Hur man designar en värmepump

Allmänna anvisningar om hur man designar en värmepump komplett med referenser till komplett och fungerande mjukvara. Till utmärkt hjälp för dem som måste välja typ av maskin och dess korrekta dimensionering.

Att designa en värmepump är en fascinerande process som kombinerar vetenskaplig, ingenjörskonst och praktisk kunskap för att skapa ett högeffektivt system som kan utnyttja den omgivande miljöns termiska resurser för att värma eller kyla bostadsutrymmen. Den här guiden skapad av Itiefe har utformats för att ge en komplett och djupgående översikt över detta avgörande ämne inom området termisk teknik och energieffektivitet.

Värmepumpar representerar en hållbar lösning för att värma och kyla byggnader, eftersom de använder en minimal mängd el för att överföra värme från en kall källa till en varm eller vice versa. Detta innovativa tillvägagångssätt minskar inte bara energikostnaderna utan hjälper också till att minska miljöpåverkan genom att minska utsläppen av växthusgaser i samband med traditionella värme- och kylsystem.

Syftet med guiden

Den här guiden skapades av Itieffe för att vara en referenspunkt för ingenjörer, designers, studenter och industrientusiaster som är intresserade av att på djupet förstå de grundläggande och avancerade principerna för värmepumpsdesign.

Vi börjar med en översikt över de viktigaste funktionerna och komponenterna som är nödvändiga för dess drift.

Att designa en värmepump är en multidisciplinär process som kräver expertis inom termodynamik, vätskedynamik, elektroteknik med mera. Men med rätt kunskap och rätt vägledning är det möjligt att tackla denna utmaning effektivt och hållbart.

Jag hoppas att den här guiden ger dig en solid grund för att förstå och närma dig värmepumpsdesign med tillförsikt och framgång. Glad läsning och gott arbete i värmepumparnas fascinerande och allt mer relevanta värld.

Hur en värmepump fungerar och hur man dimensionerar den

För att reflektera över tekniken: "Värmepumpar", konstaterar vi att äntligen i Italien har alla tekniker börjat göra beräkningar i W eller kW.

BTU:erna (brittiska termiska enheter) har äntligen försvunnit och det är så det måste ses att i vårt system (SI) är beräkningarna strikt i W (eller kW).

Vad är en värmepump

Värmepumpen är en maskin som består av en sluten krets i vilken en köldmediegas cirkulerar, som kan subtrahera värme från en miljö för att överföra den till en annan. genom det latenta värmet från avdunstning och kondens och genom kompressorns verkan (tänk på att det inte finns några maskiner som producerar kyla utan bara de som drar bort värme).

På sommaren hämtar den värme från insidan av rummet via förångaren och överför den till utsidan via kondensorn, vilket orsakar en sänkning av temperaturen.

På vintern är situationen den omvända, förångaren blir en kondensor och vice versa genom en ventil (fyrvägs), det kommer därför att ske en subtraktion av värme från utsidan som kommer att släppas ut i miljön, vilket orsakar en ökning av temperaturen (se : Kylkrets - Grunderna).

Prestandakoefficient

Denna energiöverföring får värmepumpen att multiplicera den elektriska energin som används av systemet, vilket resulterar i en prestandakoefficient (COP - Coefficient of Performance) som är större än en.
Tack vare sin höga COP är denna teknik därför den idealiska lösningen som kan förena kostnader och energiförbrukning och miljömässig hållbarhet. Varje kW som absorberas av maskinen tillför cirka 3,5 till miljön (med COP lika med 3,5).

kompressor
kondensator
stare
expansionsventil (laminator)
fyrvägsventil

Fyrvägsventilen gör att förångaren och kondensorn kan byta roller så att kondensorn på vintern placeras inne i miljön, vilket ger den värmen som tas från utsidan av förångaren. Omvänt, på sommaren, avger kondensorn värme till utsidan om förångaren utvinner värme från insidan av miljön.

Det finns flera varianter av värmepumpar som skiljer sig från varandra i hur vätskor byts ut.

1 - Luft-vatten värmepumpar

Det är det vanligaste för hushållsanvändare. Som energikälla används utomhusluft. Värmen som absorberas från den yttre luften av förångaren överförs till vattnet i värmekretsen.

Den optimala yttre temperaturen för normal systemdrift bör inte vara under 2 ÷ 4 °C.

Under denna temperatur kommer du att märka variationer i maskinens prestanda proportionell mot själva temperaturen. Ju lägre utetemperatur, desto mindre ger maskinen acceptabel prestanda.

värmepump
hydroniskt kit
varmvattentank för hushållsbruk
strålande golv
radiatorer

Denna typ av maskin erbjuds av tillverkarna i olika konfigurationer.

På anläggningsnivå finns monoblock och delade modeller som även kan förses med integrerad förvaring. Den vanligaste maskinkonfigurationen är den delade eftersom den är utrustad med en hydromodul som kan installeras på väggen inne i hemmet, vilket gör det möjligt att minimera den yttre delen.

När det gäller prestanda finns det standardmodeller, för tuffa klimat och för högtemperaturvatten.

2 - Vatten-vatten värmepumpar

Vatten används som energikälla. Den som kommer från brunnar eller från grundvatten kan användas.

Vattnet håller en stabil temperatur under hela året (dess temperatur är alltid långt över 4 ° C).

Detta innebär att maskinens utmärkta driftsprestanda upprätthålls under alla årstider.

akvifer (eller brunn)
värmepump

3 - Jordvärmepumpar

Ett annat värmeväxlingssystem är de geotermiska sonderna. Marken har sin egen värme även på vintern.

Med hjälp av jordvärmesonder placerade på djupet är det möjligt att fånga upp denna värme och sedan överföra den till vattnet i värmekretsen (självklart genom värmepumpen).

strålande golv
lagringstank
värmepump
geotermisk sond

Vilken bil man ska välja

För att välja den mest lämpliga maskinen för dina behov måste följande utvärderingar beaktas: typ, konfiguration, storlek och installation.

1 - Typologi

Valet av den typ av maskin som bäst passar dina behov beror mer på den temperatur som den måste arbeta vid, det vill säga den leveranstemperatur som krävs av värmekretssystemets plintar.

Det finns maskiner som arbetar vid låga eller höga temperaturer på marknaden. Urvalet kan göras på grundval av följande schema:

1 - Kylare 2 - Fläktkonvektor 3 - Strålningssystem

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

Högtemperaturmaskin Standardmaskin eller kallt klimat Standardmaskin eller kallt klimat

Högtemperaturmaskiner

Kan användas för att byta ut pannan i bostäder utrustade med radiatorer med en driftstemperatur på cirka 65 ° C. De gör det möjligt att hålla distributionen och systemterminalerna oförändrade. Dessa maskiner kan producera varmvatten upp till 65 ° C. Den uppnådda COP är ganska hög. De kommer att fungera med extern lufttemperatur ner till -15 ° C.

Standardmaskiner

Kan användas i nya installationer och för hus med låg energiförbrukning. De kan producera varmvatten upp till 55 ° C och når höga COP-värden.
Även om de kan producera värme med externa lufttemperaturer ner till -20 ° C, måste prestandan kontrolleras vid styva designtemperaturer eftersom dessa maskiner under 2 ° C lider av en betydande minskning av prestanda för den effekt som faktiskt levereras.

Maskiner för kallt klimat

Kan användas i mycket kalla miljöer. De är det idealiska alternativet för att säkerställa att värmekapaciteten bibehålls även vid mycket låga temperaturer.
Dessa maskiner kan producera värme med utomhustemperaturer så låga som -28 ° C.

Med en yttre temperatur på -20 ° C håller de den faktiskt levererade effekten konstant utan att behöva en extra elektrisk överhettare.

2 - Konfiguration

För att tillgodose alla anläggningstekniska och installationsbehov tillverkas värmepumparna med olika konfigurationer: monoblock, split och tower även kallat "Allt i ett".

- Monoblock:

det är det enklaste och minst invasiva att installera. Det är en enda enhet som måste installeras utanför huset, det kräver inte skapandet av anslutningar i gaskretsen som därför kommer redan komplett och testad av tillverkaren, vilket underlättar installationen.
En nackdel att tänka på är att man måste göra anslutningarna av tillförsel- och returledningar för varmvattnet utanför huset. Under vintersäsongen måste försiktighetsåtgärder vidtas för att undvika isbildning när maskinen inte fungerar.

Värmekablar skulle också kunna användas som dock faktiskt minskar maskinens prestanda då de summerar till hemmets elförbrukning.

- Dela:

det är den mest utbredda bland de tillgängliga. Utrustad med en kompressor som ska installeras utanför hemmet och en hydronisk modul som ska installeras inuti.
Den interna hydroniska modulen innehåller kondenseringsdelen av köldmediet och leveransen av varmvattnet, därför genererar den inget ljud eftersom den är utan kompressor.
Dimensionerna är också reducerade, vilket möjliggör installation i de utrymmen som tidigare upptogs av pannan. I detta fall måste dock installatören göra flödes- och returanslutningarna för kylkretsen mellan inomhus- och utomhusenheterna.

A - kondensaggregat för värmepump

B - hydronisk modul

1 ÷ 2 - kylmedelsgasflöde - returrör

3 - system och användare varmvattenledning (vinter)

4 - system och användarens varmvattenreturrör (vinter)

För att komplettera de två systemen finns det kompletta lösningar på marknaden för allt: kondenseringsenhet, hydronisk modul, termiskt svänghjul (se hur man beräknar en bufferttank) och varmvattentank (DHW).

Denna lösning innebär en avsevärd besparing i implementeringstider och en låg möjlighet att göra installationsfel.

3 - Storlek

Vilken storlek ska maskinen ha

Beräkning av den nominella värmeeffekten

Värmepumpen måste återintegrera den termiska energin som sprids av komplexet för att hålla den inre temperaturen konstant.

Nedan anges tre metoder som kan vara till hjälp för att beräkna den mest lämpliga maskinstorleken för ens behov, även av de som inte riktigt är i branschen.

1 - Första metoden

Det är nödvändigt att ha exakta data för att göra beräkningen.

Det börjar med det årliga värmeenergibehovet för vinterluftkonditionering.

ETH - Årligt värmeenergibehov för vinterluftkonditionering: den värmeenergi som krävs, under uppvärmningssäsongen, för vinterluftkonditionering. Finns i energiprestandacertifikatet (APE).

S - Användbar yta: den nettobeträdbara ytan för de uppvärmda rummen i byggnaden nätet av skiljeväggar och ytterväggar, inklusive dörrarnas trösklar och utrymmena under systemterminalerna. Tillgänglig i husets projektdata.
gg - Graddag: summan av endast de positiva skillnaderna mellan den inre temperaturen som konventionellt är inställd på 20 ° C jämfört med den externa, under en vinteruppvärmningsperiod som fastställs på basis av klimatzonen på själva platsen. Tillgänglig i bilaga A till presidentdekret 412/93 och efterföljande ändringar (se Klimatzoner e Vägledande landdata).
T_{ÖST -} Konstruerad yttre temperatur (T₂): den lägsta yttertemperatur vid vilken värmegeneratorn levererar värmeenergi, dock tillräcklig för att garantera att den inre temperaturen förblir stationär. Uppgifterna är tillgängliga genom att konsultera UNI 5364-standarden och efterföljande revisioner eller UNI 10339-standarden (se Externa projekttemperaturer).
h - Daglig drifttid: uppvärmningens maximala dagliga drifttimmar (se Klimatzoner).

Efter att ha erhållit dessa data är det möjligt att beräkna maskinens nominella värmeeffekt med hjälp av följande formel:

Duva:

P_tn = Maskinens nominella värmeeffekt i kW

ETH = Årligt värmeenergibehov för vinterluftkonditionering

S = Användbar yta i m²

T₁ = Innertemperatur i °C

T₂ = Utetemperatur i °C

gg = Grader dag

h = Drifttimmar per dag.

Låt oss ta ett exempel

Land = Rom (klimatzon D)
Graddag = 1415
Konstruerad yttertemperatur = 0 °C
Användbar yta = 90 m²
ETH = 75
h = 12

Att tillämpa formeln:

Därför är maskinens nominella nyttoeffekt lika med 7,95 kW

Låt oss ta ett annat exempel:

Land = Milano (klimatzon E)
Graddag = 2404
Designad yttre temperatur = -5 °C
Användbar yta = 90 m²
ETH = 75
h = 16

Att tillämpa formeln:

Även om det kan tyckas konstigt för vissa, när man analyserar data, noteras det att den termiska kraften som värmepumpen måste använda för att upprätthålla optimala temperaturvärden för samma typ av miljöer i två städer med olika temperaturer, i Rom är lika med 7,95 , 4,39 kW, medan det i Milano är lika med XNUMX kW.

Att se: "Dimensionering av värmepump - metod"

2 - Andra metoden

Det är möjligt att beräkna det årliga värmeenergibehovet för vinterluftkonditionering (ETH) med hänsyn till förbrukningsdata som anges i gasräkningen.

För att utföra denna operation måste gasförbrukningen vara tillgänglig under åtminstone de senaste fyra åren i följd för att få en tillförlitlig genomsnittlig förbrukning.

Följande formel kan användas:

Duva:

ETH = Årligt värmeenergibehov för vinterluftkonditionering

C = gasförbrukning uttryckt i sm³ (standard kubikmeter)

Q = effekt erhållen per sm³ (standard kubikmeter) gas (9,6 kWh för metan och 24,5 kWh för gasol).

OBS: Gasol köps vanligtvis i liter. Den har ett lägre värmevärde på 12.790 6.500 W / kg - 24.500 XNUMX W / liter och XNUMX XNUMX W / sm³

η = panneffektivitet (0,82 öppen kammare - 0,86 förseglad kammare - 0,97 kondensation).

N = är antalet användare för varmvattenförbrukning

500 = årlig energiförbrukning per capita för produktion av varmvatten (tappvarmvatten) uttryckt i kWh

S = användbar yta: nettogångbar yta av byggnadens uppvärmda rum.

Låt oss ta ett exempel

C = 833 sm³

Q = 10,5 kW/h

h = 0,97

N = 4 personer

VV = förbrukning 500 kW/h

S = 90 m²

Att tillämpa formeln:

Med ETH-värdet beräknat på detta sätt är det möjligt, med föregående metod, att gå tillbaka till den nominella värmeeffekten (P._tn) av maskinen uttryckt i kW.

Att se: "Dimensionering av värmepump - metod"

3 - Tredje metoden

Metod som tar hänsyn till miljöfaktorer och ger som svar det termiska krav som krävs för varje enskild miljö.

Dyrare än de tidigare metoderna men, enligt vår ödmjuka mening, den mest pålitliga och som extremt indikerar värmebehovet uppdelat på varje enskild miljö.

Tiderna för uppvärmning av ett rum förkortas, den inställda hastigheten uppnås först men detta innebär naturligtvis en större belastning.

Det begärda värdet måste anges i varje enskild cell. Det är nödvändigt att ange de faktiska måtten i bredd, längd och höjd för varje enskilt rum, kardinalexponeringen, typen av konstruktion, den yttre temperaturen. Resultaten kan begäras i de angivna måttenheterna.

Genom att ange COP (Coefficient Of Performance) är det också möjligt att spåra elförbrukningen i kW.

COP är en prestandakoefficient och indikerar maskinens kvalitet. Ju högre dess värde, desto mer kommer maskinen att ge hög prestanda. Med andra ord, om COP är lika med 3.5, för varje kW energi som absorberas av maskinen, kommer det att förse miljön med termisk energi lika med 3,5 kW varav 1 kW elektricitet som förbrukas och 2,5 kW tas från den yttre miljön.

Energieffektivitetsklasserna enligt värmepumpar anges i det europeiska direktivet 2002/31 / EC.

Att se: "Dimensionering av värmepump - kalkylator"

3 - installera

VV-produktion

Standard- och kallklimatvärmepumpar är designade för att fungera med köldmedier som R410 eller R32 (se "Köldmedietemperaturtryck") för de av den senaste generationen. De kan producera varmvatten upp till 55 ° C och kan även användas för produktion av hushållsvarmvatten. På grund av temperaturen under 60 ° C kan de inte utföra de termiska desinfektionscykler som är nödvändiga för att undvika eventuell bildning av bakteriekolonier (legionella).

Det är tillrådligt att endast använda dem för uppvärmning och/eller kylning (i fallet med en reversibel maskin), vilket överlåter produktionen av varmvatten till en mer specifik oberoende enhet, till exempel en värmepumpsvattenberedare som tack vare användningen av R134a kylmediet kan utföra desinfektionscyklerna.

Om du däremot har en maskin för produktion av högtemperaturvatten som arbetar med köldmedium R407C (eller med en specifik maskin för uppvärmning och varmvattenproduktion med hjälp av ett andra kompressionssteg med R134a), så är det möjligt och bekvämt att upprätthålla all värmeproduktion inom samma enhet.

Termisk svänghjulsackumulering

Även om värmepumpen är en modulerande maskin, är det alltid lämpligt att sätta in en termisk belastningskompensationstank (bufferttank eller termiskt svänghjul) i kretsen av följande skäl:

säkerställer optimala driftsförhållanden för värmepumpen genom att optimera kompressorns stopp-start- (på-av) cykler med åtföljande sänkning av förbrukningen.

möjliggör koppling mellan olika värmekretsar.
den möjliggör hydraulisk frånkoppling mellan värmepumpen och systemet så att de två kretsarna kan arbeta med den lämpligaste flödeshastigheten och temperaturskillnaden. Värmepumpar arbetar vanligtvis med DT = 5 ° C medan, beroende på vilka systemterminaler som finns, kan distributionskretsen arbeta med DT ännu högre.

Om maskinen är utrustad med en scrollkompressor (på - av) är tröghetslagringen obligatorisk. Den typiska storleken på lagringsvolymen kan erhållas direkt från "Beräkning av tröghetsbehållare”Och är minst 5.5 liter per kW värmeeffekt som kan levereras av maskinen.

Expansionskärl

Expansionskärlet är en "lunga" som är kopplad till vattensystemet; tjänar till att motstå volymvariationer som orsakas av uppvärmning/kylning av vattnet inuti systemet (se "Massa och volym vatten". Detta eliminerar obehagliga problem på grund av plötsliga tryckökningar såsom: öppning av säkerhetsventiler eller brott av skarvar och distributionsrör.

För att dimensionera ett expansionskärl, se programmet: "Beräkning av expansionsfartygets volym".

För att ta reda på hur många liter vatten som cirkulerar inuti systemet, se programmet: "Beräkning av systemets vattenvolym".

Strömförsörjning

För den elektriska delen av systemet, för att designa kraftledningarna, kan du använda programmet: Storlek på elektriska kablar - miniräknare.

För att bestämma om du ska använda ett enfas- eller trefassystem, se följande program: Beräkning av effekt och motorströmmar

Andra gratisprogram av samma slag som erbjuds av itieffe ▼

◄ Tillbaka