Wie konstruiert man eine Wärmepumpe?

Allgemeine Hinweise zur Auslegung einer Wärmepumpe mit Hinweisen zur vollständigen und funktionsfähigen Software. Eine hervorragende Hilfe für diejenigen, die sich für den Maschinentyp und die richtige Größe entscheiden müssen.

Die Entwicklung einer Wärmepumpe ist ein faszinierender Prozess, der wissenschaftliche, technische und praktische Erkenntnisse kombiniert, um ein hocheffizientes System zu schaffen, das in der Lage ist, die Wärmeressourcen der Umgebung zum Heizen oder Kühlen von Wohnräumen zu nutzen. Dieser von Itieffe erstellte Leitfaden bietet einen vollständigen und detaillierten Überblick über dieses wichtige Thema im Bereich Wärmetechnik und Energieeffizienz.

Wärmepumpen stellen eine nachhaltige Lösung zum Heizen und Kühlen von Gebäuden dar, da sie eine minimale Menge Strom verbrauchen, um Wärme von einer kalten zu einer heißen Quelle oder umgekehrt zu übertragen. Dieser innovative Ansatz senkt nicht nur die Energiekosten, sondern trägt auch dazu bei, die Umweltbelastung zu verringern, indem er die Treibhausgasemissionen herkömmlicher Heiz- und Kühlsysteme reduziert.

Zweck des Leitfadens

Dieser Leitfaden wurde von Itieffe als Referenz für Ingenieure, Designer, Studenten und Industriebegeisterte erstellt, die daran interessiert sind, die grundlegenden und fortgeschrittenen Prinzipien des Wärmepumpendesigns eingehend zu verstehen.

Wir beginnen mit einem Überblick über die wichtigsten Funktionen und Komponenten, die für den Betrieb erforderlich sind.

Der Entwurf einer Wärmepumpe ist ein multidisziplinärer Prozess, der Fachkenntnisse in Thermodynamik, Fluiddynamik, Elektrotechnik und mehr erfordert. Mit dem richtigen Wissen und der richtigen Anleitung ist es jedoch möglich, diese Herausforderung effektiv und nachhaltig zu bewältigen.

Ich hoffe, dass dieser Leitfaden Ihnen eine solide Grundlage bietet, um das Wärmepumpendesign zu verstehen und mit Zuversicht und Erfolg anzugehen. Viel Spaß beim Lesen und gute Arbeit in der faszinierenden und immer relevanter werdenden Welt der Wärmepumpen.

Wie eine Wärmepumpe funktioniert und wie man sie dimensioniert

Um über die Technologie nachzudenken: "Wärmepumpen", stellen wir fest, dass in Italien endlich alle Techniker begonnen haben, Berechnungen in W oder kW durchzuführen.

Die BTUs (britische thermische Einheiten) sind endgültig verschwunden und so muss man sehen, dass in unserem System (SI) die Berechnungen ausschließlich in W (oder kW) erfolgen.

Was ist eine Wärmepumpe?

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die aus einem geschlossenen Kreislauf besteht, in dem ein Kältemittelgas zirkuliert, das in der Lage ist, Wärme von einer Umgebung abzuziehen, um sie an eine andere zu übertragen. durch die latente Verdampfungs- und Kondensationswärme und durch die Wirkung des Kompressors (beachten Sie, dass es keine Maschinen gibt, die Kälte erzeugen, sondern nur solche, die Wärme entziehen).

Im Sommer entzieht es dem Rauminneren über den Verdampfer Wärme und gibt sie über den Kondensator nach außen ab, was zu einer Absenkung der Temperatur führt.

Im Winter ist die Situation umgekehrt, der Verdampfer wird durch ein Ventil (Vierwegeventil) zum Kondensator und umgekehrt, es wird also Wärme von außen entzogen, die an die Umgebung abgegeben wird, was zu einem Temperaturanstieg führt (vgl : Kältekreislauf - Die Grundlagen).

 Leistungskoeffizient

Diese Energieübertragung bewirkt, dass die Wärmepumpe die vom System verbrauchte elektrische Energie vervielfacht, was zu einer Leistungszahl (COP – Coefficient of Performance) größer als eins führt.
Dank ihres hohen COP ist diese Technologie daher die ideale Lösung, um Kosten und Energieverbrauch und Umweltverträglichkeit in Einklang zu bringen. Jedes von der Maschine aufgenommene kW liefert etwa 3,5 kW an die Umwelt (bei einem COP von 3,5).

 

  1. compressore
  2. Kondensator
  3. Verdampfer
  4. Expansionsventil (Laminator)
  5. Vierwegeventil

Das Vierwegeventil ermöglicht es dem Verdampfer und dem Kondensator, die Rollen zu tauschen, sodass der Kondensator im Winter in der Umgebung platziert wird und ihm die vom Verdampfer von außen aufgenommene Wärme gibt. Umgekehrt gibt der Kondensator im Sommer Wärme nach außen ab, wenn der Verdampfer der Umgebung Wärme aus dem Inneren entzieht.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmepumpen, die sich darin unterscheiden, wie Flüssigkeiten ausgetauscht werden.

1 - Luft-Wasser-Wärmepumpen

Es ist am häufigsten für Privatanwender. Als Energiequelle wird Außenluft genutzt. Die vom Verdampfer aus der Außenluft aufgenommene Wärme wird an das Wasser im Heizkreislauf abgegeben.

Die optimale Außentemperatur für den regulären Systembetrieb sollte nicht unter 2 ÷ 4 ° C liegen.

Unterhalb dieser Temperatur werden Sie Schwankungen in der Leistung der Maschine proportional zur Temperatur selbst bemerken. Je niedriger die Außentemperatur ist, desto weniger Leistung bringt die Maschine.

  1. Wärmepumpe
  2. Hydronik-Kit
  3. Warmwasserspeicher
  4. strahlender Boden
  5. Heizkörper

Dieser Maschinentyp wird von den Herstellern in verschiedenen Konfigurationen angeboten.

Auf Werksebene gibt es Monoblock- und Split-Modelle, die auch mit integriertem Speicher geliefert werden können. Die am häufigsten verwendete Maschinenkonfiguration ist die Split-Konfiguration, da sie mit einem Hydronikmodul ausgestattet ist, das an der Wand im Haus installiert werden kann, um den externen Teil zu minimieren.

 In Bezug auf die Leistung gibt es Standardmodelle für raues Klima und für Wasser mit hoher Temperatur.

2 - Wasser-Wasser-Wärmepumpen

Wasser wird als Energiequelle genutzt. Verwendet werden kann das aus Brunnen oder aus dem Grundwasser stammende.

Das Wasser hat das ganze Jahr über eine stabile Temperatur (seine Temperatur liegt immer weit über 4 ° C).

Dies beinhaltet die Aufrechterhaltung einer hervorragenden Betriebsleistung der Maschine zu jeder Jahreszeit.

  1. Grundwasserleiter (oder gut)
  2. Wärmepumpe

3 - Erdwärmepumpen

Ein weiteres Wärmeaustauschsystem sind die Erdwärmesonden. Der Boden hat auch im Winter seine eigene Wärme.

Mittels Erdwärmesonden in der Tiefe ist es möglich, diese Wärme einzufangen und dann an das Wasser des Heizkreislaufs (natürlich durch die Wärmepumpe) abzugeben.

  1. strahlender Boden
  2. Lagertank
  3. Wärmepumpe
  4. Erdwärmesonde

Welches Auto wählen

Um die für Ihre Bedürfnisse am besten geeignete Maschine auszuwählen, müssen folgende Bewertungen berücksichtigt werden: Typ, Konfiguration, Größe und Installation.

1 - Typologie

Die Wahl des Maschinentyps, der Ihren Anforderungen am besten entspricht, hängt eher von der Temperatur ab, bei der sie betrieben werden muss, dh von der von den Anschlüssen des Heizkreissystems geforderten Vorlauftemperatur.

Es gibt Maschinen auf dem Markt, die bei niedrigen oder hohen Temperaturen arbeiten. Die Auswahl kann nach folgendem Schema erfolgen:

           1 - Heizkörper 2 - Gebläsekonvektor 3 - Strahlungssystem

Betriebstemperatur 65°C Betriebstemperatur 50°C Betriebstemperatur 35°C

Hochtemperaturmaschine Standardmaschine oder kaltes Klima Standardmaschine oder kaltes Klima

Hochtemperaturmaschinen

Kann anstelle des Boilers in Wohnungen verwendet werden, die mit Heizkörpern mit einer Betriebstemperatur von etwa 65 ° C ausgestattet sind. Sie ermöglichen es, die Verteilung und die Systemterminals unverändert zu lassen. Diese Maschinen können bis zu 65 °C heißes Wasser erzeugen. Der erreichte COP ist recht hoch. Sie kommen bei Außenlufttemperaturen bis -15 °C zum Einsatz.

Standardmaschinen

Kann in neuen Installationen und für Häuser mit niedrigem Energieverbrauch verwendet werden. Sie sind in der Lage, bis zu 55 °C heißes Wasser zu erzeugen und dabei hohe COP-Werte zu erreichen.
Obwohl sie bei Außenlufttemperaturen bis -20 °C Wärme erzeugen können, muss bei starren Auslegungstemperaturen die Leistung überprüft werden, da diese Maschinen unterhalb von 2 °C einen deutlichen Leistungsabfall der tatsächlich abgegebenen Leistung erleiden.

Maschinen für kaltes Klima

Kann in sehr kalten Umgebungen verwendet werden. Sie sind die ideale Option, um sicherzustellen, dass die Heizleistung auch bei sehr niedrigen Temperaturen erhalten bleibt.
Diese Maschinen sind in der Lage, Wärme bei Außenlufttemperaturen von bis zu -28 ° C zu erzeugen.

Bei einer Außentemperatur von -20 °C halten sie die tatsächlich abgegebene Leistung ohne zusätzlichen elektrischen Überhitzer konstant.

2 - Konfiguration

Um allen Anlagentechnik- und Installationsanforderungen gerecht zu werden, werden die Wärmepumpen in verschiedenen Konfigurationen hergestellt: Monobloc, Split und Tower, auch „All in One“ genannt.

- Monoblock: 

Es ist am einfachsten und am wenigsten invasiv zu installieren. Es handelt sich um eine einzelne Einheit, die außerhalb des Hauses installiert werden muss, es müssen keine Anschlüsse im Gaskreislauf hergestellt werden, die daher bereits vollständig und vom Hersteller getestet ankommen, was die Installation erleichtert.
Ein zu berücksichtigender Nachteil besteht darin, dass die Anschlüsse der Vorlauf- und Rücklaufleitungen des Warmwassers außerhalb des Hauses hergestellt werden müssen. In der Wintersaison müssen Vorkehrungen getroffen werden, um die Bildung von Eis zu vermeiden, wenn die Maschine nicht in Betrieb ist.

Es könnten auch Heizkabel verwendet werden, die jedoch die Leistung der Maschine verringern, da sie sich zum Stromverbrauch des Haushalts addieren.

Monoblock

- Teilt: 

es ist das am weitesten verbreitete unter den verfügbaren. Ausgestattet mit einem außerhalb des Hauses zu installierenden Kompressor und einem innen zu installierenden Hydronikmodul.
Das interne Hydronikmodul enthält den Kondensationsteil des Kältemittels und die Warmwasserbereitung, daher erzeugt es keine Geräusche, da es ohne Kompressor ist.
Die Abmessungen sind ebenfalls reduziert, was die Installation in Räumen ermöglicht, die zuvor vom Kessel eingenommen wurden. In diesem Fall muss der Installateur jedoch die Vor- und Rücklaufverbindungen des Kältekreislaufs zwischen Innen- und Außengerät herstellen.

Split

A - Brennwerteinheit für Wärmepumpe

B - Hydronikmodul

1 ÷ 2 - Kältemittelgasfluss - Rücklaufleitung

3 - System- und Benutzer-Warmwasser-Zulaufleitung (Winter)

4 - System- und Benutzer-Warmwasser-Rücklaufleitung (Winter)

Um die beiden Systeme zu vervollständigen, gibt es auf dem Markt Komplettlösungen für alles: Verflüssigereinheit, Hydronikmodul, thermisches Schwungrad (siehe Berechnung von a Puffertank) und Warmwasserspeicher (Warmwasser).

Diese Lösung bringt eine beträchtliche Zeitersparnis bei der Implementierung und eine geringe Wahrscheinlichkeit von Installationsfehlern mit sich.

3 - Größe

Welche Größe soll die Maschine haben

 Berechnung der Nennwärmeleistung

Die Wärmepumpe muss die vom Komplex abgegebene Wärmeenergie wieder integrieren, um die Innentemperatur konstant zu halten.

Nachfolgend werden drei Methoden aufgezeigt, die bei der Berechnung der am besten geeigneten Maschinengröße für die eigenen Bedürfnisse hilfreich sein können, auch für diejenigen, die nicht wirklich in der Branche tätig sind.

1 - Erste Methode

Für die Berechnung sind genaue Daten erforderlich.

Es beginnt mit dem jährlichen Heizenergiebedarf für die winterliche Klimatisierung.

  • ETH - Jährlicher thermischer Energiebedarf Winterklimatisierung: benötigte thermische Energie während der Heizperiode für die Winterklimatisierung. Verfügbar im Energieausweis (APE).
  • S - Nutzfläche: die begehbare Nettofläche der beheizten Räume des Gebäudes abzüglich der Trennwände und Außenwände, einschließlich der Schwellen der Türen und der Räume unterhalb der Systemanschlüsse. Verfügbar in den Hausprojektdaten.
  • gg - Grad Tag: die Summe nur der positiven Unterschiede zwischen der konventionell auf 20 ° C eingestellten Innentemperatur und der Außentemperatur während einer Winterheizperiode, die auf der Grundlage der Klimazone des Standorts selbst festgelegt wurde. Verfügbar in Anhang A des Präsidialerlasses 412/93 und nachfolgender Überarbeitungen (siehe Klimazonen z  Indikative Länderdaten).
  • TEUROPÄISCHE SOMMERZEIT - Auslegungsaußentemperatur (T2): die minimale Außentemperatur, bei der der Wärmeerzeuger die thermische Energie liefert, jedoch ausreichend ist, um zu gewährleisten, dass die Innentemperatur konstant bleibt. Die Daten sind verfügbar, indem die Norm UNI 5364 und nachfolgende Überarbeitungen oder die Norm UNI 10339 konsultiert werden (siehe Externe Projekttemperaturen).
  • h - Tägliche Betriebsstunden: die maximalen täglichen Betriebsstunden der Heizung (vgl Klimazonen).

Anhand dieser Daten kann die Nennwärmeleistung der Maschine nach folgender Formel berechnet werden:

Wo:

Ptn = Nennwärmeleistung der Maschine in kW

ETH = Jährlicher thermischer Energiebedarf für Winterklimatisierung

S = Nutzfläche in m2

T1 = Innentemperatur in °C

T2 = Außentemperatur in °C

gg = Gradtag

h = Betriebsstunden pro Tag.

Nehmen wir ein Beispiel

  • Land = Rom (Klimazone D)
  • Gradtag = 1415
  • Auslegungsaußentemperatur = 0 °C
  • Nutzfläche = 90 m2
  • ETH = 75
  • h = 12

Anwendung der Formel:

Daher beträgt die Nennnutzleistung der Maschine 7,95 kW

Nehmen wir ein anderes Beispiel:

  • Land = Mailand (Klimazone E)
  • Gradtag = 2404
  • Auslegungsaußentemperatur = -5°C
  • Nutzfläche = 90 m2
  • ETH = 75
  • h = 16

Anwendung der Formel:

Obwohl es einigen seltsam erscheinen mag, wird bei der Analyse der Daten festgestellt, dass die Wärmeleistung, die die Wärmepumpe verwenden muss, um optimale Temperaturwerte für dieselbe Art von Umgebungen in zwei Städten mit unterschiedlichen Temperaturen aufrechtzuerhalten, in Rom gleich ist 7,95 kW, in Mailand sind es 4,39 kW.

Um zu sehen: "Dimensionierung der Wärmepumpe - Methode"

2 - Zweite Methode

Unter Berücksichtigung der in der Gasrechnung ausgewiesenen Verbrauchsdaten kann der jährliche Heizenergiebedarf für die Winterklimatisierung (ETH) berechnet werden.

Um diesen Vorgang durchzuführen, muss der Gasverbrauch mindestens für die letzten 4 aufeinanderfolgenden Jahre verfügbar sein, um einen zuverlässigen Durchschnittsverbrauch zu erhalten.

Folgende Formel kann angewendet werden:

Wo:

ETH = Jährlicher thermischer Energiebedarf für Winterklimatisierung

C = Gasverbrauch ausgedrückt in sm3 (Normkubikmeter)

Q = pro sm erhaltene Leistung3 (Normkubikmeter) Gas (9,6 kWh für Methan und 24,5 kWh für Flüssiggas).

  • Hinweis: LPG wird normalerweise in Litern gekauft. Es hat einen unteren Heizwert von 12.790 W/kg – 6.500 W/Liter und 24.500 W/sm3

η = Kesseleffizienz (0,82 offene Kammer – 0,86 geschlossene Kammer – 0,97 Kondensation).

N = ist die Anzahl der Benutzer für den Warmwasserverbrauch

500 = jährlicher Pro-Kopf-Energieverbrauch für die Warmwasserbereitung (Warmwasser) ausgedrückt in kWh

S = Nutzfläche: begehbare Nettofläche der beheizten Räume des Gebäudes.

Nehmen wir ein Beispiel

C = 833 cm3

Q = 10,5 kW / h

h = 0,97

N = 4 Personen

Warmwasser = Verbrauch 500 kW / h

S = 90 m2

Anwendung der Formel:

Mit dem so errechneten ETH-Wert kann nach der bisherigen Methode wieder auf die Nennwärmeleistung (P.tn) der Maschine, ausgedrückt in kW.

Um zu sehen: "Dimensionierung der Wärmepumpe - Methode"

3 - Dritte Methode

Methode, die die Umgebungsfaktoren berücksichtigt und als Antwort die für jede einzelne Umgebung erforderlichen thermischen Anforderungen liefert.

Teurer als die vorherigen Methoden, aber unserer bescheidenen Meinung nach die zuverlässigste und die den Wärmebedarf, der für jede einzelne Umgebung aufgeteilt ist, extrem anzeigt.

Die Zeiten zum Aufheizen eines Raumes werden verkürzt, die eingestellte Drehzahl wird zuerst erreicht, was aber natürlich mit einer höheren Belastung verbunden ist. 

Der angeforderte Wert muss in jede einzelne Zelle eingetragen werden. Erforderlich sind die tatsächlichen Abmessungen in Breite, Länge und Höhe jedes einzelnen Raumes, die Himmelsrichtung, die Bauweise, die Außentemperatur. Die Ergebnisse können in den angegebenen Einheiten angefordert werden.

Durch die Eingabe des COP (Coefficient Of Performance) lässt sich zudem der Stromverbrauch in kW nachvollziehen.

Der COP ist eine Leistungszahl und gibt die Qualität der Maschine an. Je höher sein Wert ist, desto mehr wird die Maschine eine hohe Leistung erbringen. Mit anderen Worten, wenn der COP gleich 3.5 ist, liefert die Maschine für jedes kW Energie, das von der Maschine absorbiert wird, der Umgebung Wärmeenergie in Höhe von 3,5 kW, von denen 1 kW Strom verbraucht und 2,5 kW aus der externen Umgebung entnommen werden.

Die Energieeffizienzklassen nach Wärmepumpen sind in der europäischen Richtlinie 2002/31/EG angegeben.

Um zu sehen: "Wärmepumpendimensionierung - Rechner"

 3 - Installation

 ACS-Produktion

Standard- und Kaltklima-Wärmepumpen sind für den Betrieb mit Kältemitteln wie R410 oder R32 ausgelegt (siehe „Kältemitteltemperatur-Druckverhältnis") für die der neuesten Generation. Sie sind in der Lage, Warmwasser bis zu 55 °C zu erzeugen und können auch für die Warmwasserbereitung im Haushalt verwendet werden. Aufgrund der Temperatur unter 60 ° C sind sie nicht in der Lage, die notwendigen thermischen Desinfektionszyklen durchzuführen, um die mögliche Bildung von Bakterienkolonien (Legionellen) zu vermeiden.

Es ist ratsam, sie nur zum Heizen und / oder Kühlen (im Falle einer umkehrbaren Maschine) zu verwenden und die Warmwasserbereitung einer spezifischeren unabhängigen Einheit zu überlassen, beispielsweise einem Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe, der dank der Verwendung von R134a Kältemittel in der Lage ist, die Desinfektionszyklen durchzuführen.

Wenn Sie dagegen eine Maschine zur Erzeugung von Wasser mit hoher Temperatur haben, die mit dem Kältemittel R407C betrieben wird (oder eine spezielle Maschine zur Heizung und Warmwasserbereitung mittels einer zweiten Kompressionsstufe mit R134a), dann ist dies möglich und bequem um die gesamte Wärmeerzeugung innerhalb derselben Einheit aufrechtzuerhalten.

Thermische Schwungradspeicherung

Auch wenn es sich bei der Wärmepumpe um eine modulierende Maschine handelt, ist es aus folgenden Gründen immer ratsam, einen thermischen Lastausgleichsspeicher (Pufferspeicher oder thermisches Schwungrad) in den Kreislauf einzufügen:

  • gewährleistet optimale Betriebsbedingungen der Wärmepumpe durch Optimierung der Stopp-Start-Zyklen (Ein-Aus) des Kompressors mit konsequenter Senkung des Verbrauchs.
  • ermöglicht die Verbindung zwischen verschiedenen Heizkreisen.
  • Es ermöglicht die hydraulische Entkopplung zwischen der Wärmepumpe und dem System, sodass die beiden Kreisläufe mit der am besten geeigneten Durchflussrate und Temperaturdifferenz betrieben werden können. Wärmepumpen arbeiten normalerweise mit DT = 5 ° C, während der Verteilerkreis je nach vorhandenen Systemanschlüssen mit DT sogar noch höher arbeiten könnte.

Wenn die Maschine mit einem Scroll-Kompressor (ein - aus) ausgestattet ist, ist der Trägheitsspeicher obligatorisch. Die typische Dimensionierung des Speichervolumens entnehmen Sie bitte direkt dem "Trägheitstankberechnung„Und das sind mindestens 5.5 Liter pro kW Heizleistung, die die Maschine liefern kann.

 Ausdehnungsgefäß

Das Ausdehnungsgefäß ist eine „Lunge“, die mit dem Wassersystem verbunden ist; dient dazu, Volumenschwankungen standzuhalten, die durch Erwärmung/Abkühlung des Wassers im System verursacht werden (siehe „Masse und Volumen des Wassers". Unangenehme Probleme durch plötzliche Druckerhöhungen wie: Öffnen der Sicherheitsventile oder Brechen von Muffen und Verteilerrohren werden dadurch eliminiert.

Zur Dimensionierung eines Ausdehnungsgefäßes siehe Programm: "Berechnung des Ausdehnungsgefäßvolumens".

Um herauszufinden, wie viele Liter Wasser im System zirkulieren, beziehen Sie sich auf das Programm: "Berechnung des Systemwasservolumens".

Power Supply

Für den elektrischen Teil des Systems können Sie zum Entwerfen der Stromleitungen das Programm verwenden: Dimensionierung von elektrischen Kabeln - Rechner.

Um zu entscheiden, ob ein einphasiges oder ein dreiphasiges System übernommen werden soll, beziehen Sie sich auf das folgende Programm: Berechnung von Leistung und Motorströmen

Andere kostenlose Programme der gleichen Art, die von itieffe angeboten werden ▼

◄ Zurück