Как спроектировать тепловой насос

Общие указания по проектированию теплового насоса со ссылками на готовое и работающее программное обеспечение. Отличный помощник для тех, кому предстоит сделать выбор типа машины и правильно подобрать ее размеры.

Проектирование теплового насоса — это увлекательный процесс, сочетающий в себе научные, инженерные и практические знания для создания высокоэффективной системы, которая может использовать тепловые ресурсы окружающей среды для обогрева или охлаждения жилых помещений. Это руководство, созданное Itieffe, было разработано, чтобы предложить полный и углубленный обзор этой важной темы в области теплотехники и энергоэффективности.

Тепловые насосы являются экологически безопасным решением для отопления и охлаждения зданий, поскольку они используют минимальное количество электроэнергии для передачи тепла от холодного источника к горячему или наоборот. Этот инновационный подход не только снижает затраты на электроэнергию, но и помогает смягчить воздействие на окружающую среду за счет снижения выбросов парниковых газов, связанных с традиционными системами отопления и охлаждения.

Цель руководства

Это руководство было создано Itieffe, чтобы стать ориентиром для инженеров, дизайнеров, студентов и энтузиастов отрасли, заинтересованных в более глубоком понимании основных и передовых принципов проектирования тепловых насосов.

Начнем с обзора основных функций и компонентов, необходимых для его работы.

Проектирование теплового насоса — это междисциплинарный процесс, требующий знаний в области термодинамики, гидродинамики, электротехники и многого другого. Однако при наличии необходимых знаний и правильного руководства можно эффективно и устойчиво решить эту проблему.

Я надеюсь, что это руководство предоставит вам прочную основу для понимания и успешного подхода к проектированию тепловых насосов. Приятного чтения и удачной работы в увлекательном и все более актуальном мире тепловых насосов.

Как работает тепловой насос и как его определить

Желая поразмыслить над технологией: «Тепловые насосы», отметим, что наконец-то в Италии все техники начали производить расчеты в Вт или кВт.

БТЕ (британские тепловые единицы) окончательно исчезли, и именно так следует видеть, что в нашей системе (СИ) расчет ведется строго в Вт (или кВт).

Что такое тепловой насос

Тепловой насос представляет собой машину, состоящую из замкнутого контура, внутри которого циркулирует газообразный хладагент, способный отбирать тепло из одной среды для передачи его в другую. за счет скрытой теплоты испарения и конденсации и за счет действия компрессора (имейте в виду, что нет машин, производящих холод, а есть только те, которые отбирают тепло).

Летом он извлекает тепло из помещения через испаритель и передает его наружу через конденсатор, вызывая понижение температуры.

Зимой ситуация обратная, испаритель становится конденсатором и наоборот через вентиль (четырехходовой), поэтому будет происходить отвод тепла извне, которое будет выделяться в окружающую среду, вызывая повышение температуры ( видеть: Холодильный контур - основы).

 Коэффициент производительности

Эта передача энергии заставляет тепловой насос умножать электрическую энергию, используемую системой, в результате чего коэффициент полезного действия (COP - коэффициент производительности) превышает единицу.
Таким образом, благодаря высокому КПД эта технология является идеальным решением, позволяющим сочетать затраты, потребление энергии и экологическую устойчивость. Каждый кВт, потребляемый машиной, отдает в окружающую среду около 3,5 кВт (при КПД, равном 3,5).

 

1. компрессор
2. конденсатором
3. испаритель
4. расширительный клапан (ламинатор)
5. четырехходовой клапан

Четырехходовой клапан позволяет испарителю и конденсатору поменяться ролями, так что зимой конденсатор помещается внутрь окружающей среды, отдавая ей тепло, забираемое извне испарителем. И наоборот, летом конденсатор отдает тепло наружу, если испаритель отводит тепло внутрь окружающей среды.

Существует несколько разновидностей тепловых насосов, которые отличаются друг от друга способом обмена жидкостями.

1 - Воздушно-водяные тепловые насосы

Наиболее распространен среди домашних пользователей. В качестве источника энергии используется наружный воздух. Тепло, поглощаемое испарителем из наружного воздуха, передается воде в контуре отопления.

Оптимальная внешняя температура для штатной работы системы должна быть не ниже 2÷4°С.

Ниже этой температуры вы заметите изменения в производительности машины, пропорциональные самой температуре. Чем ниже температура наружного воздуха, тем меньше машина будет обеспечивать приемлемую производительность.

1. Тепловой насос
2. гидравлический комплект
3. бак горячей воды для бытовых нужд
4. сияющий пол
5. Радиаторы

Этот тип машин предлагается производителями в различных комплектациях.

На заводском уровне существуют моноблочные и сплит-модели, которые также могут поставляться со встроенным хранилищем. Наиболее часто используемой конфигурацией машины является сплит-конфигурация, так как она оснащена гидромодулем, который можно установить на стене внутри дома, что позволяет минимизировать внешнюю часть.

 По производительности есть стандартные модели, для сурового климата, и для воды с высокой температурой.

2 - Водоводяные тепловые насосы

Вода используется как источник энергии. Можно использовать тот, что поступает из колодцев или из подземных вод.

Вода поддерживает стабильную температуру в течение всего года (её температура всегда намного выше 4°С).

Это предполагает сохранение отличных эксплуатационных характеристик машины в любое время года.

1. водоносный горизонт (или скважина)
2. Тепловой насос

3 - Геотермальные тепловые насосы

Другой системой теплообмена являются геотермальные зонды. Земля сохраняет свое тепло даже зимой.

С помощью геотермальных зондов, размещенных на глубине, можно улавливать это тепло и затем передавать его воде отопительного контура (очевидно, через тепловой насос).

1. сияющий пол
2. резервуар
3. Тепловой насос
4. геотермальный зонд

Какой автомобиль выбрать

Чтобы выбрать наиболее подходящую машину для ваших нужд, необходимо принять во внимание следующие оценки: тип, конфигурация, размер и установка.

1 - Типология

Выбор типа машины, которая лучше всего соответствует вашим потребностям, больше зависит от температуры, при которой она должна работать, то есть от температуры подачи, требуемой терминалами системы отопления.

На рынке есть машины, работающие при низких или высоких температурах. Выбор можно произвести на основе следующей схемы:

           1 - Радиатор 2 - Фанкойл 3 - Излучающая система

Рабочая температура 65°C Рабочая температура 50°C Рабочая температура 35°C

Высокотемпературная машина Стандартная машина или холодный климат Стандартная машина или холодный климат

Высокотемпературные машины

Может использоваться для замены котла в домах, оборудованных радиаторами с рабочей температурой около 65°С. Они позволяют сохранить раздачу и системные терминалы без изменений. Эти машины способны производить горячую воду до 65°С. Достигнутый COP довольно высок. Они предназначены для эксплуатации при температуре наружного воздуха до -15°С.

Стандартные машины

Может использоваться в новых установках и в домах с низким энергопотреблением. Они способны производить горячую воду до 55°C, достигая высоких показателей COP.
Несмотря на то, что они способны производить тепло при температурах наружного воздуха до -20 ° C, в случае жестких расчетных температур необходимо проверить производительность, поскольку ниже 2 ° C эти машины испытывают значительное снижение производительности по фактической мощности.

Машины для холодного климата

Может использоваться в очень холодных условиях. Они являются идеальным вариантом для сохранения теплопроизводительности даже при очень низких температурах.
Эти машины способны производить тепло при температуре наружного воздуха до -28°С.

При внешней температуре -20 °C они поддерживают постоянную фактически отдаваемую мощность без необходимости использования дополнительного электрического пароперегревателя.

2 - Конфигурация

Чтобы удовлетворить все потребности предприятия в проектировании и монтаже, тепловые насосы производятся в различных конфигурациях: моноблочные, сплит-системы и башни, также называемые «все в одном».

- Моноблок: 

это самый простой и наименее инвазивный для установки. Это единый блок, который должен быть установлен снаружи дома, он не требует создания соединений в газовом контуре, поэтому он поставляется уже готовым и протестированным производителем, что облегчает установку.
Недостатком, который следует учитывать, является необходимость подключения труб подачи и возврата горячей воды вне дома. В зимнее время необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать образования льда, когда машина не работает.

Также можно использовать нагревательные кабели, которые, однако, фактически снижают производительность машины, поскольку они увеличивают потребление электроэнергии в доме.

- Расколоть: 

он является самым распространенным среди доступных. Оснащен компрессором для установки вне дома и гидромодулем для установки внутри.
Внутренний гидромодуль содержит часть конденсации хладагента и подачу горячей воды, поэтому он не создает шума, так как не имеет компрессора.
Габариты также уменьшены, что позволяет устанавливать их в местах, ранее занимаемых котлом. Однако в этом случае установщик должен выполнить соединения подачи и обратки холодильного контура между внутренним и наружным блоками.

А - конденсаторный агрегат для теплового насоса

Б - гидромодуль

1 ÷ 2 - подача газообразного хладагента - обратная труба

3 - труба подачи системной и абонентской горячей воды (зима)

4 - труба системного и пользовательского возврата горячей воды (зима)

Для комплектации двух систем на рынке имеются готовые решения: конденсаторный блок, гидромодуль, тепловой маховик (см. Промежуточный резервуар) и накопительный бак горячей воды для бытовых нужд (ГВС).

Это решение предполагает значительную экономию времени на внедрение и низкую вероятность ошибок при установке.

3 - Размер

Какой размер должен быть у машины

 Расчет номинальной тепловой мощности

Тепловой насос должен реинтегрировать тепловую энергию, рассеянную комплексом, чтобы поддерживать постоянную внутреннюю температуру.

Ниже указаны три метода, которые могут помочь в расчете размера машины, наиболее подходящего для ваших нужд, даже тем, кто на самом деле не работает в этом секторе.

1 - Первый способ

Для расчета необходимо иметь точные данные.

Он начинается с годовой потребности в тепловой энергии для зимнего кондиционирования воздуха.

• ETH - Годовая потребность в тепловой энергии для зимнего кондиционирования воздуха: потребность в тепловой энергии в течение отопительного сезона для зимнего кондиционирования воздуха. Доступно в сертификате энергоэффективности (APE).

• S - полезная площадь: чистая проходимая поверхность отапливаемых помещений здания за вычетом перегородок и наружных стен, включая пороги дверей и пространства под клеммами системы. Имеющиеся в доме данные проекта.
• gg - Градусы в сутки: сумма только положительных разностей между внутренней температурой, условно установленной на уровне 20°С, по сравнению с наружной, в течение зимнего отопительного периода, установленного исходя из климатической зоны самой местности. Доступно в Приложении А к Президентскому указу 412/93 и последующих редакциях (см. Климатические зоны е  Ориентировочные данные по стране).
• T_{СТАНДАРТНОЕ ВОСТОЧНОЕ ВРЕМЯ -} Расчетная внешняя температура (T₂): минимальная внешняя температура, при которой теплогенератор поставляет тепловую энергию в любом случае, достаточную для обеспечения постоянной внутренней температуры. Данные доступны в стандарте UNI 5364 и последующих редакциях или в стандарте UNI 10339 (см. Внешние проектные температуры).
• h - Ежедневные часы работы: максимальное количество часов работы отопления в день (см. Климатические зоны).

Получив эти данные, можно рассчитать номинальную тепловую мощность машины по следующей формуле:

Где:

P_tn = Номинальная тепловая мощность машины в кВт

ETH = Годовая потребность в тепловой энергии для зимнего кондиционирования воздуха

S = полезная площадь в м²

T₁ = Внутренняя температура в ° C

T₂ = Температура наружного воздуха в ° C

gg = градусы дня

h = количество часов работы в день.

Давайте возьмем пример

• Страна = Рим (климатическая зона D)
• Градусов день = 1415
• Расчетная внешняя температура = 0 ° C
• Полезная площадь = 90 м²
• Эфир = 75
• h = 12

Применение формулы:

Следовательно, номинальная полезная мощность машины равна 7,95 кВт.

Возьмем другой пример:

• Страна = Милан (климатическая зона E)
• Градусов день = 2404
• Расчетная внешняя температура = -5°C
• Полезная площадь = 90 м²
• Эфир = 75
• h = 16

Применение формулы:

Хотя некоторым это может показаться странным, анализируя данные, отмечается, что тепловая мощность, которую должен использовать тепловой насос для поддержания оптимальных значений температуры для однотипных сред в двух городах с разной температурой, в Риме равна 7,95 , 4,39 кВт, а в Милане она равна XNUMX кВт.

Видеть: "Расчет теплового насоса - метод

2 - Второй способ

Можно рассчитать годовую потребность в тепловой энергии для зимнего кондиционирования воздуха (ETH) с учетом данных о потреблении, указанных в счете за газ.

Для выполнения этой операции данные о потреблении газа должны быть доступны как минимум за последние 4 года подряд, чтобы получить надежное среднее потребление.

Можно применить следующую формулу:

Где:

ETH = Годовая потребность в тепловой энергии для зимнего кондиционирования воздуха

C = расход газа, выраженный в см³ (стандартный кубический метр)

Q = мощность, полученная на см³ (условный кубометр) газа (9,6 кВтч для метана и 24,5 кВтч для сжиженного нефтяного газа).

• примечание: LPG обычно покупается литрами. Имеет низшую теплотворную способность 12.790 6.500 Вт/кг - 24.500 XNUMX Вт/литр и XNUMX XNUMX Вт/см.³

η = КПД котла (0,82 с открытой камерой - 0,86 с закрытой камерой - 0,97 с конденсацией).

N = количество пользователей для потребления ГВС

500 = годовое потребление энергии на душу населения для производства ГВС (горячее водоснабжение), выраженное в кВтч.

S = полезная площадь: чистая проходимая площадь отапливаемых помещений здания.

Давайте возьмем пример

С = 833 см³

Q = 10,5 кВт/ч

h = 0,97

N = 4 человека

ГВС = потребление 500 кВт/ч

S = 90 м²

Применение формулы:

При рассчитанном таким образом значении ETH можно, используя предыдущий метод, вернуться к номинальной тепловой мощности (стр._tn) машины, выраженной в кВт.

Видеть: "Расчет теплового насоса - метод

3 - Третий способ

Метод, учитывающий факторы окружающей среды и дающий ответ на потребность в тепле, необходимую для каждой отдельной среды.

Более дорогой, чем предыдущие методы, но, по нашему скромному мнению, самый надежный, что чрезвычайно указывает на потребность в тепле, разделенную для каждой отдельной среды.

Время нагрева помещения сокращается, заданная скорость достигается раньше, но это, очевидно, требует большей нагрузки. 

Запрашиваемое значение должно быть введено в каждую отдельную ячейку. Необходимо ввести фактические размеры по ширине, длине и высоте каждой отдельной комнаты, стороны света, тип конструкции, наружную температуру. Результаты можно запросить в указанных единицах измерения.

Вводя COP (коэффициент производительности), также можно отслеживать потребление электроэнергии в кВт.

COP является коэффициентом производительности и указывает на качество машины. Чем выше его значение, тем больше машина будет обеспечивать высокую производительность. Другими словами, если КПД равен 3.5, то на каждый кВт энергии, поглощаемой машиной, она будет отдавать в окружающую среду тепловую энергию, равную 3,5 кВт, из которых 1 кВт потребляемой электроэнергии и 2,5 кВт отбираемых из внешней среды.

Классы энергоэффективности по тепловым насосам указаны в европейской директиве 2002/31/ЕС.

Видеть: "Расчет теплового насоса - калькулятор

 3 - Монтаж

 Производство горячей воды

Стандартные тепловые насосы и тепловые насосы для холодного климата предназначены для работы с такими хладагентами, как R410 или R32 (см.Коэффициент давления температуры хладагента ) для устройств последнего поколения. Они способны производить горячую воду до 55°C, а также могут использоваться для производства горячей воды для бытовых нужд. Из-за температуры ниже 60°С они не могут проводить циклы термической дезинфекции, необходимые для предотвращения возможного образования колоний бактерий (легионелл).

Целесообразно использовать их только для отопления и/или охлаждения (в случае реверсивной машины), оставляя производство ГВС более конкретному независимому агрегату, например, водонагревателю теплового насоса, который благодаря использованию R134a хладагент способен выполнять циклы дезинфекции.

Если, с другой стороны, у вас есть машина для производства высокотемпературной воды, работающая с хладагентом R407C (или со специальной машиной для отопления и производства ГВС посредством второй ступени сжатия с R134a), то это возможно и удобно поддерживать всю выработку тепла в пределах одного агрегата.

Накопление теплового маховика

Даже если тепловой насос является модулирующей машиной, всегда рекомендуется вставлять в контур аккумулирующий бак для компенсации тепловой нагрузки (буферный бак или тепловой маховик) по следующим причинам:

• обеспечивает оптимальные условия работы теплового насоса за счет оптимизации циклов остановки-запуска (включения-выключения) компрессора с последующим снижением потребления.

• позволяет соединять различные отопительные контуры.
• он обеспечивает гидравлическую развязку между тепловым насосом и системой, так что два контура могут работать с наиболее подходящей скоростью потока и температурным перепадом. Тепловые насосы обычно работают с DT = 5°C, в то время как, в зависимости от наличия клемм системы, распределительный контур может работать с DT даже выше.

Если машина оснащена спиральным компрессором (вкл.-выкл.), инерционный накопитель обязателен. Типовой размер тома хранилища можно получить непосредственно из "Расчет инерционного бака«И составляет минимум 5.5 литров на кВт тепловой мощности, которую может обеспечить машина.

 Расширительный бак

Расширительный бак представляет собой «легкое», которое подключается к системе водоснабжения; служит для того, чтобы выдерживать изменение объема, вызванное нагревом/охлаждением воды внутри системы (см.Масса и объем воды". Это устраняет неприятные проблемы из-за резкого повышения давления, такие как: открытие предохранительных клапанов или поломка соединений и распределительных труб.

Чтобы определить размер расширительного бака, обратитесь к программе: "Расчет объема расширительного бака».

Чтобы узнать литры воды, циркулирующей внутри системы, обратитесь к программе: "Расчет системного объема воды».

Питание

Для электрической части системы, для проектирования линий электропередач можно использовать программу: Размеры электрических кабелей - калькулятор.

Чтобы решить, следует ли использовать однофазную или трехфазную систему, обратитесь к следующей программе: Расчет мощности и тока двигателя

• Кондиционирование воздуха
• Воздушные каналы
• Вентиляционные системы
• Автономные кондиционеры
• Психрометрические диаграммы
• Столы с кондиционером
• Качество воздуха
• Схемы и чертежи кондиционирования

◄ Назад