Hvordan designe en varmepumpe

Generelle indikasjoner på hvordan du designer en varmepumpe komplett med referanser til komplett og fungerende programvare. Til utmerket hjelp for de som må velge type maskin og dens riktige dimensjonering.

Å designe en varmepumpe er en fascinerende prosess som kombinerer vitenskapelig, ingeniørmessig og praktisk kunnskap for å skape et svært effektivt system som er i stand til å utnytte de termiske ressursene i det omkringliggende miljøet til å varme eller kjøle ned boarealer. Denne veiledningen laget av Itieffe ble designet for å gi en fullstendig og dyptgående oversikt over dette viktige emnet innen termisk teknikk og energieffektivitet.

Varmepumper representerer en bærekraftig løsning for oppvarming og kjøling av bygninger, da de bruker en minimal mengde elektrisitet for å overføre varme fra en kald kilde til en varm eller omvendt. Denne innovative tilnærmingen reduserer ikke bare energikostnadene, men bidrar også til å redusere miljøpåvirkningen ved å redusere klimagassutslippene knyttet til tradisjonelle varme- og kjølesystemer.

Hensikten med veiledningen

Denne veiledningen ble laget av Itieffe for å være et referansepunkt for ingeniører, designere, studenter og industrientusiaster som er interessert i å forstå i dybden de grunnleggende og avanserte prinsippene for varmepumpedesign.

Vi starter med en oversikt over hovedfunksjonene og komponentene som er nødvendige for driften.

Å designe en varmepumpe er en tverrfaglig prosess som krever ekspertise innen termodynamikk, fluiddynamikk, elektroteknikk med mer. Men med riktig kunnskap og riktig veiledning er det mulig å takle denne utfordringen effektivt og bærekraftig.

Jeg håper denne veiledningen gir deg et solid grunnlag for å forstå og nærme deg varmepumpedesign med selvtillit og suksess. God lesning og godt arbeid i varmepumpenes fascinerende og stadig mer relevante verden.

Hvordan en varmepumpe fungerer og hvordan den skal dimensjoneres

For å reflektere over teknologien: "Varmepumper", konstaterer vi at endelig i Italia har alle teknikerne begynt å gjøre beregninger i W eller kW.

BTU-ene (britiske termiske enheter) har endelig forsvunnet og det er slik det må sees at i vårt system (SI) er beregningene strengt tatt i W (eller kW).

Hva er en varmepumpe

Varmepumpen er en maskin som består av en lukket krets der en kjølegass sirkulerer, i stand til å trekke varme fra ett miljø for å overføre det til et annet. gjennom den latente fordampnings- og kondensvarmen og gjennom kompressorens virkning (husk at det ikke finnes maskiner som produserer kulde, men kun de som trekker fra varme).

Om sommeren trekker den ut varme fra innsiden av rommet via fordamperen og overfører den til utsiden via kondensatoren, noe som fører til en senking av temperaturen.

Om vinteren er situasjonen omvendt, fordamperen blir en kondensator og omvendt gjennom en ventil (fireveis), det vil derfor være en subtraksjon av varme fra utsiden som vil slippe ut i omgivelsene og forårsake en økning i temperaturen (se : Kjølekrets - Det grunnleggende).

Ytelseskoeffisient

Denne energioverføringen får varmepumpen til å multiplisere den elektriske energien som brukes av systemet, noe som resulterer i en ytelseskoeffisient (COP – Coefficient of Performance) større enn én.
Takket være sin høye COP er denne teknologien derfor den ideelle løsningen som er i stand til å forene kostnader og energiforbruk og miljømessig bærekraft. Hver kW som absorberes av maskinen, leverer ca. 3,5 til miljøet (med COP lik 3,5).

kompressor
kondensator
fordamperen
ekspansjonsventil (laminator)
fireveisventil

Fireveisventilen lar fordamperen og kondensatoren bytte roller slik at om vinteren plasseres kondensatoren inne i miljøet, og gir den varmen som tas fra utsiden av fordamperen. Motsatt, om sommeren, frigjør kondensatoren varme til utsiden hvis fordamperen trekker ut varme fra innsiden av miljøet.

Det finnes flere varianter av varmepumper som skiller seg fra hverandre i hvordan væsker utveksles.

1 - Luft-vann varmepumper

Det er det vanligste for hjemmebrukere. Som energikilde brukes uteluft. Varmen som absorberes fra den ytre luften av fordamperen overføres til vannet i varmekretsen.

Den optimale ytre temperaturen for vanlig systemdrift bør ikke være under 2 ÷ 4 °C.

Under denne temperaturen vil du merke variasjoner i ytelsen til maskinen proporsjonal med selve temperaturen. Jo lavere utetemperatur, jo mindre vil maskinen gi akseptabel ytelse.

varmepumpe
hydronisk sett
varmtvannsbeholder til husholdningsbruk
strålende gulv
radiatorer

Denne typen maskiner tilbys av produsentene i ulike konfigurasjoner.

På anleggsnivå er det monoblokk- og splittmodeller som også kan leveres med integrert oppbevaring. Den mest brukte maskinkonfigurasjonen er den delte siden den er utstyrt med en hydronisk modul som kan installeres på veggen inne i hjemmet, og gjør det mulig å minimere den eksterne delen.

Når det gjelder ytelse, finnes det standardmodeller, for tøft klima og for vann med høy temperatur.

2 - Vann-vann varmepumper

Vann brukes som energikilde. Den som kommer fra brønner eller fra grunnvann kan brukes.

Vannet holder en stabil temperatur hele året (temperaturen er alltid langt over 4 ° C).

Dette innebærer å opprettholde utmerket driftsytelse til maskinen uansett årstid.

akvifer (eller brønn)
varmepumpe

3 - Geotermiske varmepumper

Et annet varmevekslingssystem er de geotermiske sonder. Bakken har sin egen varme selv om vinteren.

Ved å bruke jordvarmesonder plassert i dybden er det mulig å fange denne varmen og deretter overføre den til vannet i varmekretsen (selvfølgelig gjennom varmepumpen).

strålende gulv
oppbevaringstank
varmepumpe
geotermisk sonde

Hvilken bil å velge

For å velge den mest passende maskinen for dine behov, må følgende vurderinger tas i betraktning: type, konfigurasjon, størrelse og installasjon.

1 - Typologi

Valget av den type maskin som passer best for dine behov, avhenger mer av temperaturen den skal operere ved, det vil si leveringstemperaturen som kreves av varmekretssystemets terminaler.

Det finnes maskiner som opererer ved lave eller høye temperaturer på markedet. Valget kan gjøres på grunnlag av følgende skjema:

1 - Radiator 2 - Viftekonvektor 3 - Radiant system

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

Høytemperaturmaskin Standard maskin eller kaldt klima Standard maskin eller kaldt klima

Maskiner med høy temperatur

Kan brukes til å erstatte kjelen i boliger utstyrt med radiatorer med en driftstemperatur på rundt 65 °C. De tillater å holde distribusjonen og systemterminalene uendret. Disse maskinene er i stand til å produsere varmt vann opp til 65 ° C. COP oppnådd er ganske høy. De kommer til å fungere med ytre lufttemperaturer ned til -15 ° C.

Standard maskiner

Kan brukes i nye installasjoner og til boliger med lavt energiforbruk. De er i stand til å produsere varmt vann opp til 55 ° C og når høye COP-verdier.
Selv om de er i stand til å produsere varme med ytre lufttemperaturer ned til -20 °C, må ytelsen kontrolleres ved stive designtemperaturer siden under 2 °C disse maskinene lider av en betydelig reduksjon i ytelsen til den faktisk leverte kraften.

Kaldklimamaskiner

Kan brukes i svært kalde omgivelser. De er det ideelle alternativet for å sikre at varmekapasiteten opprettholdes selv ved svært lave temperaturer.
Disse maskinene er i stand til å produsere varme med utelufttemperaturer så lave som -28 °C.

Med en ytre temperatur på -20 °C holder de den faktisk leverte effekten konstant uten behov for en ekstra elektrisk overheter.

2 - Konfigurasjon

For å tilfredsstille alle anleggstekniske og installasjonsbehov, produseres varmepumpene med forskjellige konfigurasjoner: monoblokk, splitt og tårn også kalt "Alt i ett".

- Monoblokk:

det er den enkleste og minst invasive å installere. Det er en enkelt enhet som må installeres utenfor huset, det krever ikke opprettelse av tilkoblinger i gasskretsen som derfor kommer allerede komplett og testet av produsenten, noe som letter installasjonen.
En ulempe å ta i betraktning er at man må foreta koblingene til leverings- og returrørene til varmtvannet utenfor huset. I vintersesongen må det tas forholdsregler for å unngå isdannelse når maskinen ikke er i drift.

Varmekabler kan også brukes som imidlertid faktisk reduserer ytelsen til maskinen ettersom de summerer seg til strømforbruket til hjemmet.

- Delt:

det er den mest utbredte blant de tilgjengelige. Utstyrt med en kompressor som skal installeres utenfor boligen og en hydronikkmodul som skal installeres inne.
Den interne hydroniske modulen inneholder kondensasjonsdelen av kjølemediet og leveringen av varmtvannet, derfor genererer den ingen støy siden den er uten kompressor.
Dimensjonene er også redusert, noe som muliggjør installasjon i de rom som tidligere var okkupert av kjelen. I dette tilfellet må imidlertid installatøren foreta strømnings- og returkoblingene til kjølekretsen mellom innendørs- og utendørsenhetene.

A - kondenseringsaggregat for varmepumpe

B - hydronisk modul

1 ÷ 2 - kjølemiddelgassstrøm - returrør

3 - system og bruker varmtvannsledning (vinter)

4 - system og bruker varmtvann returrør (vinter)

For å komplettere de to systemene finnes det komplette løsninger på markedet: kondenseringsenhet, hydronisk modul, termisk svinghjul (se hvordan du beregner en buffertank) og lagringstank for varmtvann til husholdningsbruk (DHW).

Denne løsningen innebærer en betydelig besparelse i implementeringstider og lav mulighet for installasjonsfeil.

3 - Størrelse

Hvilken størrelse skal maskinen ha

Beregning av nominell varmeeffekt

Varmepumpen må reintegrere den termiske energien som spres av komplekset for å holde den indre temperaturen konstant.

Tre metoder er angitt nedenfor som kan være til hjelp for å beregne den best egnede maskinstørrelsen for ens behov, også av de som egentlig ikke er i sektoren.

1 - Første metode

Det er nødvendig å ha nøyaktige data for å gjøre beregningen.

Det starter med det årlige termiske energibehovet for vinterklimaanlegg.

ETH - Årlig termisk energibehov for vinterklimaanlegg: den termiske energien som kreves, i fyringssesongen, for vinterklimaanlegg. Tilgjengelig i energiytelsessertifikatet (APE).

S - Brukbar overflate: den netto gangbare overflaten til de oppvarmede rommene i bygningsnettet av skillevegger og yttervegger, inkludert tersklene til dørene og mellomrommene under systemterminalene. Tilgjengelig i huset prosjektdata.
gg - Grader dag: summen av bare de positive forskjellene mellom den interne temperaturen konvensjonelt satt til 20 ° C sammenlignet med den eksterne, i løpet av en vinteroppvarmingsperiode etablert på grunnlag av den klimatiske sonen til selve stedet. Tilgjengelig i vedlegg A til presidentdekret 412/93 og påfølgende revisjoner (se Klimasoner e Veiledende landsdata).
T_{ØST -} Design ekstern temperatur (T₂): minimum ekstern temperatur som varmegeneratoren leverer termisk energi ved uansett tilstrekkelig til å garantere at den indre temperaturen forblir stasjonær. Dataene er tilgjengelige ved å konsultere UNI 5364-standarden og påfølgende revisjoner eller UNI 10339-standarden (se Eksterne prosjekttemperaturer).
h - Daglige driftstimer: maksimale daglige driftstimer for oppvarmingen (se Klimasoner).

Etter å ha fått disse dataene, er det mulig å beregne den nominelle varmeeffekten til maskinen ved å bruke følgende formel:

Hvor:

P_tn = Maskinens nominelle varmeeffekt i kW

ETH = Årlig termisk energibehov for vinterklimaanlegg

S = Brukbar overflate i m²

T₁ = Innvendig temperatur i °C

T₂ = Utetemperatur i °C

gg = Grader dag

h = Driftstimer per dag.

La oss ta et eksempel

Land = Roma (klimasone D)
Graddag = 1415
Designet ytre temperatur = 0 °C
Nyttig overflate = 90 m²
ETH = 75
h = 12

Bruk av formelen:

Derfor er maskinens nominelle nytteeffekt lik 7,95 kW

La oss ta et annet eksempel:

Land = Milano (klimasone E)
Graddag = 2404
Designet ytre temperatur = -5 ° C
Nyttig overflate = 90 m²
ETH = 75
h = 16

Bruk av formelen:

Selv om det kan virke rart for noen, ved å analysere dataene, bemerkes det at den termiske kraften som varmepumpen må bruke for å opprettholde optimale temperaturverdier for samme type miljøer i to byer med forskjellige temperaturer, i Roma er lik. 7,95 , 4,39 kW, mens det i Milano er lik XNUMX kW.

Se: "Varmepumpe dimensjonering - metode"

2 - Andre metode

Det er mulig å beregne det årlige termiske energibehovet for vinterklimaanlegg (ETH) ved å ta hensyn til forbruksdataene som er angitt i gassregningen.

For å utføre denne operasjonen må gassforbruket være tilgjengelig i minst de siste 4 påfølgende årene for å oppnå et pålitelig gjennomsnittsforbruk.

Følgende formel kan brukes:

Hvor:

ETH = Årlig termisk energibehov for vinterklimaanlegg

C = gassforbruk uttrykt i sm³ (standard kubikkmeter)

Q = effekt oppnådd per sm³ (standard kubikkmeter) gass (9,6 kWh for metan og 24,5 kWh for LPG).

merk: LPG kjøpes vanligvis i liter. Den har en lavere brennverdi på 12.790 6.500 W / kg - 24.500 XNUMX W / liter og XNUMX XNUMX W / sm³

η = kjeleeffektivitet (0,82 åpent kammer - 0,86 forseglet kammer - 0,97 kondensasjon).

N = er antall brukere for varmtvannsforbruk

500 = årlig energiforbruk per innbygger for produksjon av DHW (husholdningsvarmtvann) uttrykt i kWh

S = nyttig overflate: netto gangbar overflate av bygningens oppvarmede rom.

La oss ta et eksempel

C = 833 sm³

Q = 10,5 kW/t

h = 0,97

N = 4 personer

DHW = forbruk 500 kW / t

S = 90m²

Bruk av formelen:

Med ETH-verdien beregnet på denne måten er det mulig, ved bruk av forrige metode, å gå tilbake til den nominelle varmeeffekten (P._tn) av maskinen uttrykt i kW.

Se: "Varmepumpe dimensjonering - metode"

3 - Tredje metode

Metode som tar hensyn til miljøfaktorene og gir som svar det termiske kravet som er nødvendig for hvert enkelt miljø.

Dyrere enn de tidligere metodene, men etter vår ydmyke mening den mest pålitelige og som ekstremt indikerer varmebehovet fordelt på hvert enkelt miljø.

Tidene for oppvarming av et rom forkortes, innstilt hastighet nås først, men dette innebærer selvsagt en større belastning.

Den forespurte verdien må angis i hver enkelt celle. Det er nødvendig å angi de faktiske dimensjonene i bredde, lengde og høyde for hvert enkelt rom, kardinaleksponeringen, konstruksjonstypen, den ytre temperaturen. Resultatene kan bes om i de angitte måleenhetene.

Ved å legge inn COP (Coefficient Of Performance) er det også mulig å spore det elektriske forbruket i kW.

COP er en ytelseskoeffisient og indikerer kvaliteten på maskinen. Jo høyere verdi, jo mer vil maskinen gi høy ytelse. Med andre ord, hvis COP er lik 3.5, for hver kW energi absorbert av maskinen, vil det gi miljøet termisk energi lik 3,5 kW hvorav 1 kW elektrisitet forbrukt og 2,5 kW tatt fra det ytre miljøet.

Energieffektivitetsklassene i henhold til varmepumper er angitt i det europeiske direktivet 2002/31 / EC.

Se: "Dimensjonering av varmepumpe - kalkulator"

3 - Installasjon

Varmtvannsproduksjon

Standard og kaldt klima varmepumper er designet for å fungere med kjølemedier som R410 eller R32 (se "Trykkforhold for kjølemedietemperatur") for de av siste generasjon. De er i stand til å produsere varmt vann opp til 55 ° C og kan også brukes til produksjon av varmt vann til husholdningsbruk. På grunn av temperaturen under 60 ° C er de ikke i stand til å utføre de termiske desinfeksjonssyklusene som er nødvendige for å unngå mulig dannelse av bakteriekolonier (legionella).

Det er tilrådelig å bruke dem kun til oppvarming og/eller kjøling (i tilfelle av en reversibel maskin), og overlater produksjonen av varmtvann til en mer spesifikk uavhengig enhet, for eksempel en varmepumpe varmtvannsbereder som takket være bruken av R134a kjølemediet er i stand til å utføre desinfeksjonssyklusene.

Hvis du derimot har en maskin for produksjon av høytemperaturvann som opererer med R407C kuldemedium (eller med en spesifikk maskin for oppvarming og varmtvannsproduksjon ved hjelp av et andre kompresjonstrinn med R134a), så er det mulig og praktisk å opprettholde all varmeproduksjonen innenfor samme enhet.

Termisk svinghjulakkumulering

Selv om varmepumpen er en modulerende maskin, er det alltid tilrådelig å sette inn en termisk belastningskompensasjonstank (buffertank eller termisk svinghjul) i kretsen av følgende årsaker:

sikrer optimale driftsforhold for varmepumpen ved å optimere kompressorens stopp-start- (på-av) sykluser med påfølgende senking av forbruket.

muliggjør kobling mellom ulike varmekretser.
den tillater hydraulisk frakobling mellom varmepumpen og systemet slik at de to kretsene kan operere med den mest passende strømningshastigheten og temperaturforskjellen. Varmepumper opererer vanligvis med DT = 5 °C, mens distribusjonskretsen kan fungere med DT enda høyere, avhengig av de tilstedeværende systemklemmene.

Hvis maskinen er utstyrt med en scrollkompressor (på - av), er treghetslagring obligatorisk. Den typiske størrelsen på lagringsvolumet kan fås direkte fra "Beregning av treghetstank”Og er minimum 5.5 liter per kW varmeeffekt som kan leveres av maskinen.

Ekspansjonskar

Ekspansjonskaret er en "lunge" som er koblet til vannsystemet; tjener til å motstå volumvariasjonen forårsaket av oppvarming/avkjøling av vannet inne i systemet (se "Masse og volum av vann". Dette eliminerer ubehagelige problemer på grunn av plutselige trykkøkninger som: åpning av sikkerhetsventiler eller brudd på skjøter og fordelerrør.

For å dimensjonere et ekspansjonskar, se programmet: "Beregning av ekspansjonskarets volum".

For å finne ut antall liter vann som sirkulerer inne i systemet, se programmet: "Beregning av systemets vannvolum".

Strømforsyning

For den elektriske delen av systemet, for å designe kraftledningene, kan du bruke programmet: Størrelse på elektriske kabler - kalkulator.

For å bestemme om du vil bruke et enfase- eller trefasesystem, se følgende program: Beregning av effekt og motorstrømmer

Andre gratis programmer av samme type som tilbys av itiefe ▼

◄ Tilbake