ヒートポンプの設計方法に関する一般的な指示と、完全に機能するソフトウェアへの参照が含まれています。機械の種類と正しいサイズを選択する必要がある人にとって、非常に役立ちます。
ヒートポンプの設計は、科学、工学、実践的な知識を組み合わせて、周囲環境の熱資源を利用して生活空間を暖房または冷房できる高効率システムを作成する興味深いプロセスです。 Itieffe によって作成されたこのガイドは、熱工学とエネルギー効率の分野におけるこの重要なトピックの完全かつ詳細な概要を提供するように設計されています。
ヒートポンプは、最小限の電力を使用して低温源から高温源へ、またはその逆に熱を伝達するため、建物の冷暖房のための持続可能なソリューションです。 この革新的なアプローチは、エネルギーコストを削減するだけでなく、従来の冷暖房システムに伴う温室効果ガスの排出を削減することで、環境への影響を軽減することにも役立ちます。
ガイドの目的
このガイドは、ヒートポンプ設計の基本原理と高度な原理を深く理解したいエンジニア、デザイナー、学生、業界愛好家のための参考資料となるよう、Itieffe によって作成されました。
まず、その動作に必要な主な機能とコンポーネントの概要から始めます。
ヒートポンプの設計は、熱力学、流体力学、電気工学などの専門知識を必要とする学際的なプロセスです。 しかし、正しい知識と適切な指導があれば、この課題に効果的かつ持続的に取り組むことが可能です。
このガイドが、ヒートポンプの設計を理解し、自信を持って成功に導くための強固な基盤となることを願っています。 魅力的でますます関連性が高まるヒートポンプの世界について、楽しくお読みいただき、お疲れ様でした。
ヒートポンプの仕組みとサイズ設定方法
「ヒートポンプ」という技術について振り返りたいと思いますが、ついにイタリアでは、すべての技術者がWまたはkWで計算を開始しました。
BTU(英国熱量単位)はついに姿を消しました。これが、私たちのシステム(SI)では計算が厳密にW(またはkW)で行われていることを確認する必要がある方法です。
ヒートポンプとは
ヒートポンプは、冷媒ガスが循環する閉回路で構成された機械であり、ある環境から熱を差し引いて別の環境に伝達することができます。 蒸発と凝縮の潜熱とコンプレッサーの作用によって(冷気を発生させる機械はなく、熱を差し引く機械のみであることに注意してください)。
夏には、蒸発器を介して室内から熱を抽出し、凝縮器を介して外部に伝達し、温度を下げます。
冬には状況が逆転し、蒸発器が凝縮器になり、逆にバルブを介して(XNUMX方向)、外部から熱が差し引かれ、環境に放出されて温度が上昇します(を参照)。 : 冷凍回路-基本).
成績係数
このエネルギー伝達により、ヒートポンプはシステムで使用される電気エネルギーを増加させ、成績係数(COP-成績係数)がXNUMXより大きくなります。
したがって、その高いCOPのおかげで、このテクノロジーは、コストとエネルギー消費および環境の持続可能性を調整できる理想的なソリューションです。 機械によって吸収される各kWは、環境に約3,5を供給します(COPは3,5に等しい)。
- コンプレッサー
- コンデンサー
- 蒸発器
- 膨張弁(ラミネーター)
- 四方弁
四方弁により、蒸発器と凝縮器が役割を交換できるため、冬には凝縮器が環境内に配置され、蒸発器によって外部から熱が奪われます。 逆に、夏には、蒸発器が環境の内部から熱を抽出すると、凝縮器は外部に熱を放出します。
ヒートポンプには、流体の交換方法が異なるいくつかの種類があります。
1-空気-水ヒートポンプ
これは国内ユーザーにとって最も一般的です。 エネルギー源として、外気が使用されます。 蒸発器によって外気から吸収された熱は、加熱回路内の水に伝達されます。
通常のシステム操作に最適な外部温度は、2÷4°Cを下回ってはなりません。
この温度を下回ると、温度自体に比例したマシンのパフォーマンスの変化に気付くでしょう。 外気温が低いほど、マシンが許容できるパフォーマンスを提供することは少なくなります。
- ヒートポンプ
- 温水キット
- 家庭用温水タンク
- 放射床
- ラジエーター
このタイプのマシンは、さまざまな構成でメーカーから提供されています。
プラントレベルでは、統合ストレージで供給することもできるモノブロックモデルとスプリットモデルがあります。 家の中の壁に設置できる温水モジュールが装備されているため、最も一般的に使用される機械構成は分割されたものであり、外部部品を最小限に抑えることができます。
性能面では、過酷な気候や高温水用の標準モデルがあります。
2-水-水ヒートポンプ
水はエネルギー源として使用されます。 井戸や地下水からのものを使用することができます。
水は一年中安定した温度を維持します(その温度は常に4°Cをはるかに超えています)。
これには、季節を問わず、機械の優れた動作性能を維持することが含まれます。
- 帯水層(または井戸)
- ヒートポンプ
3-地熱ヒートポンプ
別の熱交換システムは地熱プローブです。 地面は冬でも独自の暖かさを持っています。
深部に配置された地熱プローブを使用して、この熱を捕捉し、それを加熱回路の水に転送することができます(明らかにヒートポンプを介して)。
- 放射床
- 貯蔵タンク
- ヒートポンプ
- 地熱プローブ
どの車を選ぶか
ニーズに最適なマシンを選択するには、タイプ、構成、サイズ、およびインストールの評価を考慮する必要があります。
1-類型学
ニーズに最適なマシンのタイプの選択は、動作する必要のある温度、つまり、加熱回路システムの端子に必要な供給温度に依存します。
市場には低温または高温で作動する機械があります。 選択は、次のスキームに基づいて行うことができます。
1-ラジエーター2-ファンコイル3-ラジアントシステム
動作温度65°C動作温度50°C動作温度35°C
高温機標準機または寒冷地標準機または寒冷地
高温機
作動温度約65℃のラジエーターを備えた住宅のボイラーの交換に使用できます。 それらは、ディストリビューションとシステム端末を変更せずに保つことを可能にします。 これらの機械は65°Cまでの熱湯を作り出すことができます。 達成されたCOPはかなり高いです。 それらは-15°Cまでの外気温度で作動するようになります。
標準的なマシン
新規設置や低エネルギー消費住宅に使用できます。 彼らは55°Cまでの温水を生成することができ、高いCOP値に達します。
外気温が-20°Cまで下がると熱を発生する可能性がありますが、設計温度が厳しい場合は、2°C未満では実際に供給される電力のパフォーマンスが大幅に低下するため、パフォーマンスを確認する必要があります。
寒冷地機械
非常に寒い環境で使用できます。 これらは、非常に低い温度でも加熱能力を維持するための理想的なオプションです。
これらの機械は、-28°Cという低い外気温で熱を発生させることができます。
-20°Cの外部温度で、追加の電気過熱器を必要とせずに、実際に供給される電力を一定に保ちます。
2-構成
すべてのプラントエンジニアリングと設置のニーズを満たすために、ヒートポンプはさまざまな構成で製造されています。モノブロック、スプリット、タワーは「オールインワン」とも呼ばれます。
-モノブロック:
インストールが最も簡単で侵襲性が低いです。 これは、家の外に設置する必要がある単一のユニットであり、ガス回路に接続を作成する必要がないため、すでに完成しており、メーカーによってテストされているため、設置が容易です。
考慮すべき不利な点は、家の外にあるお湯の配水管と戻り管を接続しなければならないことです。 冬季には、機械が作動していないときに氷が形成されないように注意する必要があります。
暖房ケーブルを使用することもできますが、実際には、家庭の電力消費量につながるため、マシンのパフォーマンスが低下します。
- スプリット:
それは利用可能なものの中で最も普及しています。 家の外に設置するコンプレッサーと、家の中に設置する温水モジュールを装備。
内部温水モジュールには、冷媒の凝縮部分と温水の供給が含まれているため、コンプレッサーがないため、騒音は発生しません。
寸法も縮小され、以前はボイラーが占めていたスペースに設置できます。 ただし、この場合、設置者は室内機と室外機の間で冷凍回路のフロー接続とリターン接続を行う必要があります。
A-ヒートポンプ用の凝縮ユニット
B-温水モジュール
1÷2-冷媒ガスの流れ-リターンパイプ
3-システムおよびユーザー給湯パイプ(冬)
4-システムおよびユーザー温水リターンパイプ(冬)
XNUMXつのシステムを完成させるために、市場には完全なソリューションがあります。凝縮ユニット、温水モジュール、サーマルフライホイール(計算方法を参照) バッファタンク)および家庭用温水貯蔵タンク(DHW)。
このソリューションでは、実装時間が大幅に節約され、インストールエラーが発生する可能性が低くなります。
3-サイズ
マシンのサイズはどのくらいにする必要がありますか
公称熱出力の計算
ヒートポンプは、内部温度を一定に保つために、複合体によって分散された熱エネルギーを再統合する必要があります。
以下にXNUMXつの方法を示します。これらの方法は、実際にはこの分野に属していない人でも、ニーズに最適なマシンサイズを計算するのに役立ちます。
1-最初の方法
計算するには正確なデータが必要です。
それは冬の空調のための年間の熱エネルギー要件から始まります。
- ETH-冬季空調の年間熱エネルギー要件:暖房シーズン中に冬季空調に必要な熱エネルギー。 エネルギー性能証明書(APE)で入手できます。
- S-使用可能な表面:ドアの敷居とシステム端子の下のスペースを含む、パーティションと外壁の建物ネットの暖房された部屋の正味の歩行可能な表面。 ハウスプロジェクトデータで利用可能。
- gg-度日:場所自体の気候帯に基づいて確立された冬の暖房期間中の、従来は20°Cに設定されていた内部温度と外部温度との正の差のみの合計。 大統領令412/93およびその後の改訂の付属書Aで利用可能(を参照) 気候帯e 指標となる国データ).
- TEST(東部基準時 - 外部温度(T2):熱発生器が熱エネルギーを供給する最低外部温度は、内部温度が静止したままであることを保証するのに十分です。 データは、UNI5364標準以降のリビジョンまたはUNI10339標準を参照することで入手できます(を参照)。 外部プロジェクトの温度).
- h-毎日の稼働時間:暖房の毎日の最大稼働時間(を参照) 気候帯).
これらのデータを取得すると、次の式を使用して機械の公称熱出力を計算できます。
ここで:
Ptn =機械の公称熱出力(kW)
ETH =冬季空調の年間熱エネルギー要件
S =使用可能な表面(m)2
T1 =内部温度(°C)
T2 =屋外温度(°C)
gg =度日
h = XNUMX日あたりの稼働時間。
例を見てみましょう
- 国=ローマ(気候帯D)
- 度日= 1415
- 設計外部温度= 0°C
- 有用な表面= 90 m2
- イーサリアム = 75
- h = 12
式の適用:
したがって、機械の公称有効電力は7,95kWに等しくなります。
別の例を見てみましょう:
- 国=ミラノ(気候帯E)
- 度日= 2404
- 設計外部温度= -5°C
- 有用な表面= 90 m2
- イーサリアム = 75
- h = 16
式の適用:
データを分析すると奇妙に思えるかもしれませんが、ローマの7,95つの都市で同じタイプの環境に対して最適な温度値を維持するためにヒートポンプが使用しなければならない火力は、 4,39、XNUMX kW、ミラノではXNUMXkWに相当します。
見る: "ヒートポンプのサイジング-方法「
2-XNUMX番目の方法
ガス料金に記載されている消費量データを考慮して、冬季空調(ETH)の年間熱エネルギー所要量を算出することができます。
この操作を実行するには、信頼できる平均消費量を得るために、ガス消費量が少なくとも過去4年間連続して利用可能である必要があります。
次の式を適用できます。
ここで:
ETH =冬季空調の年間熱エネルギー要件
C = smで表されるガス消費量3 (標準立方メートル)
Q = smあたりに得られる電力3 (標準立方メートル)のガス(メタンの場合は9,6 kWh、LPGの場合は24,5 kWh)。
- 注:LPGは通常リットルで購入されます。 発熱量は12.790W / kg〜6.500 W /リットルおよび24.500W / smと低くなっています。3
η=ボイラー効率(0,82開放チャンバー-0,86密閉チャンバー-0,97凝縮)。
N =はDHW消費のユーザー数です
500 = DHW(家庭用温水)の生産のためのXNUMX人当たりの年間エネルギー消費量(kWhで表される)
S =有用な表面:建物の暖房された部屋の正味の歩行可能な表面。
例を見てみましょう
C = 833sm3
Q = 10,5 kW / h
h = 0,97
N = 4人
DHW =消費量500kW / h
S=90m2
式の適用:
このように計算されたETH値を使用すると、前の方法を使用して、公称熱出力(P.tn)kWで表される機械の。
見る: "ヒートポンプのサイジング-方法「
3-XNUMX番目の方法
それぞれの環境に必要な熱要件を答えとして与える環境要因を考慮した方法。
以前の方法よりも高価ですが、私たちの謙虚な意見では、最も信頼性が高く、単一の環境ごとに分割された熱要件を非常に示しています。
部屋の暖房時間を短縮し、最初に設定速度に到達しますが、これは明らかに大きな負担になります。
要求された値は、各単一セルに入力する必要があります。 各シングルルームの幅、長さ、高さ、基本的な露出、構造のタイプ、外部温度の実際の寸法を入力する必要があります。 結果は、指定された測定単位で要求できます。
COP(Coefficient Of Performance)を入力することにより、電力消費量をkWで追跡することもできます。
COPは成績係数であり、マシンの品質を示します。 その値が高いほど、マシンはより多くのパフォーマンスを提供します。 つまり、COPが3.5の場合、機械が吸収するエネルギーkWごとに3,5 kWの熱エネルギーが環境に供給され、そのうち1kWの電力が消費され2,5kWが外部環境から引き出されます。
ヒートポンプによるエネルギー効率クラスは、欧州指令2002/31 / ECに示されています。
見る: "ヒートポンプのサイジング-計算機「
3 年 インストール
DHWの生産
標準および寒冷気候のヒートポンプは、R410やR32などの冷媒で動作するように設計されています(「冷媒温度圧力比「)最新世代のもののために。 それらは55°Cまでの熱湯を作り出すことができ、家庭用温水の生産にも使用できます。 60°C未満の温度のため、細菌コロニー(レジオネラ菌)の形成を回避するために必要な熱消毒サイクルを実行できません。
それらを加熱および/または冷却(リバーシブルマシンの場合)にのみ使用し、DHWの生産をより具体的な独立したユニット、たとえばR134aの使用のおかげでヒートポンプ給湯器に任せることをお勧めします冷媒は消毒サイクルを実行することができます。
一方、R407C冷媒で動作する高温水を生成するためのマシン(またはR134aを使用した第XNUMX圧縮ステージによる加熱およびDHW生成のための特定のマシン)がある場合、それは可能で便利です同じユニット内ですべての熱生成を維持します。
サーマルフライホイールの蓄積
ヒートポンプが調整機である場合でも、次の理由から、回路に熱負荷補償貯蔵タンク(バッファタンクまたはサーマルフライホイール)を挿入することを常にお勧めします。
- コンプレッサーの停止-開始(オン-オフ)サイクルを最適化し、その結果として消費量を削減することにより、ヒートポンプの最適な動作条件を保証します。
- 異なる加熱回路間の接続を可能にします。
- これにより、ヒートポンプとシステム間の油圧デカップリングが可能になり、5つの回路が最適な流量と温度差で動作できるようになります。 ヒートポンプは通常DT = XNUMX°Cで動作しますが、存在するシステム端子によっては、配電回路がさらに高いDTで動作する場合があります。
機械にスクロールコンプレッサー(オン-オフ)が装備されている場合、慣性ストレージは必須です。 ストレージボリュームの一般的なサイズは、「慣性タンクの計算」であり、機械から供給できる熱出力5.5kWあたり最低XNUMXリットルです。
膨張容器
拡張容器は、水システムに接続されている「肺」です。 システム内の水の加熱/冷却によって引き起こされる体積変化に耐えるのに役立ちます(「水の質量と体積"。 これにより、安全弁の開放やジョイントや配水管の破損など、圧力の急激な上昇による不快な問題が解消されます。
拡張容器のサイズを設定するには、プログラムを参照してください: "膨張容器の体積の計算"。
システム内を循環している水のリットルを調べるには、プログラムを参照してください。システム水量の計算"。
電源
システムの電気部分については、電力線を設計するために、次のプログラムを使用できます。 電気ケーブルのサイズ-計算機.
単相システムと三相システムのどちらを採用するかを決定するには、次のプログラムを参照してください。 電力およびモーター電流の計算