Come realizzare una pompa di calore per il riscaldamento domestico fai-da-te: principio di funzionamento e schemi di montaggio

Le prime versioni delle pompe di calore potevano solo parzialmente soddisfare il fabbisogno di energia termica. Le varianti moderne sono più efficienti e possono essere utilizzate per i sistemi di riscaldamento. È per questo motivo che molti proprietari di case cercano di installare una pompa di calore fai da te.

Le spiegheremo come scegliere la variante ottimale della pompa di calore tenendo conto dei geodati del terreno su cui si intende installarla. Nell'articolo proposto viene descritto in dettaglio il principio di funzionamento dei sistemi che utilizzano “energia verde”, e vengono elencate le differenze. Seguendo i nostri consigli, senza dubbio Lei sceglierà un tipo efficiente.

Per gli artigiani fai da te, forniamo la tecnologia di assemblaggio della pompa di calore. Le informazioni presentate sono completate da schemi visivi, raccolte di foto e un video tutorial dettagliato in due parti.

Cos'è una pompa di calore e come funziona?

Con il termine pompa di calore si intende un insieme di determinate apparecchiature. La funzione principale di questa apparecchiatura è la raccolta di energia termica e il suo trasporto al consumatore. Fonte di tale energia può essere qualsiasi corpo o mezzo con una temperatura di +1º o più gradi.

Nell'ambiente circostante, le fonti di calore a bassa temperatura sono più che sufficienti. Si tratta di rifiuti industriali, centrali termiche e nucleari, scarichi fognari e così via. Per il funzionamento delle pompe di calore nel settore del riscaldamento domestico sono necessarie tre fonti naturali che si rigenerano autonomamente: aria, acqua, terra.

Le pompe di calore “attingono” energia dai processi che si verificano regolarmente nell'ambiente. Il flusso dei processi non cessa mai, pertanto le fonti sono considerate inesauribili secondo i criteri umani

I tre potenziali fornitori di energia elencati sono direttamente collegati all'energia solare, che, riscaldando, mette in movimento l'aria con il vento e trasmette energia termica alla terra. Proprio la scelta della fonte è il criterio principale in base al quale vengono classificati i sistemi di pompe di calore.

Il principio di funzionamento delle pompe di calore si basa sulla capacità dei corpi o dei mezzi di trasferire energia termica a un altro corpo o mezzo. I ricevitori e i fornitori di energia nei sistemi di pompe di calore di solito lavorano in coppia.

Si distinguono quindi i seguenti tipi di pompe di calore:

• Aria – acqua.
• Terra – acqua.
• Acqua – aria.
• Acqua – acqua.
• Terra – aria.
• Acqua – acqua
• Aria – aria.

In questo caso, la prima parola determina il tipo di ambiente da cui il sistema preleva il calore a bassa temperatura. La seconda indica il tipo di vettore a cui viene trasferita questa energia termica. Così, nelle pompe di calore acqua – acqua, il calore viene prelevato dall'ambiente acquatico e come fluido termovettore viene utilizzato un liquido.

Le pompe di calore, per tipo costruttivo, sono impianti a compressione di vapore. Essi estraggono calore da fonti naturali, lo trattano e lo trasportano agli utenti (+)

Le moderne pompe di calore utilizzano tre principali fonti di energia termica. Sono: suolo, acqua e aria. La più semplice di queste opzioni è la pompa di calore ad aria. La popolarità di tali sistemi è dovuta alla loro struttura piuttosto semplice e alla facilità di installazione.

Tuttavia, nonostante tale popolarità, queste varietà hanno una produttività piuttosto bassa. Inoltre, il rendimento è instabile e dipende dalle fluttuazioni stagionali del regime di temperatura.

Con la diminuzione della temperatura, la loro produttività cala significativamente. Tali varianti di pompe di calore possono essere considerate come un complemento alla fonte principale di energia termica esistente.

Le varianti di apparecchiature che utilizzano il calore del suolo sono considerate più efficienti. Il suolo riceve e accumula energia termica non solo dal Sole, ma viene costantemente riscaldato dall'energia del nucleo terrestre.

Ciò significa che il terreno è una sorta di accumulatore termico, la cui potenza è praticamente illimitata. Inoltre, la temperatura del terreno, specialmente a una certa profondità, è costante e oscilla entro limiti trascurabili.

Ambito di applicazione dell'energia prodotta dalle pompe di calore:

La costanza della temperatura della fonte è un fattore importante per il funzionamento stabile ed efficiente di questo tipo di apparecchiature energetiche. Caratteristiche simili sono possedute dai sistemi in cui l'ambiente acquatico è la principale fonte di energia termica. Il collettore di tali pompe viene posizionato o in un pozzo, dove si trova nella falda acquifera, o in un corpo idrico.

La temperatura media annuale di fonti come il terreno e l'acqua varia da +7° a +12° C. Questa temperatura è sufficiente per garantire un funzionamento efficiente del sistema.

Le pompe di calore più efficienti sono considerate quelle che estraggono energia termica da fonti con valori di temperatura stabili, cioè dall'acqua e dal terreno.

Elementi principali della struttura delle pompe di calore

Affinché un impianto di produzione di energia funzioni secondo i principi di funzionamento di una pompa di calore, nella sua struttura devono essere presenti 4 unità principali, ovvero:

• Compressore.
• Evaporatore.
• Condensatore.
• Valvola di espansione.

Un elemento importante della struttura della pompa di calore è il compressore. La sua funzione principale – è aumentare la pressione e la temperatura dei vapori che si formano a seguito dell'ebollizione del refrigerante. Per le apparecchiature di climatizzazione e in particolare per le pompe di calore, vengono utilizzati moderni compressori a spirale.

Come fluido di lavoro che trasferisce direttamente l'energia termica, vengono utilizzati liquidi con basso punto di ebollizione. Generalmente, vengono utilizzati ammoniaca e freon (+)

Tali compressori sono progettati per funzionare a temperature sotto zero. A differenza di altre varietà, i compressori a spirale producono poco rumore e funzionano sia a basse temperature di ebollizione del gas che a alte temperature di condensazione. Un indubbio vantaggio sono le loro dimensioni compatte e il peso specifico ridotto.

Praticamente tutta l'energia della pompa di calore viene spesa per trasportare l'energia termica dall'esterno all'interno dell'ambiente. Pertanto, per il funzionamento del sistema viene consumata circa 1 unità energetica per produrre 4 – 6 unità (+)

L'evaporatore, come elemento costruttivo, è un contenitore in cui il refrigerante liquido viene trasformato in vapore. Il refrigerante, circolando in un circuito chiuso, passa attraverso l'evaporatore. Qui il refrigerante si riscalda e si trasforma in vapore. Il vapore così formato, a bassa pressione, viene inviato verso il compressore.

Nel compressore, i vapori del refrigerante vengono sottoposti a pressione e la loro temperatura aumenta. Il compressore pompa il vapore riscaldato ad alta pressione verso il condensatore.

Il compressore comprime il fluido che circola nel circuito, aumentandone la temperatura e la pressione. Successivamente, il fluido compresso entra nello scambiatore di calore (condensatore), dove si raffredda, cedendo calore all'acqua o all'aria.

Il successivo elemento costruttivo del sistema – il condensatore. La sua funzione è quella di cedere l'energia termica al circuito interno del sistema di riscaldamento.

I modelli di serie prodotti dalle industrie sono dotati di scambiatori di calore a piastre. Il materiale principale per tali condensatori è l'acciaio legato o il rame.

Per la costruzione fai-da-te dello scambiatore di calore, è adatto un tubo di rame con diametro di mezzo pollice. Lo spessore delle pareti dei tubi utilizzati per la costruzione dello scambiatore di calore deve essere di almeno 1 mm.

La valvola termoregolatrice, o altrimenti valvola di laminazione, viene installata all'inizio di quella parte del circuito idraulico dove il fluido circolante ad alta pressione viene trasformato in un fluido a bassa pressione. Più precisamente, il dispositivo di laminazione insieme al compressore dividono il circuito della pompa di calore in due parti: una con parametri di pressione alta, l'altra con bassi.

Passando attraverso la valvola di espansione, il fluido in circolazione nel circuito chiuso evapora parzialmente, per cui la pressione e la temperatura diminuiscono. Quindi entra nello scambiatore di calore in comunicazione con l'ambiente esterno. Lì cattura l'energia dell'ambiente e la riporta nel sistema.

Tramite la valvola di laminazione si regola il flusso del refrigerante verso l'evaporatore. Nella scelta della valvola è necessario considerare i parametri del sistema. La valvola deve essere conforme a tali parametri.

Passando attraverso la valvola termoregolatrice, il liquido termovettore evapora parzialmente e la temperatura del flusso diminuisce (+)

Scelta del tipo di pompa di calore

Il parametro principale di questo sistema di riscaldamento è la potenza. Dalla potenza dipenderanno principalmente i costi finanziari per l'acquisto delle apparecchiature e la scelta dell'una o dell'altra fonte di calore a bassa temperatura. Maggiore è la potenza del sistema a pompa di calore, maggiore è il costo dei componenti.

In primo luogo si intende la potenza del compressore, la profondità dei pozzi per le sonde geotermiche, oppure l'area per l'installazione del collettore orizzontale. Corretti calcoli termodinamici costituiscono una sorta di garanzia che il sistema funzioni efficacemente.

In presenza di uno specchio d'acqua vicino al terreno personale, la scelta più conveniente ed efficiente sarà una pompa di calore acqua-acqua

Per iniziare, è necessario studiare il terreno previsto per l'installazione della pompa. La condizione ideale è la presenza di uno specchio d'acqua sul terreno. L'uso di una variante del tipo acqua-acqua ridurrà significativamente il volume dei lavori di scavo.

L'utilizzo del calore terrestre, al contrario, comporta una grande quantità di lavori di scavo del terreno. I sistemi che utilizzano l'ambiente acquatico come calore a basso potenziale sono considerati i più efficienti.

Il dispositivo di una pompa di calore che estrae energia termica dal terreno comporta una notevole quantità di lavori di scavo. Il collettore viene posizionato al di sotto del livello di gelo stagionale.

È possibile utilizzare l'energia termica del terreno in due modi. Il primo prevede la perforazione di pozzi con diametro di 100-168 mm. La profondità di tali pozzi, in base ai parametri del sistema, può raggiungere i 100 m e oltre.

In questi pozzi vengono inserite sonde speciali. Nel secondo metodo si utilizza un collettore di tubi. Tale collettore viene posizionato sottoterra in un piano orizzontale. Per questa opzione è necessaria un'area abbastanza grande.

Per l'installazione del collettore, le aree con terreno umido sono considerate ideali. Naturalmente, la trivellazione dei pozzi costerà di più rispetto alla disposizione orizzontale del collettore. Tuttavia, non in ogni area ci sono spazi liberi. Per ogni kW di potenza della pompa di calore sono necessari da 30 a 50 m² di superficie.

La realizzazione di un sistema di estrazione di energia termica con un unico pozzo profondo potrebbe costare leggermente meno dello scavo di una fossa. Tuttavia, un importante vantaggio è il notevole risparmio di spazio, importante per i proprietari di piccoli appezzamenti.

In caso di presenza di una falda freatica poco profonda, gli scambiatori di calore possono essere collocati in due pozzi distanti circa 15 m l'uno dall'altro.

L'estrazione di energia termica in tali sistemi avviene pompando l'acqua di falda in un circuito chiuso, le cui parti sono collocate nei pozzi. Questo sistema necessita dell'installazione di un filtro e della pulizia periodica dello scambiatore di calore.

Lo schema più semplice ed economico della pompa di calore si basa sull'estrazione di energia termica dall'aria. Un tempo è diventato la base per i frigoriferi, successivamente sono stati progettati condizionatori d'aria basati sui suoi principi.

Il sistema di pompa di calore più semplice ottiene energia dall'aria. In estate partecipa al riscaldamento, in inverno al condizionamento. Lo svantaggio del sistema è che, in caso di realizzazione autonoma, l'unità ha una potenza insufficiente.

L'efficienza dei diversi tipi di questa apparecchiatura non è uniforme. Le prestazioni più basse sono quelle delle pompe che utilizzano l'aria ambiente. Inoltre, queste prestazioni dipendono direttamente dalle condizioni meteorologiche.

Le varianti geotermiche delle pompe di calore hanno prestazioni stabili. Il coefficiente di efficienza di questi sistemi varia tra 2,8 e 3,3. I sistemi acqua-acqua hanno la maggiore efficienza. Ciò è dovuto principalmente alla stabilità della temperatura della fonte.

Va notato che più profondo è il collettore della pompa situato nel bacino idrico, più stabile sarà la temperatura. Per ottenere una potenza del sistema di 10 kW, sono necessari circa 300 metri di tubazione.

Il parametro principale che caratterizza l'efficienza di una pompa di calore è il suo coefficiente di prestazione. Più alto è il coefficiente di prestazione, più efficiente è considerata la pompa di calore.

Il coefficiente di prestazione di una pompa di calore è espresso dal rapporto tra il flusso termico e la potenza elettrica consumata dal compressore.

Assemblaggio della pompa di calore fai da te

Conoscendo lo schema di funzionamento e la struttura di una pompa di calore, è del tutto possibile assemblare e installare autonomamente un sistema di riscaldamento alternativo. Prima di iniziare i lavori, è necessario calcolare tutti i parametri principali del futuro sistema. Per calcolare i parametri della futura pompa, è possibile utilizzare un software progettato per l'ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento.

L'opzione più semplice da realizzare è il sistema aria-acqua. Non richiede lavori complessi per la realizzazione del circuito esterno, tipico delle varianti ad acqua e a suolo delle pompe di calore. Per l'installazione saranno necessari solo due canali: uno per l'immissione dell'aria, l'altro per lo scarico della massa esausta.

Il modo più semplice è realizzare da sé una pompa di calore con prelievo di calore dalla massa d'aria. Un ventilatore installato all'esterno spinge l'aria verso l'evaporatore.

Oltre al ventilatore, è necessario procurarsi un compressore della potenza adeguata. Per tale unità è adatto un compressore come quelli di cui sono dotati i normali sistemi split. Non è necessario acquistare una nuova unità.

È possibile rimuoverlo da vecchie apparecchiature o utilizzare componenti di un vecchio frigorifero. Si consiglia di utilizzare la variante a spirale. Questi tipi di compressori, oltre ad avere un'efficienza sufficiente, generano un'alta pressione che garantisce un aumento della temperatura.

Per il condensatore saranno necessari un contenitore e un tubo di rame. Dal tubo si realizza una serpentina. Per la sua fabbricazione si utilizza qualsiasi corpo cilindrico del diametro necessario. Avvolgendo il tubo di rame attorno ad esso, è possibile realizzare facilmente e rapidamente questo elemento strutturale.

La serpentina finita viene montata in un contenitore precedentemente tagliato a metà. Per la fabbricazione del contenitore è meglio utilizzare materiali resistenti ai processi di corrosione. Dopo aver inserito la serpentina, le metà del serbatoio vengono saldate.

L'area della serpentina si calcola con la seguente formula:

MT/0,8 RT,

dove:

• MT – potenza termica prodotta dal sistema.
• 0,8 – coefficiente di conducibilità termica nell'interazione dell'acqua con il materiale della serpentina.
• RT – differenza di temperatura dell'acqua in ingresso e in uscita.

Quando si sceglie un tubo di rame per la realizzazione da sé della serpentina, bisogna prestare attenzione allo spessore delle pareti. Deve essere di almeno 1 mm. In caso contrario, durante l'avvolgimento il tubo si deformerà. Il tubo attraverso cui avviene l'ingresso del refrigerante viene posizionato nella parte superiore del contenitore.

Lo scambiatore di calore in tubo di rame viene realizzato avvolgendo il tubo di rame attorno a un oggetto di forma cilindrica. Maggiore è la superficie della serpentina, maggiore è la capacità della pompa.

L'evaporatore della pompa di calore può essere realizzato in due versioni – come serbatoio con serpentina al suo interno e come tubo in tubo. Poiché la temperatura del fluido nell'evaporatore è bassa, il serbatoio può essere realizzato in un fusto di plastica. In questo serbatoio viene inserito il circuito, che è realizzato in tubo di rame.

A differenza del condensatore, la spirale della serpentina dell'evaporatore deve corrispondere al diametro e all'altezza del serbatoio scelto. La seconda versione dell'evaporatore: tubo in tubo. In questa versione, il tubo con il refrigerante viene inserito in un tubo di plastica di diametro maggiore, in cui circola l'acqua.

La lunghezza di tale tubo dipende dalla potenza prevista della pompa. Può variare da 25 a 40 metri. Questo tubo viene arrotolato a spirale.

La valvola di espansione termostatica (VET) appartiene alla categoria delle valvole di intercettazione e regolazione per tubazioni. Come elemento di intercettazione nella VET viene utilizzato un ago. La posizione dell'elemento di intercettazione della valvola è determinata dalla temperatura nell'evaporatore.

Questo importante elemento del sistema ha una struttura piuttosto complessa. I suoi componenti sono:

• Termoelemento.
• Diaframma.
• Tubo capillare.
• Termobulbo.

Questi elementi possono deteriorarsi a temperature elevate. Pertanto, durante le operazioni di saldatura del sistema, la valvola deve essere isolata con un panno di amianto. La valvola di regolazione deve corrispondere alla capacità dell'evaporatore.

Dopo aver completato la fabbricazione delle parti strutturali principali, arriva il momento cruciale dell'assemblaggio dell'intera struttura in un unico blocco. La fase più critica è il processo di carica del refrigerante o del fluido termovettore nel sistema.

Eseguire autonomamente un'operazione del genere è difficilmente alla portata di un comune utente. Qui sarà necessario rivolgersi a professionisti che si occupano della riparazione e manutenzione delle apparecchiature climatiche.

I lavoratori di questo settore, di solito, dispongono dell'attrezzatura necessaria. Oltre al caricamento del refrigerante, possono testare il funzionamento del sistema. Il caricamento autonomo del refrigerante può portare non solo al danneggiamento della struttura, ma anche a gravi lesioni. Inoltre, per l'avvio del sistema è necessaria anche un'attrezzatura speciale.

All'avvio del sistema si verifica un carico di spunto di picco, che di solito è di circa 40 A. Pertanto, l'avvio del sistema senza un relè di avviamento è impossibile. Dopo il primo avvio, è necessaria la regolazione della valvola e della pressione del refrigerante.

La scelta del refrigerante va presa con la massima serietà. Infatti, questa sostanza è essenzialmente considerata il principale “vettore” di energia termica utile. Tra i moderni refrigeranti esistenti, i più popolari sono i freon. Sono derivati di composti idrocarburici in cui una parte degli atomi di carbonio viene sostituita con altri elementi.

Dall'assemblaggio dei singoli elementi della pompa di calore si ottiene un circuito chiuso, nel quale circola il fluido di lavoro.

Come risultato di questi lavori, si è ottenuto un sistema a circuito chiuso. In esso circolerà il refrigerante, garantendo il prelievo e il trasferimento dell'energia termica dall'evaporatore al condensatore. Quando si collegano le pompe di calore all'impianto di riscaldamento domestico, si deve tenere presente che la temperatura dell'acqua all'uscita del condensatore non supera i 50 – 60 gradi.

A causa della bassa temperatura dell'energia termica prodotta dalla pompa di calore, come utilizzatori di calore è necessario scegliere apparecchi di riscaldamento specializzati. Possono essere un pavimento radiante o radiatori voluminosi a bassa inerzia, in alluminio o acciaio, con una grande superficie radiante.

Le varianti autocostruite delle pompe di calore sono da considerare più opportunamente come apparecchiature ausiliarie, che supportano e completano il lavoro della fonte principale.

Di anno in anno, i progetti delle pompe di calore vengono migliorati. Nei modelli industriali destinati all'uso domestico, vengono impiegate superfici di trasferimento del calore più efficienti. Di conseguenza, la produttività dei sistemi è in costante aumento.

Un fattore non trascurabile che stimola lo sviluppo di questa tecnologia di produzione di energia termica è la componente ecologica. Tali sistemi, oltre ad essere abbastanza efficienti, non inquinano l'ambiente. L'assenza di fiamma libera rende il loro funzionamento assolutamente sicuro.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video #1. Come realizzare una pompa di calore autocostruita molto semplice con uno scambiatore di calore in tubo PEX:

Video #2. Continuazione dell'istruzione:

Le pompe di calore sono utilizzate da molto tempo come sistemi di riscaldamento alternativi. Questi sistemi sono affidabili, hanno una lunga durata e, cosa importante, sono innocui per l'ambiente. Vengono seriamente considerati come un ulteriore passo nello sviluppo di sistemi di riscaldamento efficienti e sicuri.

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