Sådan designer du en varmepumpe

Generelle indikationer på hvordan man designer en varmepumpe komplet med referencer til komplet og fungerende software. Til fremragende hjælp for dem, der skal træffe et valg af maskintype og dens korrekte dimensionering.

Design af en varmepumpe er en fascinerende proces, der kombinerer videnskabelig, ingeniørmæssig og praktisk viden for at skabe et højeffektivt system, der er i stand til at udnytte de termiske ressourcer i det omgivende miljø til at opvarme eller afkøle boliger. Denne guide skabt af Itiefe er designet til at give et komplet og dybdegående overblik over dette afgørende emne inden for termisk teknik og energieffektivitet.

Varmepumper repræsenterer en bæredygtig løsning til opvarmning og køling af bygninger, da de bruger en minimal mængde elektricitet til at overføre varme fra en kold kilde til en varm eller omvendt. Denne innovative tilgang reducerer ikke kun energiomkostningerne, men hjælper også med at mindske miljøpåvirkningen ved at reducere drivhusgasemissioner forbundet med traditionelle varme- og kølesystemer.

Formålet med guiden

Denne guide blev skabt af Itieffe for at være et referencepunkt for ingeniører, designere, studerende og industrientusiaster, der er interesseret i at forstå de grundlæggende og avancerede principper for varmepumpedesign til bunds.

Vi starter med en oversigt over de vigtigste funktioner og komponenter, der er nødvendige for dens drift.

At designe en varmepumpe er en tværfaglig proces, der kræver ekspertise inden for termodynamik, væskedynamik, elektroteknik og meget mere. Men med den rette viden og ordentlig vejledning er det muligt at tackle denne udfordring effektivt og bæredygtigt.

Jeg håber, at denne guide giver dig et solidt grundlag for at forstå og nærme dig varmepumpedesign med tillid og succes. God læsning og godt arbejde i varmepumpernes fascinerende og stadig mere relevante verden.

Hvordan en varmepumpe fungerer, og hvordan den skal dimensioneres

Vi vil gerne reflektere over teknologien: "Varmepumper" og bemærker, at endelig i Italien er alle teknikere begyndt at lave beregninger i W eller kW.

BTU'erne (britiske termiske enheder) er endelig forsvundet, og det er sådan det skal ses, at i vores system (SI) er beregningerne strengt taget i W (eller kW).

Hvad er en varmepumpe

Varmepumpen er en maskine, der består af et lukket kredsløb, inde i hvilket en kølemiddelgas cirkulerer, som er i stand til at trække varme fra et miljø for at overføre det til et andet. gennem den latente varme fra fordampning og kondensering og gennem kompressorens påvirkning (husk på, at der ikke er maskiner, der producerer kulde, men kun dem, der trækker varme fra).

Om sommeren trækker den varme inde fra rummet via fordamperen og overfører den til ydersiden via kondensatoren, hvilket medfører en sænkning af temperaturen.

Om vinteren er situationen omvendt, fordamperen bliver en kondensator og omvendt gennem en ventil (fire-vejs), der vil derfor være en subtraktion af varme udefra, som vil blive frigivet til miljøet, hvilket forårsager en temperaturstigning (se : Kølekredsløb - Det grundlæggende).

Ydelseskoefficient

Denne energioverførsel får varmepumpen til at gange den elektriske energi, der bruges af systemet, hvilket resulterer i en ydeevnekoefficient (COP - Coefficient of Performance) større end én.
Takket være dens høje COP er denne teknologi derfor den ideelle løsning, der er i stand til at forene omkostninger og energiforbrug og miljømæssig bæredygtighed. Hver kW, der absorberes af maskinen, leverer omkring 3,5 til miljøet (med COP lig med 3,5).

kompressor
kondensator
fordamper
ekspansionsventil (laminator)
firevejsventil

Firevejsventilen gør det muligt for fordamperen og kondensatoren at udveksle roller, således at kondensatoren om vinteren placeres inde i miljøet, hvilket giver den varmen, der tages udefra af fordamperen. Omvendt afgiver kondensatoren om sommeren varme til ydersiden, hvis fordamperen trækker varme fra omgivelserne.

Der er flere varianter af varmepumper, der adskiller sig fra hinanden i, hvordan væsker udveksles.

1 - Luft-vand varmepumper

Det er det mest almindelige for hjemmebrugere. Som energikilde bruges udeluft. Den varme, som fordamperen absorberer fra udeluften, overføres til vandet i varmekredsen.

Den optimale ydre temperatur for almindelig systemdrift bør ikke være under 2 ÷ 4 °C.

Under denne temperatur vil du bemærke variationer i maskinens ydeevne proportionalt med selve temperaturen. Jo lavere udetemperaturen er, jo mindre vil maskinen fungere acceptabelt.

varmepumpe
hydronisk sæt
varmtvandsbeholder til boligen
strålende gulv
radiatorer

Denne type maskine tilbydes af producenterne i forskellige konfigurationer.

På anlægsniveau findes monoblok- og split-modeller, der også kan leveres med integreret opbevaring. Den mest almindeligt anvendte maskinkonfiguration er den opdelte, da den er udstyret med et vandmodul, der kan installeres på væggen inde i hjemmet, gør det muligt at minimere den udvendige del.

Med hensyn til ydeevne er der standardmodeller, til barske klimaer og til højtemperaturvand.

2 - Vand-vand varmepumper

Vand bruges som energikilde. Den, der kommer fra brønde eller fra grundvand, kan bruges.

Vandet holder en stabil temperatur hele året (dets temperatur er altid langt over 4 ° C).

Dette indebærer opretholdelse af fremragende driftsydelse af maskinen i enhver sæson.

vandførende lag (eller brønd)
varmepumpe

3 - Jordvarmepumper

Et andet varmevekslingssystem er de geotermiske sonder. Jorden har sin egen varme selv om vinteren.

Ved hjælp af geotermiske sonder placeret i dybden er det muligt at opfange denne varme og derefter overføre den til vandet i varmekredsen (naturligvis gennem varmepumpen).

strålende gulv
opbevaringstank
varmepumpe
geotermisk sonde

Hvilken bil man skal vælge

For at vælge den bedst egnede maskine til dine behov skal følgende vurderinger tages i betragtning: type, konfiguration, størrelse og installation.

1 - Typologi

Valget af den type maskine, der passer bedst til dine behov, afhænger i højere grad af den temperatur, den skal arbejde ved, det vil sige den leveringstemperatur, der kræves af varmekredssystemets terminaler.

Der er maskiner, der arbejder ved lave eller høje temperaturer på markedet. Udvælgelsen kan foretages på grundlag af følgende skema:

1 - Radiator 2 - Blæserkonvektor 3 - Radiant system

Driftstemperatur 65 ° C Driftstemperatur 50 ° C Driftstemperatur 35 ° C

Højtemperaturmaskine Standardmaskine eller kolde klimaer Standardmaskine eller kolde klimaer

Høj temperatur maskiner

Kan bruges til at udskifte kedlen i boliger udstyret med radiatorer med en driftstemperatur på omkring 65°C. De gør det muligt at holde distributionen og systemterminalerne uændrede. Disse maskiner er i stand til at producere varmt vand op til 65 ° C. Den opnåede COP er ret høj. De kommer til at fungere med ydre lufttemperaturer ned til -15°C.

Standard maskiner

Kan bruges i nye installationer og til boliger med lavt energiforbrug. De er i stand til at producere varmt vand op til 55 ° C og når høje COP-værdier.
Selvom de er i stand til at producere varme med ydre lufttemperaturer ned til -20 °C, skal ydeevnen kontrolleres ved stive designtemperaturer, da disse maskiner under 2 °C lider af et betydeligt fald i ydeevnen af den faktisk leverede effekt.

Koldt klima maskiner

Kan bruges i meget kolde omgivelser. De er den ideelle mulighed for at sikre, at varmekapaciteten opretholdes selv ved meget lave temperaturer.
Disse maskiner er i stand til at producere varme med udelufttemperaturer helt ned til -28 °C.

Med en ekstern temperatur på -20 ° C holder de den faktisk leverede effekt konstant uden behov for en ekstra elektrisk overhedning.

2 - Konfiguration

For at tilfredsstille alle anlægstekniske og installationsbehov produceres varmepumperne med forskellige konfigurationer: monoblok, split og tårn også kaldet "Alt i én".

- Monoblok:

det er den enkleste og mindst invasive at installere. Det er en enkelt enhed, der skal installeres uden for huset, det kræver ikke oprettelse af forbindelser i gaskredsløbet, som derfor ankommer allerede komplet og testet af producenten, hvilket letter installationen.
En ulempe at overveje er, at det er nødvendigt at foretage tilslutningerne af leverings- og returledningerne til det varme vand uden for huset. I vintersæsonen skal der træffes forholdsregler for at undgå dannelse af is, når maskinen er ude af drift.

Der kunne også bruges varmekabler, som dog faktisk reducerer maskinens ydeevne, da de tæller sammen med boligens elforbrug.

- Split:

det er den mest udbredte blandt de tilgængelige. Udstyret med en kompressor, der skal installeres udenfor hjemmet og et hydromodul, der skal installeres inde.
Det interne hydromodul indeholder kondensationsdelen af kølemidlet og leveringen af det varme vand, derfor genererer det ingen støj, da det er uden kompressor.
Dimensionerne er også reduceret, hvilket muliggør installation i de rum, der tidligere var optaget af kedlen. I dette tilfælde skal installatøren dog foretage flow- og returforbindelserne af kølekredsløbet mellem indendørs- og udendørsenhederne.

A - kondenseringsenhed til varmepumpe

B - vandmodul

1 ÷ 2 - kølemiddelgas flow - returrør

3 - system og bruger varmtvandsledning (vinter)

4 - system og bruger varmtvandsreturrør (vinter)

For at fuldende de to systemer er der komplette løsninger på markedet: kondenseringsenhed, hydromodul, termisk svinghjul (se hvordan man beregner en buffertank) og varmtvandsbeholder (DHW).

Denne løsning indebærer en betydelig besparelse i implementeringstider og en lav mulighed for at lave installationsfejl.

3 - Størrelse

Hvilken størrelse skal maskinen have

Beregning af den nominelle varmeydelse

Varmepumpen skal genintegrere den termiske energi, der spredes af komplekset, for at holde den indre temperatur konstant.

Nedenfor er angivet tre metoder, som kan være en hjælp til at beregne den bedst egnede maskinstørrelse til ens behov, selv af dem, der ikke rigtig er i sektoren.

1 - Første metode

Det er nødvendigt at have præcise data for at foretage beregningen.

Det starter med det årlige termiske energibehov til vinterklimaanlæg.

ETH - Årligt termisk energibehov for vinterklimaanlæg: den termiske energi, der kræves, i fyringssæsonen, til vinterklimaanlæg. Tilgængelig i Energy Performance Certificate (APE).

S - Brugbar overflade: Netto-gangbare overflade af de opvarmede rum i bygningsnettet af skillevægge og ydervægge, inklusive tærsklerne for dørene og rummene under systemterminalerne. Tilgængelig i huset projektdata.
gg - Grader dag: summen af kun de positive forskelle mellem den interne temperatur, der konventionelt er indstillet til 20 ° C sammenlignet med den eksterne, i en vinteropvarmningsperiode, der er etableret på basis af selve lokalitetens klimatiske zone. Tilgængelig i bilag A til præsidentielt dekret 412/93 og efterfølgende revisioner (se Klimazoner e Vejledende landedata).
T_{ØST -} Designet ekstern temperatur (T₂): den mindste ydre temperatur, ved hvilken varmegeneratoren leverer den termiske energi, dog tilstrækkelig til at garantere, at den indre temperatur forbliver stationær. Dataene er tilgængelige ved at konsultere UNI 5364 standarden og efterfølgende revisioner eller UNI 10339 standarden (se Eksterne projekttemperaturer).
h - Daglige driftstimer: de maksimale daglige driftstimer for opvarmningen (se Klimatiske zoner).

Efter at have opnået disse data er det muligt at beregne maskinens nominelle varmeydelse ved hjælp af følgende formel:

Hvor:

P_tn = Maskinens nominelle varmeydelse i kW

ETH = Årligt termisk energibehov for vinterklimaanlæg

S = Brugsflade i m²

T₁ = Indvendig temperatur i °C

T₂ = Udetemperatur i °C

gg = Grader dag

h = Driftstimer pr. dag.

Lad os tage et eksempel

Land = Rom (klimazone D)
Graddag = 1415
Designet ekstern temperatur = 0 ° C
Nytteflade = 90 m²
ETH = 75
h = 12

Anvendelse af formlen:

Derfor er maskinens nominelle nytteeffekt lig med 7,95 kW

Lad os tage et andet eksempel:

Land = Milano (klimazone E)
Graddag = 2404
Designet ekstern temperatur = -5 ° C
Nytteflade = 90 m²
ETH = 75
h = 16

Anvendelse af formlen:

Selvom det kan virke mærkeligt for nogle, ved at analysere dataene, bemærkes det, at den termiske effekt, som varmepumpen skal bruge for at opretholde optimale temperaturværdier for den samme type miljøer i to byer med forskellige temperaturer, i Rom er lig med 7,95 , 4,39 kW, mens det i Milano er lig med XNUMX kW.

At se: "Dimensionering af varmepumpe - metode"

2 - Anden metode

Det er muligt at beregne det årlige termiske energibehov for vinterklimaanlæg (ETH) under hensyntagen til de forbrugsdata, der er angivet i gasregningen.

For at udføre denne operation skal gasforbruget være tilgængeligt i mindst de sidste 4 på hinanden følgende år for at opnå et pålideligt gennemsnitsforbrug.

Følgende formel kan anvendes:

Hvor:

ETH = Årligt termisk energibehov for vinterklimaanlæg

C = gasforbrug udtrykt i sm³ (standard kubikmeter)

Q = effekt opnået pr. sm³ (standard kubikmeter) gas (9,6 kWh for metan og 24,5 kWh for LPG).

bemærk: LPG købes normalt i liter. Den har en lavere brændværdi på 12.790 W/kg - 6.500 W/liter og 24.500 W/cm³

η = kedeleffektivitet (0,82 åbent kammer - 0,86 forseglet kammer - 0,97 kondensation).

N = er antallet af brugere til brugsvandsforbrug

500 = årligt energiforbrug pr. indbygger til produktion af varmt brugsvand (brugsvand) udtrykt i kWh

S = nyttig overflade: netto gåbar overflade af bygningens opvarmede rum.

Lad os tage et eksempel

C = 833 sm³

Q = 10,5 kW/t

h = 0,97

N = 4 personer

DHW = forbrug 500 kW/t

S = 90m²

Anvendelse af formlen:

Med ETH-værdien beregnet på denne måde er det muligt, ved hjælp af den foregående metode, at gå tilbage til den nominelle varmeydelse (P._tn) af maskinen udtrykt i kW.

At se: "Dimensionering af varmepumpe - metode"

3 - Tredje metode

Metode, der tager hensyn til de miljømæssige faktorer og giver som svar det nødvendige varmebehov for hvert enkelt miljø.

Dyrere end de tidligere metoder, men efter vores ydmyge mening den mest pålidelige og som yderst angiver varmebehovet fordelt på hvert enkelt rum.

Tiderne for opvarmning af et rum forkortes, den indstillede hastighed nås først, men det medfører naturligvis en større belastning.

Den ønskede værdi skal indtastes i hver enkelt celle. Det er nødvendigt at indtaste de faktiske dimensioner i bredden, længden og højden af hvert enkelt rum, kardinaleksponeringen, konstruktionstypen, den ydre temperatur. Resultaterne kan rekvireres i de angivne måleenheder.

Ved at indtaste COP (Coefficient Of Performance) er det også muligt at spore elforbruget i kW.

COP er en ydeevnekoefficient og angiver maskinens kvalitet. Jo højere dens værdi, jo mere vil maskinen levere høj ydeevne. Med andre ord, hvis COP er lig med 3.5, for hver kW energi absorberet af maskinen, vil den forsyne miljøet med termisk energi svarende til 3,5 kW, hvoraf 1 kW forbrugt elektricitet og 2,5 kW trukket fra det eksterne miljø.

Energieffektivitetsklasserne i henhold til varmepumper er angivet i det europæiske direktiv 2002/31 / EC.

At se: "Dimensionering af varmepumpe - lommeregner"

3 - Installation

Brugsvandsproduktion

Standard og koldt klima varmepumper er designet til at fungere med kølemidler som R410 eller R32 (se "Kølemiddeltemperaturforhold") for dem af den seneste generation. De er i stand til at producere varmt vand op til 55 ° C og kan også bruges til produktion af varmt brugsvand. På grund af temperaturen under 60 ° C er de ikke i stand til at udføre de termiske desinfektionscyklusser, der er nødvendige for at undgå mulig dannelse af bakteriekolonier (legionella).

Det er tilrådeligt kun at bruge dem til opvarmning og/eller køling (i tilfælde af en vendbar maskine), hvorved produktionen af varmt vand overlades til en mere specifik selvstændig enhed, for eksempel en varmepumpe vandvarmer, som takket være brugen af R134a kølemidlet er i stand til at udføre desinfektionscyklusserne.

Hvis du derimod har en maskine til fremstilling af højtemperaturvand, der arbejder med R407C kølemiddel (eller med en specifik maskine til opvarmning og brugsvandsproduktion ved hjælp af et andet kompressionstrin med R134a), så er det muligt og bekvemt at opretholde al varmeproduktionen inden for samme enhed.

Termisk svinghjulakkumulering

Selvom varmepumpen er en modulerende maskine, er det altid tilrådeligt at indsætte en termisk belastningskompensationstank (buffertank eller termisk svinghjul) i kredsløbet af følgende årsager:

sikrer optimale driftsforhold for varmepumpen ved at optimere kompressorens stop-start (on-off) cyklusser med deraf følgende sænkning af forbruget.

muliggør forbindelse mellem forskellige varmekredse.
det muliggør hydraulisk afkobling mellem varmepumpen og systemet, så de to kredsløb kan fungere med den bedst egnede flowhastighed og temperaturforskel. Varmepumper arbejder normalt med DT = 5 °C, mens distributionskredsløbet, afhængigt af de tilstedeværende systemklemmer, kan arbejde med DT endnu højere.

Hvis maskinen er udstyret med en scroll-kompressor (tænd-sluk), er inertiopbevaring obligatorisk. Den typiske størrelse af lagervolumen kan fås direkte fra "Beregning af buffertank”Og er minimum 5.5 liter pr. kW varmeydelse, som maskinen kan levere.

Ekspansionsbeholder

Ekspansionsbeholderen er en "lunge", der er forbundet med vandsystemet; tjener til at modstå volumenvariation forårsaget af opvarmning/afkøling af vandet inde i systemet (se "Masse og vandmængde". Dette eliminerer ubehagelige problemer på grund af pludselige trykstigninger såsom: åbning af sikkerhedsventilerne eller brud på samlinger og fordelerrør.

For at dimensionere en ekspansionsbeholder, se programmet: "Beregning af ekspansionsbeholdervolumen".

For at finde ud af, hvor mange liter vand der cirkulerer inde i systemet, se programmet: "Beregning af systemets vandvolumen".

Strømforsyning

For den elektriske del af systemet, til at designe elledningerne, kan du bruge programmet: Elektrisk kabeldimensionering - lommeregner.

For at beslutte, om du vil anvende et enfaset eller trefaset system, henvises til følgende program: Beregning af motoreffekter og strømme

Andre gratis programmer af samme art tilbydes af itieffe ▼

◄ Tilbage