos, se obtuvo un sistema con circuito cerrado. En él circulará el refrigerante, asegurando la extracción y transferencia de energía térmica del evaporador al condensador. Al conectar bombas de calor al sistema de calefacción del hogar, se debe tener en cuenta que la temperatura del agua a la salida del condensador no supera los 50 – 60 grados.

Debido a la baja temperatura de la energía térmica generada por la bomba de calor, como consumidor de calor se deben elegir aparatos de calefacción especializados. Puede ser un suelo radiante o radiadores volumétricos de baja inercia de aluminio o acero con una gran superficie de radiación.

Las versiones caseras de bombas de calor son más apropiadas considerarlas como equipos auxiliares que apoyan y complementan el trabajo de la fuente principal.

Cada año, los diseños de las bombas de calor se mejoran. En los modelos industriales destinados al uso doméstico, se utilizan superficies de transferencia de calor más eficientes. Como resultado, el rendimiento de los sistemas aumenta constantemente.

Un factor importante que estimula el desarrollo de esta tecnología de producción de energía térmica es el componente ecológico. Dichos sistemas, además de ser bastante eficientes, no contaminan el medio ambiente. La ausencia de llama abierta hace que su funcionamiento sea absolutamente seguro.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video n.° 1. Cómo hacer la bomba de calor casera más simple con un intercambiador de calor de tubería PEX:

Video n.° 2. Continuación de la instrucción:

Las bombas de calor se han utilizado durante bastante tiempo como sistemas de calefacción alternativos. Estos sistemas son confiables, tienen una larga vida útil y, lo que es importante, son inofensivos para el medio ambiente. Se empiezan a considerar seriamente como un paso más en el desarrollo de sistemas de calefacción eficientes y seguros.

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