Come realizzare una pompa di calore aria-acqua: schemi del dispositivo e montaggio fai-da-te

A causa del regolare aumento del costo dei vettori energetici, stanno diventando richiesti metodi di riscaldamento alternativi. Ad esempio, una pratica pompa di calore aria-acqua, che utilizza l'energia dell'aria per il riscaldamento. L'installazione non richiede materiali di consumo costosi, è comoda da usare e sicura.

A causa del prezzo considerevole dell'assemblaggio di fabbrica dell'unità, molti sono interessati a costruire da soli questo sistema. Vi racconteremo cosa serve a un artigiano domestico per realizzare una pompa di calore fatta in casa. Da noi scoprirete quali mezzi tecnici è necessario procurarsi.

Caratteristiche del sistema termico aria-acqua

La pompa di calore a cui è dedicato questo articolo, a differenza di altre modifiche di dispositivi simili (in particolare acqua-acqua e terreno-acqua), presenta una serie di vantaggi:

• risparmia elettricità;
• per l'installazione non sono necessari lavori di terra su larga scala, perforazione di pozzi, ottenimento di permessi speciali;
• se si collega il sistema a pannelli solari, è possibile garantirne la completa autonomia.

Un grande vantaggio del sistema termico che estrae energia dal vento e la trasmette all'acqua è la totale sicurezza ambientale.

Prima di iniziare la costruzione della pompa, è necessario scoprire in quali casi il sistema si mostra massimamente efficiente e quando il suo utilizzo non è opportuno.

Il sistema di pompa di calore che estrae energia dalla massa d'aria può essere utilizzato per riscaldare tutti i tipi di fluidi termovettori utilizzati nel territorio della CSI: acqua, aria, vapore

Specifiche di applicazione e funzionamento

La pompa di calore funziona produttivamente esclusivamente nell'intervallo di temperatura da -5 a +7 gradi. A una temperatura dell'aria di +7, il sistema produrrà più calore del necessario, mentre a un valore inferiore a -5 non sarà sufficiente per il riscaldamento. Ciò è dovuto al fatto che il freon concentrato presente nella struttura bolle a -55 gradi.

Teoricamente, il sistema può produrre calore anche con un gelo di 30 gradi, ma non sarà sufficiente per il riscaldamento, poiché la resa termica dipende direttamente dalla differenza tra la temperatura di ebollizione del refrigerante e la temperatura dell'aria.

Pertanto, per i residenti delle regioni settentrionali, dove il freddo arriva prima, questo sistema non è adatto, mentre nelle case delle regioni meridionali potrà funzionare efficacemente per diversi mesi freddi.

Se nella stanza sono installati radiatori standard, la pompa di calore funzionerà in modo meno efficiente. Il dispositivo aria-acqua si combina al meglio con convettori e altri radiatori di grande superficie, nonché con sistemi di «pavimento termico», «pareti termiche» di tipo ad acqua.

Inoltre, l'ambiente stesso deve essere ben isolato dall'esterno, avere finestre multicamera integrate che garantiscano un migliore isolamento termico rispetto alle normali finestre in legno o plastica.

La pompa di calore interagisce al meglio con un sistema a pavimento riscaldato ad acqua, che non richiede il riscaldamento del fluido termovettore oltre i 40 – 45 °C

Una pompa di calore fatta in casa potrà riscaldare efficacemente case fino a 100 mq e fornire una potenza garantita di 5 kW. Bisogna comprendere che il freon non può essere caricato con sufficiente qualità in una struttura creata in condizioni domestiche, pertanto si deve contare su una temperatura di ebollizione fino a -22 gradi.

Un dispositivo assemblato in casa è ideale per fornire calore a garage, serre, locali di servizio, piccole piscine private e altro. Il sistema viene solitamente utilizzato come riscaldamento supplementare.

Caldaia elettrica o altre apparecchiature tradizionali per la stagione di riscaldamento saranno comunque necessarie. Durante forti gelate (-15-30 gradi) si consiglia di spegnere la pompa di calore per evitare sprechi di elettricità, poiché in questo periodo la sua efficienza non supera il 10%.

Le pompe di calore forniscono una quantità sufficiente di energia per riscaldare l'acqua in piscine private coperte (+)

Principio di funzionamento del sistema

Il fluido di lavoro nella struttura è l'aria. Attraverso l'unità esterna, installata all'esterno, l'aria fluisce attraverso tubi nell'evaporatore, dove interagisce con il refrigerante.

Il freon, sotto l'effetto della temperatura, diventa gassoso (poiché bolle a -55 gradi) e in forma riscaldata sotto pressione entra nel compressore. Il dispositivo comprime il gas, aumentandone la temperatura.

Il freon caldo entra nel circuito del serbatoio di accumulo (condensatore), dove avviene il trasferimento di calore all'acqua, che successivamente può essere utilizzata per organizzare il riscaldamento e ACS. Nel condensatore il freon perde solo una parte del suo calore e si trova ancora allo stato gassoso.

Passando attraverso la valvola di espansione, il refrigerante viene spruzzato, di conseguenza la sua temperatura si abbassa. Il freon diventa liquido e in questa forma passa nell'evaporatore. Il ciclo si ripete.

Nella figura è mostrato schematicamente il principio di realizzazione di una pompa di calore elementare, divisa dal compressore e dall'espansore in due circuiti ‑ ad alta e bassa pressione.

Per chi desidera costruire autonomamente una pompa di calore con materiali di scarto e apparecchiature usate, ad esempio da un vecchio frigorifero, sarà utile l'informazione contenuta nell'articolo che consigliamo.

Costruzione della pompa di calore aria-acqua

Il sistema della pompa di calore è composto da quattro elementi principali:

• unità esterna;
• serbatoio dello scambiatore di calore-evaporatore;
• blocco per il compressore;
• serbatoio di accumulo (condensatore).

Consideriamo le caratteristiche costruttive di ciascun blocco.

Assemblaggio del modulo esterno

Per creare l'unità esterna saranno necessari:

• Scocca. Tradizionalmente è adatto un blocchetto di un sistema split, di una lavatrice o di altri elettrodomestici ingombranti; a volte viene costruito autonomamente mediante saldatura di elementi metallici. È importante, dopo il montaggio, trattare il metallo con vernice anticorrosione di tipo in polvere.
• Ventilatore. Il pezzo può essere preso da un vecchio sistema di condizionamento funzionante o acquistato separatamente.

Il modello del ventilatore deve avere ampie pale in plastica e, possibilmente, un motore staccabile, in modo da poterlo collegare al sensore.

Per assemblare l'unità esterna, saranno necessari un involucro e un ventilatore provenienti dal sistema di condizionamento. Le dimensioni indicative dell'unità sono 75x85x30 cm.

Nell'unità esterna è possibile installare l'evaporatore e gli elementi ausiliari per il suo funzionamento, ma è più opportuno collocare questi componenti in un involucro separato.

L'unità esterna viene installata a una distanza di 2-10 m dalla casa. È importante realizzare una fondazione sotto di essa e montare una tettoia per proteggere la struttura dalle intemperie. È inoltre necessario fissare una griglia davanti al ventilatore per evitare che sporco, detriti e foglie entrino nelle pale del ventilatore e nei tubi.

Inoltre, è consigliabile installare dei riscaldatori che proteggano i lati e i pannelli dalla formazione di ghiaccio. In questo caso, non sarà necessario un riscaldamento supplementare dell'involucro. Il luogo di installazione dell'unità deve essere ben ventilato e lontano da fonti di fiamme libere.

Modulo con scambiatore di calore evaporatore

L'evaporatore può essere acquistato già pronto, usufruendo dei servizi di fornitori online, oppure realizzato autonomamente. A tal fine, sarà necessario un serbatoio da 80 litri e un filo di rame del diametro di 10 mm e spessore non inferiore a 1 mm.

La lunghezza viene calcolata individualmente in base alla potenza richiesta. Per un dispositivo da 5 kW, si possono prendere 10 m. Nell'evaporatore avverranno il riscaldamento e la circolazione del freon, nonché il contatto con l'aria.

Per creare lo scambiatore di calore, è necessario costruire una serpentina. A tale scopo, il filo viene avvolto attorno a un tubo a pareti spesse con un diametro non superiore alla larghezza del serbatoio. È importante lasciare delle estremità che sporgano oltre l'altezza dell'involucro. Serviranno per collegare la serpentina ad altri elementi del sistema: il compressore e il serbatoio di accumulo.

Per creare la serpentina, un tubo di rame con pareti di circa 1 mm viene avvolto attorno a una bombola del gas, un tubo o una bottiglia di plastica piena d'acqua

Nel corpo vengono inseriti 2 raccordi per il collegamento delle tubazioni, e vengono creati due fori per l'uscita del filo. I giunti vengono sigillati. La struttura finita viene fissata mediante staffe a L.

Si consiglia di installare inoltre sull'evaporatore un relè di sbrinamento, poiché nel serbatoio avverrà la circolazione di aria a temperatura negativa. In tal caso, la condensa che si accumula nel sistema potrebbe portare alla formazione di ghiaccio sull'evaporatore. Inoltre, per evitare la formazione di umidità, è possibile inserire nel sistema un filtro essiccatore.

Regole per l'installazione del compressore

Per l'installazione del compressore sarà necessario un involucro separato con isolamento acustico e antivibrante, poiché quasi tutte le varianti del dispositivo producono rumore durante il funzionamento. Il compressore può essere usato, proveniente da un frigorifero o da un condizionatore d'aria, oppure si può acquistare un modello nuovo.

Per le pompe di calore sono adatti i seguenti tipi di compressori:

1. I compressori rotativi sono i meno costosi, ma presentano una serie di svantaggi – sono rumorosi, hanno una bassa efficienza e durano 8-10 anni.
2. I modelli a spirale vengono installati in tutti i moderni condizionatori e frigoriferi. Sono durevoli (15-20 anni), silenziosi, efficienti, ma hanno un costo elevato.
3. I modelli a pistone vengono installati principalmente nei frigoriferi industriali. I prodotti hanno un buon rendimento, sono durevoli (15-20 anni), ma estremamente rumorosi e costosi.

Per una pompa di calore è necessario scegliere un compressore monofase. Prima dell'acquisto è importante sapere con quale tipo di Freon funziona il dispositivo. È consigliabile acquistare un modello che funzioni con R22, meglio se con R422. Lavorare con questo tipo di refrigerante è più semplice che con qualsiasi altro tipo di Freon.

Il compressore viene collegato tramite tubi al blocco dell'evaporatore e del condensatore. Grazie al dispositivo, il Freon aumenta la propria temperatura.

Progettazione del serbatoio di accumulo (condensatore)

Per la costruzione del condensatore sarà necessario l'involucro di uno scaldabagno da 100 litri o qualsiasi altro serbatoio in acciaio inox dello stesso volume. È necessario anche un serpentino realizzato con un tubo di rame. Per una pompa con potenza di 5 kW si può prendere un tubo di rame lungo 12 metri. Attraverso il tubo del serpentino passerà il Freon caldo, grazie al quale avviene il riscaldamento dell'acqua.

Passo n. 1: Creazione del serpentino

Per realizzare il serpentino sarà necessario un tubo di rame con diametro non inferiore a 26 mm e spessore della parete almeno 1 mm. Dovrà essere avvolto attorno a un tubo con sezione trasversale inferiore a quella del serbatoio.

L'altezza della spirale deve coincidere con l'altezza dell'involucro. È importante lasciare le estremità del tubo all'esterno del serbatoio per poter collegare il serpentino all'evaporatore e al compressore.

Passo n. 2: Preparazione dell'involucro

Per installare il serpentino, il serbatoio deve essere tagliato. Sopra e sotto sarà necessario creare fori per le uscite del tubo di rame, nonché ritagliare scomparti aggiuntivi per installare 2 raccordi, uno dei quali è destinato all'uscita dell'acqua e l'altro all'ingresso. Dopo queste operazioni, il serbatoio deve essere sigillato.

Lo scambiatore di calore-compressore può essere acquistato separatamente come struttura già pronta. Utilizzando un dispositivo assemblato in fabbrica, è possibile aumentare la potenza e il rendimento dell'impianto.

Il refrigerante con etichetta R22, secondo le disposizioni di Montreal, è previsto che venga ritirato dal mercato entro il 2030. Per il riempimento del sistema è meglio utilizzare il suo sostituto – il refrigerante R422.

Collegamento del modulo esterno all'evaporatore

Per collegare l'unità esterna e l'evaporatore saranno necessari 2 tubi in polietilene PEAD 32. Attraverso un tubo l'aria passerà, attraverso l'altro uscirà.

I tubi possono essere interrati, dopo aver aggiunto nella trincea del materiale sabbioso, oppure lasciati in superficie se l'involucro esterno si trova vicino alla casa.

Collegamento dell'evaporatore, del compressore e del serbatoio

In questo sistema circola freon. Per collegare le serpentine con compressore e valvola di laminazione, è necessario rivolgersi a specialisti in tecnica frigorifera. Per una persona senza esperienza nei lavori di saldatura, anche se dispone di strumenti e materiali, sarà difficile collegare correttamente tutti gli elementi in un unico sistema per garantire il funzionamento della struttura.

Inoltre, saranno necessari molti materiali aggiuntivi – tubi di diversi diametri, varie modifiche di rubinetti di scarico, valvole per lo sfiato dell'aria, valvole di sicurezza, nonché clip per tubi, fascette, tagliatubi per il taglio di sezioni di tubazioni.

Saranno necessari anche altri dispositivi specializzati, disponibili in qualsiasi officina di riparazione di frigoriferi e condizionatori.

Un corretto caricamento del freon viene effettuato anche utilizzando apparecchiature speciali. Pertanto, per unire gli scambiatori di calore, il compressore e la valvola di laminazione in un sistema funzionante, è più comodo e conveniente rivolgersi a professionisti.

Implementazione dei sistemi di controllo dell'impianto

Per monitorare la pressione e la temperatura del freon, è possibile utilizzare una scheda con display proveniente da qualsiasi condizionatore. Durante i lavori di saldatura, con l'aiuto di specialisti, la struttura può essere correttamente integrata nell'impianto.

È inoltre possibile collegare un dispositivo speciale: un sensore di rotazione del ventilatore. Esso regola la velocità di rotazione delle pale e automatizza i giri della pompa di circolazione del freon.

Inoltre è possibile installare un timer, avviatore elettrico, un dispositivo che protegge il compressore dal surriscaldamento. Tutti questi pezzi possono essere acquistati presso officine di riparazione o sul mercato dei ricambi.

Calcolo della potenza della pompa di calore aria-acqua

Per riscaldare un ambiente con una superficie a partire da 100 m² sarà necessaria una pompa di calore di maggiore potenza. È possibile calcolare approssimativamente la potenza necessaria dell'impianto utilizzando una tabella:

I dati della tabella aiuteranno a calcolare l'area della serpentina per realizzare un impianto di una determinata potenza

Per determinare quale potenza deve avere il compressore, quali diametri dei tubi utilizzare e altri dati importanti durante la progettazione di una pompa di calore aria-acqua, è necessario ricorrere a uno dei metodi seguenti:

• Utilizzare calcolatori online presenti sui siti web dei produttori di scambiatori di calore.
• Applicare il software CoolPack 1,46, Copeland.
• Invitare uno specialista che esegua le misurazioni e i calcoli necessari.

La superficie del serpentino del condensatore (PZK) può essere calcolata con la formula:

PZK = M/0.8DT,

dove M è la potenza dell'impianto in kW; 0.8 è il coefficiente di conducibilità termica al contatto tra acqua e rame; DT è la differenza di temperatura tra l'aria in ingresso e quella in uscita nel sistema.

I parametri della pompa di calore sopra indicati sono adatti per ambienti fino a 100 mq. La potenza dell'impianto è di 5 kW. Se si acquistano scambiatori di calore speciali, è possibile aumentare la potenza dell'impianto fino a 10-15 kW.

Nell'immagine è mostrato un sistema in cui scambiatori di calore, compressore e valvola di laminazione sono combinati in un unico serbatoio. Nella struttura vengono utilizzati scambiatori di calore di fabbrica (+)

Manutenzione dell'impianto fatto in casa

Per un funzionamento di qualità, la pompa di calore necessita di manutenzione aggiuntiva. Se si utilizza il dispositivo in inverno (considerando che nell'involucro non è installato un riscaldamento supplementare), periodicamente l'unità dovrà essere scongelata, poiché sulla sua superficie si formerà uno strato di ghiaccio.

Inoltre, è necessario periodicamente:

• Pulire le pale del ventilatore da detriti – foglie, polvere, sporco, neve, ecc.
• Eseguire la lubrificazione del compressore secondo le relative istruzioni.
• Cambiare l'olio nel compressore e nel ventilatore.

Inoltre, per il normale funzionamento del sistema, è necessario verificare regolarmente l'integrità del tubo di rame, del cavo di alimentazione che alimenta compressore, ventilatore e altri dispositivi.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Il seguente video illustra il principio di funzionamento e la struttura di una pompa di calore che sfrutta l'energia eolica.

Una pompa di calore fai-da-te del sistema aria-acqua è uno dei dispositivi efficaci ed economici per il riscaldamento supplementare degli ambienti. Chiunque lo desideri può realizzare e installare questo sistema.

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