Algemene aanwijzingen voor het ontwerpen van een warmtepomp, compleet met verwijzingen naar complete en functionerende software. Een uitstekende hulp voor wie een keuze moet maken over het type machine en de juiste maatvoering.
Het ontwerpen van een warmtepomp is een fascinerend proces dat wetenschappelijke, technische en praktische kennis combineert om een zeer efficiënt systeem te creëren dat in staat is de thermische bronnen van de omgeving te benutten om woonruimtes te verwarmen of te koelen. Deze gids, gemaakt door Itieffe, is ontworpen om een compleet en diepgaand overzicht te bieden van dit cruciale onderwerp op het gebied van thermische techniek en energie-efficiëntie.
Warmtepompen vormen een duurzame oplossing voor het verwarmen en koelen van gebouwen, omdat ze een minimale hoeveelheid elektriciteit gebruiken om warmte van een koude bron naar een warme bron over te dragen of omgekeerd. Deze innovatieve aanpak verlaagt niet alleen de energiekosten, maar helpt ook de impact op het milieu te beperken door de uitstoot van broeikasgassen die gepaard gaan met traditionele verwarmings- en koelsystemen te verminderen.
Doel van de gids
Deze gids is door Itieffe gemaakt als referentiepunt voor ingenieurs, ontwerpers, studenten en liefhebbers uit de industrie die geïnteresseerd zijn in een diepgaand begrip van de basis- en geavanceerde principes van het ontwerp van warmtepompen.
We beginnen met een overzicht van de belangrijkste kenmerken en componenten die nodig zijn voor de werking ervan.
Het ontwerpen van een warmtepomp is een multidisciplinair proces dat expertise vereist op het gebied van thermodynamica, vloeistofdynamica, elektrotechniek en meer. Met de juiste kennis en goede begeleiding is het echter mogelijk om deze uitdaging effectief en duurzaam aan te pakken.
Ik hoop dat deze gids u een solide basis biedt om het ontwerp van warmtepompen met vertrouwen en succes te begrijpen en te benaderen. Veel leesplezier en goed werk in de fascinerende en steeds relevanter wordende wereld van warmtepompen.
Hoe een warmtepomp werkt en hoe deze te dimensioneren
Willen nadenken over de technologie: "Warmtepompen", merken we op dat eindelijk in Italië alle technici zijn begonnen met het maken van berekeningen in W of kW.
De BTU's (british thermal units) zijn eindelijk verdwenen en zo moet worden gezien dat in ons systeem (SI) de berekeningen strikt in W (of kW) zijn.
Wat is een warmtepomp
De warmtepomp is een machine die bestaat uit een gesloten circuit waarbinnen een koelgas circuleert dat warmte kan onttrekken aan de ene omgeving om deze over te dragen naar een andere. door de latente warmte van verdamping en condensatie en door de werking van de compressor (houd er rekening mee dat er geen machines zijn die koude produceren, maar alleen machines die warmte aftrekken).
In de zomer onttrekt het via de verdamper warmte uit de ruimte en voert het via de condensor af naar buiten, waardoor de temperatuur daalt.
In de winter is de situatie omgekeerd, de verdamper wordt een condensor en vice versa via een klep (vierweg), er zal dus een aftrekking van warmte van buiten plaatsvinden die aan de omgeving vrijkomt, waardoor de temperatuur stijgt (zie : Koelcircuit - De basis).
Prestatiecoëfficiënt
Deze energieoverdracht zorgt ervoor dat de warmtepomp de elektrische energie die door het systeem wordt gebruikt, vermenigvuldigt, wat resulteert in een prestatiecoëfficiënt (COP - Coëfficiënt van Prestaties) groter dan één.
Dankzij de hoge COP is deze technologie daarom de ideale oplossing om kosten en energieverbruik te verzoenen met ecologische duurzaamheid. Elke kW die door de machine wordt opgenomen, levert ongeveer 3,5 aan het milieu (met een COP gelijk aan 3,5).
- Compressore
- condensator
- verdamper
- expansieventiel (laminator)
- vierwegklep
De vierwegklep zorgt ervoor dat de verdamper en de condensor van rol kunnen wisselen, zodat de condensor in de winter in de omgeving wordt geplaatst, waardoor deze de warmte van buitenaf door de verdamper krijgt. Omgekeerd geeft de condensor in de zomer warmte af naar buiten als de verdamper warmte onttrekt aan de binnenzijde.
Er zijn verschillende soorten warmtepompen die van elkaar verschillen in de manier waarop vloeistoffen worden uitgewisseld.
1 - Lucht-water warmtepompen
Het is het meest gebruikelijk voor huishoudelijke gebruikers. Als energiebron wordt buitenlucht gebruikt. De warmte die door de verdamper uit de buitenlucht wordt geabsorbeerd, wordt overgedragen aan het water in het verwarmingscircuit.
De optimale buitentemperatuur voor een normale werking van het systeem mag niet lager zijn dan 2 ÷ 4 ° C.
Onder deze temperatuur zult u variaties in de prestaties van de machine opmerken die evenredig zijn aan de temperatuur zelf. Hoe lager de buitentemperatuur, hoe minder de machine acceptabele prestaties levert.
- warmtepomp
- hydraulische kit
- tank voor warm tapwater
- stralende vloer
- radiatoren
Dit type machine wordt door de fabrikanten in verschillende configuraties aangeboden.
Op plantniveau zijn er monobloc- en splitmodellen die ook kunnen worden geleverd met geïntegreerde opslag. De meest gebruikte machineconfiguratie is de gesplitste configuratie, aangezien deze is uitgerust met een hydromodule die aan de muur in het huis kan worden geïnstalleerd, waardoor het externe gedeelte kan worden geminimaliseerd.
Qua prestaties zijn er standaardmodellen, voor barre klimaten en voor water op hoge temperatuur.
2 - Water-water warmtepompen
Water wordt gebruikt als energiebron. Die uit putten of uit grondwater kan worden gebruikt.
Het water behoudt het hele jaar door een stabiele temperatuur (de temperatuur ligt altijd ver boven de 4 ° C).
Dit houdt in dat de machine in elk seizoen uitstekend blijft presteren.
- watervoerende laag (of put)
- warmtepomp
3 - Geothermische warmtepompen
Een ander warmtewisselingssysteem zijn de geothermische sondes. Zelfs in de winter heeft de grond zijn eigen warmte.
Met behulp van in de diepte geplaatste aardwarmtesondes is het mogelijk deze warmte op te vangen en vervolgens af te geven aan het water van het verwarmingscircuit (uiteraard via de warmtepomp).
- stralende vloer
- opslagtank
- warmtepomp
- geothermische sonde
Welke auto te kiezen?
Om de meest geschikte machine voor uw behoeften te kiezen, moeten de volgende evaluaties in overweging worden genomen: type, configuratie, grootte en installatie.
1 - Typologie
De keuze van het type machine dat het beste bij uw behoeften past, hangt meer af van de temperatuur waarop het moet werken, dat wil zeggen de aanvoertemperatuur die wordt vereist door de klemmen van het verwarmingscircuit.
Er zijn machines op de markt die bij lage of hoge temperaturen werken. De selectie kan worden gemaakt op basis van het volgende schema:
1 - Radiator 2 - Fan coil 3 - Stralingssysteem
Bedrijfstemperatuur 65 ° C Bedrijfstemperatuur 50 ° C Bedrijfstemperatuur 35 ° C
Hoge temperatuur machine Standaard machine of koude klimaten Standaard machine of koude klimaten
Machines op hoge temperatuur
Kan worden gebruikt in plaats van de ketel in woningen die zijn uitgerust met radiatoren met een bedrijfstemperatuur van rond de 65°C. Ze laten toe om de distributie en de systeemterminals ongewijzigd te houden. Deze machines zijn in staat om heet water tot 65°C te produceren. De behaalde COP is vrij hoog. Ze komen om te werken met buitenluchttemperaturen tot -15 ° C.
Standaardmachines
Kan worden gebruikt in nieuwe installaties en voor woningen met een laag energieverbruik. Ze zijn in staat om heet water tot 55°C te produceren en hoge COP-waarden te bereiken.
Hoewel ze in staat zijn om warmte te produceren met externe luchttemperaturen tot -20 ° C, moeten de prestaties in het geval van starre ontwerptemperaturen worden gecontroleerd, aangezien deze machines onder de 2 ° C een aanzienlijke vermindering van de prestatie van het werkelijk geleverde vermogen hebben.
Koudklimaatmachines
Kan worden gebruikt in zeer koude omgevingen. Ze zijn de ideale optie om ervoor te zorgen dat het verwarmingsvermogen ook bij zeer lage temperaturen behouden blijft.
Deze machines zijn in staat om warmte te produceren met buitenluchttemperaturen tot -28°C.
Met een buitentemperatuur van -20°C houden ze het daadwerkelijk geleverde vermogen constant zonder dat er een extra elektrische oververhitter nodig is.
2 - Configuratie
Om aan alle installatietechnische en installatiebehoeften te voldoen, worden de warmtepompen geproduceerd met verschillende configuraties: monobloc, split en tower, ook wel "Alles in één" genoemd.
- Monoblok:
het is de eenvoudigste en minst ingrijpende installatie. Het is een enkele unit die buiten het huis moet worden geïnstalleerd, er zijn geen verbindingen in het gascircuit nodig, die daarom al compleet en getest door de fabrikant aankomen, wat de installatie vergemakkelijkt.
Een nadeel om te overwegen is dat de aansluitingen van de aanvoer- en retourleidingen van het warme water buiten het huis moeten worden gemaakt. In het winterseizoen moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen om ijsvorming te voorkomen wanneer de machine niet werkt.
Er kunnen ook verwarmingskabels worden gebruikt die echter de prestaties van de machine verminderen, omdat ze het elektriciteitsverbruik van het huis verhogen.
- Splitsen:
het is de meest voorkomende onder de beschikbare. Uitgerust met een compressor voor buiten de woning en een hydro module voor binnen.
De interne hydromodule bevat het condensatiegedeelte van het koelmiddel en de levering van het warme water en genereert daarom geen geluid omdat het geen compressor heeft.
De afmetingen zijn ook verkleind, waardoor installatie in de ruimtes die voorheen door de ketel werden ingenomen, mogelijk is. In dit geval moet de installateur echter de aanvoer- en retouraansluitingen van het koelcircuit tussen de binnen- en buitenunits maken.
A - condensatie-eenheid voor warmtepomp
B - hydromodule
1 ÷ 2 - koelgasstroom - retourleiding
3 - systeem en gebruiker warmtapwaterleiding (winter)
4 - systeem en gebruiker warmtapwaterretourleiding (winter)
Om de twee systemen compleet te maken, zijn er complete oplossingen op de markt: condensorunit, hydromodule, thermisch vliegwiel (zie hoe u een buffertank) en opslagtank voor warm water voor huishoudelijk gebruik (SWW).
Deze oplossing brengt een aanzienlijke besparing in implementatietijd met zich mee en een lage kans op het maken van installatiefouten.
3 - Maat:
Welke maat moet de machine hebben?
Berekening van de nominale warmteafgifte
De warmtepomp moet de door het complex verspreide thermische energie opnieuw integreren om de interne temperatuur constant te houden.
Hieronder worden drie methoden aangegeven die behulpzaam kunnen zijn bij het berekenen van de meest geschikte machinegrootte voor uw behoeften, zelfs voor degenen die niet echt in de sector zitten.
1 - Eerste methode
Om de berekening te kunnen maken, zijn nauwkeurige gegevens nodig.
Het begint met de jaarlijkse thermische energiebehoefte voor airconditioning in de winter.
- ETH - Jaarlijkse thermische energiebehoefte voor airconditioning in de winter: de thermische energie die tijdens het stookseizoen nodig is voor airconditioning in de winter. Verkrijgbaar in het Energie Prestatie Certificaat (APE).
- S - Bruikbare oppervlakte: de netto beloopbare oppervlakte van de verwarmde ruimtes van het gebouw netto van scheidingswanden en buitenmuren, inclusief de drempels van de deuren en de ruimtes onder de systeemterminals. Beschikbaar in het huis projectgegevens.
- gg - Gradendag: de som van alleen de positieve verschillen tussen de binnentemperatuur die conventioneel is ingesteld op 20 ° C in vergelijking met de buitentemperatuur, tijdens een winterverwarmingsperiode die is vastgesteld op basis van de klimaatzone van de locatie zelf. Beschikbaar in bijlage A bij presidentieel besluit 412/93 en latere herzieningen (zie Klimaatzones e Indicatieve landgegevens).
- TOOSTEN - Ontwerp buitentemperatuur (T2): de minimale buitentemperatuur waarbij de warmteopwekker de thermische energie levert in ieder geval voldoende om te garanderen dat de binnentemperatuur stationair blijft. De gegevens zijn beschikbaar door de UNI 5364-standaard en latere revisies of de UNI 10339-standaard te raadplegen (zie Externe projecttemperaturen).
- h - Dagelijkse bedrijfsuren: de maximale dagelijkse bedrijfsuren van de verwarming (zie Klimaatzones).
Na het verkrijgen van deze gegevens is het mogelijk om de nominale warmteafgifte van de machine te berekenen met behulp van de volgende formule:
Waar:
Ptn = Nominale warmteafgifte van de machine in kW
ETH = Jaarlijkse thermische energiebehoefte voor airconditioning in de winter
S = Bruikbare oppervlakte in m2
T1 = Interne temperatuur in ° C
T2 = Buitentemperatuur in ° C
gg = Gradendag
h = Bedrijfsuren per dag.
Laten we een voorbeeld nemen
- Land = Rome (klimaatzone D)
- Gradendag = 1415
- Ontwerp buitentemperatuur = 0 ° C
- Nuttige oppervlakte = 90 m2
- ETH = 75
- h = 12
De formule toepassen:
Daarom is het nominaal nuttig vermogen van de machine gelijk aan 7,95 kW
Laten we nog een voorbeeld nemen:
- Land = Milaan (klimaatzone E)
- Gradendag = 2404
- Ontwerp buitentemperatuur = -5 ° C
- Nuttige oppervlakte = 90 m2
- ETH = 75
- h = 16
De formule toepassen:
Hoewel het voor sommigen misschien vreemd lijkt om de gegevens te analyseren, wordt opgemerkt dat het thermische vermogen dat de warmtepomp moet gebruiken om optimale temperatuurwaarden te behouden voor hetzelfde type omgevingen in twee steden met verschillende temperaturen, in Rome gelijk is aan 7,95 , 4,39 kW, terwijl het in Milaan XNUMX kW is.
Zien: "Maatvoering warmtepomp - methode"
2 - Tweede methode
Het is mogelijk om de jaarlijkse behoefte aan thermische energie voor airconditioning in de winter (ETH) te berekenen, rekening houdend met de verbruiksgegevens die op de gasrekening staan vermeld.
Om deze operatie uit te voeren, moet het gasverbruik minimaal de laatste 4 opeenvolgende jaren beschikbaar zijn om een betrouwbaar gemiddeld verbruik te verkrijgen.
De volgende formule kan worden toegepast:
Waar:
ETH = Jaarlijkse thermische energiebehoefte voor airconditioning in de winter
C = gasverbruik uitgedrukt in sm3 (standaard kubieke meter)
Q = vermogen verkregen per sm3 (standaard kubieke meter) gas (9,6 kWh voor methaan en 24,5 kWh voor LPG).
- let op: LPG wordt meestal in liters gekocht. Het heeft een lagere calorische waarde van 12.790 W / kg - 6.500 W / liter en 24.500 W / sm3
η = ketelrendement (0,82 open kamer - 0,86 gesloten kamer - 0,97 condensatie).
N = is het aantal gebruikers voor het tapwaterverbruik
500 = jaarlijks energieverbruik per hoofd van de bevolking voor de productie van SWW (huishoudelijk warm water) uitgedrukt in kWh
S = bruikbare oppervlakte: netto beloopbare oppervlakte van de verwarmde ruimtes van het gebouw.
Laten we een voorbeeld nemen
C = 833 sm3
Q = 10,5 kW / h
h = 0,97
N = 4 personen
SWW = verbruik 500 kW / h
Z = 90m2
De formule toepassen:
Met de op deze manier berekende ETH-waarde is het mogelijk om met de vorige methode terug te gaan naar de nominale warmteafgifte (P.tn) van de machine uitgedrukt in kW.
Zien: "Maatvoering warmtepomp - methode"
3 - Derde methode
Methode die rekening houdt met omgevingsfactoren, met als antwoord de warmtebehoefte voor elke individuele omgeving.
Duurder dan de vorige methoden, maar naar onze bescheiden mening de meest betrouwbare en die extreem de warmtebehoefte aangeeft, verdeeld over elke afzonderlijke omgeving.
De tijden voor het verwarmen van een ruimte worden verkort, de ingestelde snelheid wordt eerst bereikt maar dit brengt uiteraard een grotere belasting met zich mee.
De gevraagde waarde moet in elke afzonderlijke cel worden ingevoerd. Het is noodzakelijk om de werkelijke afmetingen in breedte, lengte en hoogte van elke afzonderlijke kamer, de kardinale blootstelling, het type constructie, de buitentemperatuur in te voeren. De resultaten kunnen worden opgevraagd in de aangegeven meeteenheden.
Door de COP (Coefficient Of Performance) in te voeren is het ook mogelijk om het elektriciteitsverbruik in kW te traceren.
De COP is een prestatiecoëfficiënt en geeft de kwaliteit van de machine aan. Hoe hoger de waarde, hoe meer de machine hoge prestaties levert. Met andere woorden, als de COP gelijk is aan 3.5, zal de machine voor elke kW energie die door de machine wordt geabsorbeerd, de omgeving voorzien van thermische energie gelijk aan 3,5 kW, waarvan 1 kW elektriciteit verbruikt en 2,5 kW afkomstig uit de externe omgeving.
De energie-efficiëntieklassen volgens warmtepompen zijn aangegeven in de Europese richtlijn 2002/31/EG.
Zien: "Maatvoering warmtepomp - rekenmachine"
3 - Installatie
SWW-productie
Standaard warmtepompen en warmtepompen voor koud klimaat zijn ontworpen om te werken met koudemiddelen zoals R410 of R32 (zie "Koelmiddel temperatuur drukverhouding") voor die van de nieuwste generatie. Ze zijn in staat om warm water tot 55°C te produceren en kunnen ook worden gebruikt voor de productie van sanitair warm water. Door de temperatuur lager dan 60 ° C zijn ze niet in staat om de thermische desinfectiecycli uit te voeren die nodig zijn om de mogelijke vorming van bacteriekolonies (legionella) te voorkomen.
Het is raadzaam om ze alleen te gebruiken voor verwarming en/of koeling (in het geval van een omkeerbare machine), waarbij de productie van SWW wordt overgelaten aan een meer specifieke onafhankelijke eenheid, bijvoorbeeld een warmtepompboiler die, dankzij het gebruik van R134a koudemiddel de desinfectiecycli kan uitvoeren.
Als u daarentegen een machine hebt voor de productie van water op hoge temperatuur die werkt met R407C-koelmiddel (of met een specifieke machine voor verwarming en SWW-productie door middel van een tweede compressietrap met R134a), dan is het mogelijk en handig om alle warmteproductie binnen dezelfde unit te houden.
Thermische vliegwielaccumulatie
Ook als de warmtepomp een modulerende machine is, is het om de volgende redenen altijd aan te raden om een opslagtank voor thermische belastingcompensatie (buffertank of thermisch vliegwiel) in het circuit te plaatsen:
- zorgt voor optimale bedrijfsomstandigheden van de warmtepomp door het optimaliseren van de stop - start (aan - uit) cycli van de compressor met als gevolg een lager verbruik.
- maakt de verbinding tussen verschillende verwarmingscircuits mogelijk.
- het maakt hydraulische ontkoppeling tussen de warmtepomp en het systeem mogelijk, zodat de twee circuits kunnen werken met het meest geschikte debiet en temperatuurverschil. Warmtepompen werken meestal met DT = 5 ° C terwijl, afhankelijk van de aanwezige systeemklemmen, het distributiecircuit met DT nog hoger zou kunnen werken.
Als de machine is uitgerust met een scrollcompressor (aan - uit), is de traagheidsopslag verplicht. De typische grootte van het opslagvolume kan direct worden verkregen uit de "Traagheidsberekening”En is minimaal 5.5 liter per kW warmteafgifte die de machine kan leveren.
Expansievat
Het expansievat is een "long" die is aangesloten op het watersysteem; dient om de volumevariatie te weerstaan die wordt veroorzaakt door de verwarming / koeling van het water in het systeem (zie "Massa en volume water". Dit elimineert onaangename problemen als gevolg van plotselinge drukverhogingen zoals: het openen van de veiligheidskleppen of het breken van verbindingen en distributieleidingen.
Raadpleeg het programma om een expansievat te dimensioneren: "Berekening van het volume van het expansievat'.
Raadpleeg het programma om erachter te komen hoeveel liter water er in het systeem circuleert: "Berekening van systeem watervolume'.
Voeding
Voor het elektrische gedeelte van het systeem, om de hoogspanningslijnen te ontwerpen, kunt u het programma gebruiken: Grootte van elektrische kabels - calculator.
Raadpleeg het volgende programma om te beslissen of u een eenfasig of driefasig systeem wilt gebruiken: Berekening van vermogen en motorstromen
Andere gratis programma's van dezelfde soort aangeboden door itieffe ▼
- Airconditioning
- Luchtkanalen
- Ventilatiesystemen
- Autonome airconditioners
- Psychrometrische grafieken
- Airconditioning tafels
- Luchtkwaliteit
- Conditioneringsdiagrammen en tekeningen