Pompa di calore “acqua-acqua”: dispositivo, principio di funzionamento, regole per l'installazione del riscaldamento basato su di essa

Per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda sanitaria nelle case private, è consigliabile utilizzare una pompa di calore acqua-acqua che funziona da fonti naturali – acque sotterranee, fiumi, laghi, ecc. Il sistema si distingue per la totale sicurezza ecologica, non richiede spese regolari per materiali di consumo, e quindi diventa sempre più richiesto.

Vi racconteremo le varianti di costruzione della pompa di calore che utilizza l'eco-energia dell'acqua per trasferirla agli impianti di riscaldamento domestico. Per gli appassionati fai-da-te abbiamo descritto i principi di funzionamento delle varianti più diffuse e la tecnologia di costruzione. Da noi scoprirete quale attrezzatura è necessaria per il funzionamento del sistema.

Principio di funzionamento della pompa di calore acqua-acqua

La pompa di calore incarna il principio del ciclo di Carnot. Consiste nel fatto che la sostanza in movimento in un sistema chiuso, cambiando il suo stato di aggregazione da liquido a gassoso sotto l'influenza di fattori chimici, fisici o termici, rilascia e assorbe una grande quantità di energia termica.

Il ruolo di sostanza di lavoro è svolto dal vettore termico – l'acqua del pozzo o del bacino.

Anche in inverno, nelle fonti naturali a una certa profondità si mantiene una temperatura positiva, quindi è possibile estrarre energia termica tutto l'anno. L'unico inconveniente dell'impianto è l'elevato consumo di elettricità e la necessità di acquistare apparecchiature aggiuntive.

Lo schema mostra la traiettoria di circolazione dell'acqua e del refrigerante. Il sistema consente di ottenere energia termica indipendentemente dalla stagione.

Elementi principali della pompa di calore acqua-acqua:

• compressore;
• evaporatore;
• condensatore;
• valvola di espansione induttiva;
• sistema automatico che effettua il controllo dei parametri;
• molteplici condutture in tubi di rame;
• sostanza di lavoro (refrigerante).

Grazie a una pompa speciale, l'acqua arriva attraverso i tubi dalla fonte all'impianto termico, dove interagisce con il gas (freon), che bolle a una temperatura di +2-3 gradi. Il freon assorbe parte del calore dell'acqua e viene aspirato dal compressore, dove, durante la compressione, la sua temperatura aumenta.

L'apparecchiatura della pompa di calore occupa molto spazio, ma offre la possibilità di liberarsi dalla dipendenza dai servizi pubblici.

Successivamente, il refrigerante entra nel condensatore, dove la sostanza calda riscalda l'acqua fino alla temperatura impostata (da +40 a +80 gradi), che viene poi trasportata attraverso i tubi dell'impianto di riscaldamento.

L'acqua raffreddata entra nell'evaporatore, quindi viene scaricata nel pozzo di ricezione. Dopo aver attraversato il condensatore, il refrigerante diventa liquido e si raccoglie sul fondo dell'elemento, quindi attraverso la valvola di espansione ritorna al punto di partenza. Il ciclo si ripete.

A cosa prestare attenzione nell'installazione di tale riscaldamento?

Esiste un gran numero di diverse modifiche delle pompe di calore, progettate per ambienti di qualsiasi destinazione e dimensione, e che funzionano in condizioni diverse. L'apparecchiatura è destinata al riscaldamento di case con una superficie totale da 50 a 150 metri quadrati.

Riferimento n.1 – durezza dell'acqua

La qualità dell'acqua del pozzo o del bacino gioca un ruolo importante nella scelta dell'apparecchiatura. Non tutti i modelli sono in grado di funzionare con acqua dura contenente grandi quantità di manganese e ferro.

Un'alta concentrazione di questi elementi danneggia il sistema: sui tubi si forma più rapidamente corrosione, portando a una riduzione dell'efficienza dell'apparecchiatura e della sua durata operativa.

Pertanto, prima di acquistare una pompa di calore, si preleva un campione d'acqua e se ne analizza la presenza di questi e altri microelementi – acido solfidrico, ammoniaca, cloro, ecc. Di solito, se la temperatura dello stagno supera i +13 gradi, con alta probabilità l'acqua contiene molti ioni di ferro e manganese.

Pertanto, la pompa di calore acqua-acqua viene scelta tenendo conto della durezza dell'acqua. Esistono sistemi i cui elementi sono massimamente protetti dalla corrosione, ma costano di più.

Riferimento n.2 – modalità di funzionamento

La pompa di calore può essere utilizzata come unica fonte di calore o interagire con altri sistemi. Pertanto, prima di scegliere un modello, è importante determinare in quale modalità l'apparecchio funzionerà.

In totale esistono due tipologie di funzionamento del sistema:

• Monovalente. Gli apparecchi hanno una grande potenza, sono adatti per il riscaldamento della casa.
• Bivalente. Dispositivi meno performanti, che integrano l'apparecchiatura di riscaldamento principale.

Per realizzare un sistema autonomo con l'unità di riscaldamento principale acqua-acqua, è necessario un tipo monovalente.

Riferimento n.3 – potenza della pompa

La potenza è un parametro importante nella scelta della pompa di calore, poiché da essa dipendono le prestazioni del sistema. Maggiore è la potenza, maggiore è l'efficienza dell'apparecchiatura, ma anche il consumo di elettricità è più elevato.

Le prestazioni della pompa di calore acqua-acqua vengono determinate in base alle esigenze reali

Se si sceglie un dispositivo con potenza insufficiente, l'efficienza del sistema diminuirà nel caso in cui le dispersioni termiche della casa superino la quantità di energia erogata dal sistema. La pompa di calore può funzionare 24 ore su 24, ma non si otterrà alcun effetto a causa dell'abbassamento della temperatura dell'acqua.

Quando le dispersioni termiche dell'edificio sono inferiori alla resa termica del sistema, la pompa di solito si avvia automaticamente per alcuni minuti, riscalda l'acqua alla temperatura impostata e la trasporta attraverso il sistema. Quindi si spegne fino a quando la temperatura non scende di alcuni gradi. Quindi il ciclo si ripete.

Riferimento n.4 – funzionalità del modello specifico

Le pompe di calore possono avere funzioni aggiuntive, ecco:

• Sistema di controllo automatico che consente di regolare il microclima dell'ambiente a piacere. Il controllo viene solitamente effettuato tramite telecomando.
• Funzione di riscaldamento dell'acqua per la fornitura di acqua calda sanitaria.
• Involucro fonoisolante.
• Possibilità di collegamento ad altri sistemi di riscaldamento, collettori solari, che renderà l'apparecchiatura di riscaldamento completamente autonoma.

La durata di esercizio delle pompe di calore acqua-acqua supera solitamente i 30 anni.

Non meno importante nella scelta dell'apparecchiatura è considerato il costo di installazione e montaggio.

Calcolo della potenza necessaria della pompa di calore

Prima di acquistare il sistema è importante predisporre un progetto e calcolare la potenza necessaria dell'apparecchiatura. La prestazione viene calcolata in base alle effettive esigenze di energia termica. Si tengono in considerazione i consumi di calore, le dispersioni termiche della casa e la presenza o l'assenza del circuito ACS.

Algoritmo di calcolo:

1. Si calcola la superficie totale degli ambienti riscaldati.
2. Determiniamo la quantità di energia necessaria per il riscaldamento. Il valore ottimale per metro quadrato è 0,07 kW.
3. Per riscaldare una casa di N metri quadrati, sarà necessario N*0,07 kW.
4. Per ACS, al numero ottenuto si aggiunge un ulteriore 15-20%, ovvero N*0,07*0,85 o N*0,07*0,80.

Questo calcolo è ottimale per ambienti con soffitti che non superano i 2,7 m di altezza. Calcoli più precisi verranno effettuati dai tecnici durante la stesura del progetto.

Lavori preparatori prima dell'utilizzo

La preparazione per il montaggio, il collegamento e la messa in funzione della pompa di calore della serie acqua-acqua comprende una serie di passaggi standard che andremo a conoscere di seguito.

Scelta della fonte d'acqua ottimale

Occorre notare che non tutti i corsi d'acqua aperti o i pozzi d'acqua sono adatti per il funzionamento ininterrotto di una pompa di calore. La qualità dell'acqua gioca un ruolo importante, ma i filtri possono aiutare a risolvere il problema dell'inquinamento.

È consentito utilizzare un bacino o uno stagno situato entro 100 metri dall'edificio. Se tale fonte non è disponibile, sorge la necessità di perforare pozzi.

La scelta della fonte per la pompa di calore dovrebbe essere orientata alla semplicità e al costo di utilizzo. Nel caso di un bacino aperto nelle vicinanze, è più sensato utilizzarlo.

Il comportamento di una fonte aperta è più prevedibile di quello delle acque sotterranee, quindi, quando possibile, è meglio dare la preferenza ai bacini.

Installazione del sistema termico con utilizzo del pozzo

Per installare un sistema che utilizza una pompa di calore sono necessari due pozzi. Uno dei pozzi viene solitamente chiamato pozzo di prelievo. In esso viene immersa una pompa speciale, con la quale si preleva l'acqua per il successivo trattamento nel sistema. Il secondo pozzo è il pozzo di scarico. In esso viene scaricata l'acqua raffreddata.

I pozzi di scarico e di alimentazione devono distare tra loro almeno 15 metri

La profondità del pozzo di prelievo non deve superare i 50 metri. Più profonda è la fonte d'acqua, più potente sarà la pompa necessaria per il suo prelievo, aumentando così la quantità di energia consumata.

Realizzazione del pozzo di presa

Prima di mettere in funzione il pozzo di prelievo, è importante sapere quanta acqua può fornire e quanta liquido è necessario per riscaldare l'intero ambiente. Più alta è la temperatura dell'acqua, minore sarà la quantità necessaria per il riscaldamento.

È importante calcolare in anticipo il volume V che deve essere pompato dal pozzo nell'arco di un'ora per riscaldare l'ambiente. Supponiamo che ci sia una pompa la cui potenza termica è pari a un certo numero Q kW, e la potenza assorbita è un numero P kW. Sarà inoltre necessario conoscere la temperatura delle acque sotterranee (t1) e la loro temperatura dopo lo scambio termico (t2).

La formula per calcolare il volume d'acqua necessario all'ora è la seguente:

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

Non è possibile determinare analiticamente la capacità del pozzo di prelievo di erogare il volume d'acqua necessario, pertanto viene eseguita una prova. Per 3 giorni la pompa pompa continuamente acqua dal pozzo. In questo modo si verifica anche la capacità del pozzo di scarico di ricevere la quantità d'acqua necessaria in condizioni di carico elevato.

È importante capire che le acque sotterranee si comportano in modo imprevedibile, quindi la quantità d'acqua dal pozzo di prelievo potrebbe ridursi nel tempo. Ad esempio, in primavera si osservano flussi maggiori, mentre in inverno, al contrario, l'acqua diminuisce. Se l'acqua nel pozzo è insufficiente, il sistema si spegne automaticamente e il riscaldamento non avviene.

Caratteristiche del pozzo di ricezione

Il pozzo tubolare di ricezione viene posizionato a valle delle acque sotterranee. Determinare analiticamente la direzione del flusso dell'acqua è impossibile. Pertanto, nella pratica, si sceglie un pozzo arbitrario come pozzo di produzione e si inserisce al suo interno una pompa sommersa.

Se durante il funzionamento del sistema il livello dell'acqua non scende, la scelta è corretta. Se il livello scende e la temperatura dell'acqua diminuisce, è necessario scambiare i pozzi – spostare la pompa sommersa in un altro foro.

Il tubo di scarico nel pozzo ricevente deve essere immerso di alcuni centimetri nell'acqua, senza toccare il fondo. Se il liquido di scarto viene scaricato dall'alto, ciò porterà all'impaludamento. Il pozzo tubolare potrebbe smettere di accettare acqua e intasarsi.

Il risultato rischia di provocare traboccamenti e, in inverno, possibili formazioni di ghiaccio. L'opzione migliore per la fonte di ricezione è un fiume o uno stagno. Se questi elementi non sono presenti nelle vicinanze, è necessario perforare uno o più pozzi riceventi aggiuntivi per proteggersi da eventuali traboccamenti.

Nella figura viene mostrato un esempio di utilizzo di un unico pozzo sia come pozzo ricevente che come pozzo produttivo.

Non è possibile sapere se un pozzo accetterà acqua né con metodi analitici né con test. La pratica dimostra che un pozzo di scarico può assorbire acqua ininterrottamente per molti anni, o può guastarsi completamente in una sola stagione.

Esistono tecnologie che consentono di utilizzare un unico pozzo sia come pozzo produttivo che come pozzo ricevente, ma questo metodo non è efficace: il funzionamento sarà accompagnato da difficoltà, possibile abbassamento della temperatura dell'acqua, impaludamento e una serie di altri problemi.

Realizzazione del sistema con utilizzo di un bacino

Lo stagno scelto deve essere sufficientemente profondo in modo che gli strati inferiori dell'acqua non gelino durante le forti gelate. Nelle regioni meridionali, la profondità ottimale è di circa 1 metro; in quelle settentrionali, è necessaria una fonte con profondità di almeno 3 metri. Inoltre, lo stagno deve essere stabile: non sono ammesse fluttuazioni del livello dell'acqua né la sua diminuzione.

Al bacino idrico conducono due tubazioni: una produttiva e una ricevente. In quella ricevente viene installata una pompa sommersa.

Come tubi, si consiglia di utilizzare modelli in PEBD, noti per la loro durata e affidabilità. È importante proteggere i tubi dal congelamento, isolandoli ulteriormente, e da rotture.

Preparazione della casa per l'installazione della pompa di calore

Per interagire con la pompa di calore acqua-acqua, la casa deve essere dotata di un sistema di riscaldamento a base d'acqua, rappresentato da tubi e radiatori. Per un migliore isolamento, è anche possibile installare tubi di riscaldamento nel pavimento e nelle pareti.

Se l'apparecchiatura verrà utilizzata per la fornitura di acqua calda, la casa deve avere un sistema di raccolta della stessa. Per il funzionamento della pompa sarà necessario un collegamento alla rete elettrica con alimentazione illimitata.

Senza ulteriori interventi di isolamento termico della casa (coibentazione esterna, installazione di finestre a doppio vetro, ecc.) l'utilizzo di una pompa di calore non ha senso.

Gli specialisti consigliano di installare ulteriormente un sistema di ventilazione a immissione con meccanismo di riscaldamento dell'aria. Il freon utilizzato nell'apparecchiatura è dannoso per l'uomo. Se nel circuito del sistema si verificano micro-rotture, il gas si libera e quindi sposta l'aria dall'ambiente. Il refrigerante può causare nell'uomo l'aggravamento di malattie polmonari e attacchi di soffocamento.

La pompa di calore è un'apparecchiatura pesante, il suo peso può raggiungere una tonnellata (dipende dalla potenza e dalle dimensioni), pertanto per la sua installazione in alcuni casi è necessaria la costruzione di una fondazione propria, non collegata alla fondazione del cottage.

Prima di installare l'apparecchiatura è necessario considerare le dimensioni consentite del locale, rispettare la distanza dalle pareti indicata nel manuale del prodotto.

Apparecchiatura aggiuntiva

La scelta di apparecchiature aggiuntive per la pompa di calore è un compito responsabile, la cui soluzione determina in gran parte la longevità del sistema di riscaldamento nel suo insieme e l'assenza di problemi operativi.

Sommergibile pompa per pozzi e bacini

Se nel sistema la pompa di calore viene utilizzata per l'erogazione di acqua calda, un dispositivo di bassa potenza può ridurre la pressione ai rubinetti. Una pompa potente risolve questo problema, ma consuma più energia. La potenza minima consentita durante il funzionamento di ACS è di 1 kW.

Esistono numerose modifiche delle pompe sommerse. La scelta viene effettuata in base a tre criteri, ovvero:

• Quantità di liquido utilizzato per il pompaggio (maggiore è la quantità di acqua da trasportare, maggiore deve essere la potenza della pompa).
• Profondità del pozzo (più profondo è il pozzo, maggiore deve essere la potenza dell'apparecchiatura);
• Diametro del pozzo (tradizionalmente si preferiscono pozzi da 4 pollici, poiché per questi è stato creato il maggior numero di pompe, a differenza di quelli da 3 pollici).

Per determinare la profondità del pozzo, è necessario fissare un peso a una corda e calarlo nel pozzo. La parte bagnata della corda indicherà la profondità totale del pozzo, la parte asciutta determinerà la distanza dall'inizio dell'acqua alla superficie.

La pompa viene immersa nel pozzo fino alla profondità indicata dal produttore del dispositivo. Di solito nel manuale tecnico è specificato quanti metri devono esserci tra il livello dell'acqua e la pompa, tra il fondo del pozzo e la pompa.

Per i pozzi possono essere adatte sia pompe universali che apparecchiature create appositamente per pozzi. Se la realizzazione del pozzo è stata effettuata da professionisti, questo si intasa meno di sabbia, quindi si può tranquillamente utilizzare una pompa universale.

Le pompe progettate appositamente per pozzi costano di più, ma gestiscono bene sabbia e sporcizia, si intasano meno. Quelle universali sono sensibili a un alto contenuto di sostanze organiche, devono essere pulite regolarmente dallo sporco, di conseguenza la loro durata diminuisce.

È opportuno preferire pompe con automazione, poiché in caso di surriscaldamento del motore, eccessivo intasamento o mancanza d'acqua nel pozzo, si spengono autonomamente, evitando che il motore si surriscaldi e si guasti.

In base al principio di funzionamento si distinguono 2 tipi di pompe sommerse:

• Centrifughe.
• A vibrazione.

Per lavorare in pozzi che estraggono acqua dal calcare, sono preferibili i modelli centrifughi profondi. Sono sensibili all'acqua con granelli di sabbia e sospensione argillosa.

Se la pompa di calore sarà collegata a uno specchio d'acqua aperto, è meglio utilizzare apparecchiature di pompaggio di superficie destinate al pompaggio di acqua sporca, oppure un dispositivo a vibrazione economico.

Scambiatore di calore intermedio della pompa di calore

Nelle pompe di calore, durante la circolazione, il freon potrebbe non raffreddarsi sufficientemente, causando il surriscaldamento del compressore a causa di una temperatura di mandata eccessiva. Pertanto, è importante migliorare il raffreddamento del fluido, riducendo così la pressione nei circuiti.

Esiste un altro problema comune a tutte le pompe di calore: il refrigerante può mescolarsi con i vapori d'acqua. Se il liquido entra nel compressore, può verificarsi un colpo d'ariete. In questo caso sarà necessaria la riparazione o la sostituzione del componente. Inoltre, l'acqua può entrare nell'olio, ed è difficile estrarla da lì.

Tutti i problemi sopra descritti vengono risolti installando uno scambiatore di calore intermedio. Gli scambiatori di calore sono di tre tipi: aperti, a fascio tubiero e a serpentino.

La modifica di tipo aperto neutralizza il liquido che è entrato nel freon durante la circolazione, minimizzando la probabilità di colpo d'ariete del compressore. Il dispositivo si distingue per l'elevata produttività con un consumo energetico minimo.

Durante l'installazione di uno scambiatore di calore a tipo aperto, è importante scegliere correttamente le dimensioni della tubazione del liquido per garantire la minima compressione della pressione.

Tubi correttamente selezionati permetteranno di neutralizzare la possibilità di ebollizione del liquido. Inoltre, la valvola deve avere una portata sufficiente affinché il liquido, con una bassa differenza di pressione, possa penetrare nel dispositivo.

Lo scambiatore a fascio tubiero è presentato come una struttura chiusa. Lo scambio termico avviene attraverso le pareti dei tubi, e il liquido e il refrigerante non si mescolano al suo interno, a differenza di quello aperto, garantendo un'alta pressione per la circolazione di vapore e aria.

Lo scambiatore di calore a serpentino si distingue per la presenza di un regolatore di portata che controlla il flusso del freon liquido. La dimensione del dispositivo dipende direttamente dalla potenza della pompa di calore. È necessario selezionare il prodotto tenendo conto delle funzionalità e del budget disponibile. Si consiglia di preferire modelli smontabili.

Filtri per la pompa di calore

L'acqua da pozzi o bacini non arriva in forma pura. Può contenere sabbia, sporcizia, vari microelementi – ferro, idrogeno solforato, manganese, cloro, ammoniaca, ecc. Prima di entrare nella pompa di calore, l'acqua deve essere filtrata.

Prima di tutto, è necessario rimuovere le sostanze grossolane: sassi, sabbia, sporco, fango. Per rimuoverle dall'acqua, è necessaria l'installazione di un idrociclone.

Idrociclone – un dispositivo necessario per la filtrazione grossolana dell'acqua. È necessario selezionarlo tenendo conto della potenza della pompa.

Successivamente, è importante installare filtri che rimuovano ferro, idrogeno solforato, manganese, ammoniaca. Questi microelementi riducono la durata dell'attrezzatura e la espongono a corrosione.

Si possono utilizzare filtri a osmosi inversa, addolcitori, deferrizzatori e le loro modifiche. Per garantire acqua calda potabile, è necessario installare ulteriormente filtri a carbone e uno sterilizzatore UV, che distrugge batteri e virus.

Generatore elettrico per alimentazione di riserva

Le pompe di calore funzionano dalla rete elettrica, quindi se si verifica un'interruzione di corrente, la casa rimarrà senza riscaldamento. È opportuno acquistare inoltre un elettrogeneratore funzionante a carburante.

È importante che l'elettrogeneratore possa produrre la potenza necessaria per il funzionamento del compressore della pompa.

Caratteristiche di funzionamento di tale pompa di calore

Una volta all'anno è necessario eseguire un'ispezione visiva autonoma dei componenti della pompa, seguire le raccomandazioni di manutenzione – lubrificare tempestivamente le parti, controllare il corretto funzionamento dell'apparecchio durante il pompaggio dell'acqua.

Alcuni tipi di apparecchiature necessitano di controlli regolari (di solito 1-2 volte all'anno) da parte di tecnici del centro assistenza. Durante il controllo vengono rilevati:

• perdite di olio motore attraverso crepe nel circuito;
• qualità dei fissaggi e dei collegamenti;
• livello di pressione nei serbatoi e nei circuiti;
• guasti nel funzionamento del cablaggio elettrico.

L'installazione di una pompa di calore acqua-acqua dovrebbe essere affidata a tecnici qualificati. L'inefficienza del sistema è spesso dovuta a un'installazione errata. Le apparecchiature termiche sono adatte all'uso sia dai residenti delle regioni meridionali che settentrionali.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Il video illustrerà il principio di funzionamento e le caratteristiche del dispositivo:

Come conclusione, si può affermare che la pompa di calore acqua-acqua è considerata un'apparecchiatura efficiente ed ecologicamente sicura, progettata per riscaldare case fino a 150 metri quadrati. Per allestire un ambiente di superficie maggiore possono già essere necessarie indagini ingegneristiche piuttosto complesse.

Se sorgono domande durante la consultazione delle informazioni presentate, La preghiamo di porle nel blocco sottostante. Attendiamo i Suoi commenti, domande sull'argomento, racconti e foto sulla costruzione fai-da-te di una mini-centrale idroelettrica. Ci interessa il Suo parere.