Як спроектувати тепловий насос

Загальні вказівки щодо проектування теплового насоса разом із посиланнями на повне та функціональне програмне забезпечення. Чудово допоможе тим, кому потрібно визначитися з типом машини та її правильним розміром.

Розробка теплового насоса — це захоплюючий процес, який поєднує наукові, інженерні та практичні знання для створення високоефективної системи, здатної використовувати теплові ресурси навколишнього середовища для обігріву або охолодження житлових приміщень. Цей посібник, створений Itieffe, був розроблений, щоб запропонувати повний і поглиблений огляд цієї важливої теми в галузі теплотехніки та енергоефективності.

Теплові насоси є надійним рішенням для опалення та охолодження будівель, оскільки вони споживають мінімальну кількість електроенергії для передачі тепла від холодного джерела до гарячого або навпаки. Цей інноваційний підхід не тільки зменшує витрати на енергію, але й допомагає пом’якшити вплив на навколишнє середовище шляхом зменшення викидів парникових газів, пов’язаних із традиційними системами опалення та охолодження.

Призначення посібника

Цей посібник було створено компанією Itieffe, щоб стати довідником для інженерів, дизайнерів, студентів і ентузіастів промисловості, зацікавлених у глибокому розумінні основних і передових принципів проектування теплового насоса.

Ми почнемо з огляду основних функцій і компонентів, необхідних для його роботи.

Розробка теплового насоса є міждисциплінарним процесом, який вимагає досвіду в термодинаміці, гідродинаміці, електротехніці тощо. Однак, маючи правильні знання та належне керівництво, можна ефективно та стабільно впоратися з цією проблемою.

Я сподіваюся, що цей посібник забезпечить вам міцну основу для розуміння та підходу до проектування теплового насоса з впевненістю та успіхом. Приємного читання та гарної роботи в захоплюючому та все більш актуальному світі теплових насосів.

Як працює тепловий насос і як його розмір

Бажаючи поміркувати над технологією: «Теплові насоси», зазначимо, що нарешті в Італії всі техніки почали робити розрахунки у Вт або кВт.

BTU (британські теплові одиниці) нарешті зникли, і ось як слід бачити, що в нашій системі (SI) розрахунки проводяться строго у Вт (або кВт).

Що таке тепловий насос

Тепловий насос являє собою машину, що складається із замкнутого контуру, всередині якого циркулює холодоагент, здатний відбирати тепло від одного середовища для передачі його в інше. через приховану теплоту випаровування та конденсації та через дію компресора (запам’ятайте, що не існує машин, які виробляють холод, а лише ті, які віднімають тепло).

Влітку він витягує тепло з приміщення через випарник і передає його назовні через конденсатор, викликаючи зниження температури.

Взимку ситуація змінюється, випарник стає конденсатором і навпаки через клапан (чотириходовий), тому буде відбуватися віднімання тепла ззовні, яке буде виділятися в навколишнє середовище, викликаючи підвищення температури (див. : Холодильний контур - основи).

Коефіцієнт ефективності

Ця передача енергії змушує тепловий насос множити електричну енергію, що використовується системою, в результаті чого коефіцієнт продуктивності (COP - коефіцієнт продуктивності) перевищує одиницю.
Завдяки високому COP ця технологія є ідеальним рішенням, здатним узгодити витрати та споживання енергії та екологічну стійкість. Кожен кВт, що поглинається машиною, подає в навколишнє середовище близько 3,5 (з COP, рівним 3,5).

компресор
конденсатор
випарник
розширювальний клапан (ламінатор)
чотириходовий клапан

Чотириходовий клапан дозволяє випарнику і конденсатору обмінюватися ролями, так що взимку конденсатор розміщується всередині навколишнього середовища, віддаючи йому тепло, що відбирається ззовні випарником. І навпаки, влітку конденсатор виділяє тепло назовні, якщо випарник витягує тепло зсередини.

Існує кілька різновидів теплових насосів, які відрізняються один від одного за способом обміну рідин.

1 - Теплові насоси повітря-вода

Найбільш поширений для вітчизняних користувачів. Як джерело енергії використовується зовнішнє повітря. Тепло, поглинене випарником із зовнішнього повітря, передається воді в контурі опалення.

Оптимальна зовнішня температура для нормальної роботи системи не повинна бути нижче 2 ÷ 4 ° C.

Нижче цієї температури ви помітите зміни в продуктивності машини, пропорційні самій температурі. Чим нижча зовнішня температура, тим менше машина забезпечить прийнятну продуктивність.

тепловий насос
гідравлічний комплект
бак гарячої води для побутових потреб
промениста підлога
радіатори

Цей тип машини пропонують виробники в різних комплектаціях.

На рівні заводу існують моноблочні та роздільні моделі, які також можуть бути оснащені вбудованим сховищем. Найпоширенішою конфігурацією машини є роздільна, оскільки оснащена гідромодулем, який можна встановити на стіні всередині будинку, що дозволяє мінімізувати зовнішню частину.

За продуктивністю є стандартні моделі, для суворого клімату, і для високої температури води.

2 - Теплові насоси вода-вода

Вода використовується як джерело енергії. Можна використовувати той, що надходить із колодязів або з підземних вод.

Вода підтримує стабільну температуру протягом усього року (її температура завжди значно вище 4 °С).

Це передбачає збереження відмінних експлуатаційних характеристик машини в будь-який сезон.

водоносний горизонт (або колодязь)
тепловий насос

3 - Геотермальні теплові насоси

Іншою системою теплообміну є геотермальні зонди. Земля навіть взимку має своє тепло.

За допомогою геотермальних зондів, розміщених на глибині, можна вловити це тепло, а потім передати його воді опалювального контуру (очевидно, через тепловий насос).

промениста підлога
резервуар для зберігання
тепловий насос
геотермальний зонд

Який автомобіль вибрати

Щоб вибрати найбільш підходящу машину для ваших потреб, необхідно враховувати наступні оцінки: тип, конфігурацію, розмір і установку.

1 - Типологія

Вибір типу машини, яка найкраще відповідає вашим потребам, залежить більше від температури, при якій їй доведеться працювати, тобто температури подачі, необхідної для клем системи опалення.

На ринку є машини, що працюють при низьких або високих температурах. Вибір можна зробити за такою схемою:

1 - Радіатор 2 - Фанкойл 3 - Радіаторна система

Робоча температура 65 °C Робоча температура 50 °C Робоча температура 35 °C

Високотемпературна машина Стандартна машина або холодний клімат Стандартна машина або холодний клімат

Високотемпературні машини

Можна використовувати замість котла в будинках, обладнаних радіаторами з робочою температурою близько 65 °C. Вони дозволяють зберегти розподіл і термінали системи незмінними. Ці машини здатні виробляти гарячу воду до 65 ° C. Досягнутий COP досить високий. Вони працюють при температурі зовнішнього повітря до -15 °C.

Стандартні машини

Може використовуватися в нових установках і в будинках з низьким споживанням енергії. Вони здатні виробляти гарячу воду до 55 ° C, досягаючи високих значень COP.
Незважаючи на те, що вони здатні виробляти тепло при температурі зовнішнього повітря до -20 °C, у випадку жорстких розрахункових температур продуктивність повинна бути перевірена, оскільки нижче 2 °C ці машини зазнають значного зниження продуктивності фактично відданої потужності.

Машини для холодного клімату

Можна використовувати в дуже холодних середовищах. Вони є ідеальним варіантом для збереження теплоємності навіть при дуже низьких температурах.
Ці машини здатні виробляти тепло при температурі зовнішнього повітря до -28 °C.

При зовнішній температурі -20 °C вони зберігають фактично віддану потужність постійною без необхідності додаткового електричного пароперегрівача.

2 - Конфігурація

Для того, щоб задовольнити всі потреби в інженерії та монтажі, теплові насоси випускаються в різних конфігураціях: моноблочні, роздільні та баштові, які також називають «Все в одному».

- Моноблок:

це найпростіший і найменш інвазивний в установці. Це єдиний блок, який необхідно встановлювати за межами будинку, він не вимагає створення з’єднань в газовому контурі, який, отже, надходить у комплекті та перевірений виробником, що полегшує монтаж.
Недоліком, який слід враховувати, є необхідність виконувати з’єднання труб подачі та повернення гарячої води за межами будинку. У зимовий період необхідно вживати заходів, щоб уникнути утворення льоду, коли машина не працює.

Можна також використовувати нагрівальні кабелі, які, однак, фактично знижують продуктивність машини, оскільки вони додають до споживання електроенергії в будинку.

- Розділ:

він є найпоширенішим серед наявних. Оснащений компресором для установки поза домом і гідромодулем для установки всередині.
Внутрішній гідромодуль містить конденсаційну частину холодоагенту та подачу гарячої води, тому він не створює жодного шуму, оскільки він без компресора.
Розміри також зменшені, що дозволяє встановлювати його в приміщеннях, які раніше займали котел. Однак у цьому випадку установник повинен буде виконати з’єднання подачі і зворотного потоку холодильного контуру між внутрішнім і зовнішнім блоками.

А - конденсаційний агрегат для теплового насоса

Б - гідромодуль

1 ÷ 2 - подача холодоагенту - зворотна труба

3 - труба подачі гарячої води системи та користувача (зима)

4 - зворотна труба системи та користувача гарячої води (зима)

Для завершення двох систем на ринку є комплексні рішення: конденсаційний блок, гідромодуль, тепловий маховик (див., як розрахувати буферний резервуар) і накопичувальний бак гарячої води (ГВП).

Це рішення передбачає значну економію часу впровадження та низьку ймовірність помилок при установці.

3 - Розмір

Якого розміру повинна мати машина

Розрахунок номінальної теплової потужності

Тепловий насос повинен реінтегрувати теплову енергію, розсіяну комплексом, щоб підтримувати внутрішню температуру постійною.

Нижче наведено три методи, які можуть допомогти в розрахунку найбільш підходящого розміру машини для власних потреб, навіть тим, хто насправді не в цьому секторі.

1 - Перший спосіб

Для розрахунку необхідно мати точні дані.

Вона починається з річної потреби в тепловій енергії для зимового кондиціонування повітря.

ETH - Річна потреба в тепловій енергії для зимового кондиціонування повітря: теплова енергія, необхідна протягом опалювального сезону для зимового кондиціонування. Доступно в сертифікаті енергетичних характеристик (APE).

S - Корисна поверхня: чиста прохідна поверхня опалювальних приміщень будівлі без перегородок і зовнішніх стін, включаючи пороги дверей і простір під клемами системи. Доступні дані проекту будинку.
gg - градусний день: сума тільки додатних різниць між внутрішньою температурою, умовно встановленою на 20 °C, порівняно із зовнішньою, протягом зимового опалювального періоду, встановленої на основі кліматичної зони самого місця. Доступний у Додатку А до Указу Президента 412/93 та наступних переглядах (див. Кліматичні пояси e Орієнтовні дані про країну).
T_{СХІД -} Розрахункова зовнішня температура (Т₂): мінімальна зовнішня температура, при якій теплогенератор подає теплову енергію в будь-якому випадку достатню для того, щоб внутрішня температура залишалася нерухомою. Дані доступні, звернувшись до стандарту UNI 5364 та наступних редакцій або стандарту UNI 10339 (див. Зовнішні температури проекту).
h - Добові години роботи: максимальні добові години роботи опалення (див Кліматичні зони).

Отримавши ці дані, можна розрахувати номінальну тепловіддачу машини за такою формулою:

Де:

P_tn = Номінальна тепловіддача машини в кВт

ETH = річна потреба в тепловій енергії для зимового кондиціонування повітря

S = Корисна поверхня в м²

T₁ = Внутрішня температура в °C

T₂ = Зовнішня температура в °C

gg = градусний день

h = години роботи на добу.

Візьмемо приклад

Країна = Рим (кліматична зона D)
Градусний день = 1415
Розрахункова зовнішня температура = 0 °С
Корисна поверхня = 90 м²
ETH = 75
год = 12

Застосування формули:

Тому номінальна корисна потужність машини дорівнює 7,95 кВт

Візьмемо інший приклад:

Країна = Мілан (кліматична зона E)
Градусний день = 2404
Розрахункова зовнішня температура = -5 °С
Корисна поверхня = 90 м²
ETH = 75
год = 16

Застосування формули:

Хоча деяким це може здатися дивним, аналізуючи дані, зазначається, що теплова потужність, яку тепловий насос повинен використовувати для підтримки оптимальних значень температури для одного типу середовища в двох містах з різними температурами, в Римі дорівнює 7,95 , 4,39 кВт, тоді як у Мілані це XNUMX кВт.

Бачити: "Розмір теплового насоса - метод"

2 - Другий спосіб

Розрахувати річну потребу в тепловій енергії для зимового кондиціонування повітря (ETH) можна з урахуванням даних споживання, зазначених у рахунку за газ.

Щоб виконати цю операцію, споживання газу має бути доступним протягом принаймні 4 останніх років поспіль, щоб отримати надійне середнє споживання.

Можна застосувати таку формулу:

Де:

ETH = річна потреба в тепловій енергії для зимового кондиціонування повітря

C = споживання газу, виражене в см³ (стандартний кубічний метр)

Q = отримана потужність на см³ (стандартний кубометр) газу (9,6 кВт·год для метану та 24,5 кВт·год для LPG).

примітка: LPG зазвичай купується в літрах. Має нижчу теплотворну здатність 12.790 6.500 Вт / кг - 24.500 XNUMX Вт / літр і XNUMX XNUMX Вт / см.³

η = ККД котла (0,82 відкрита камера - 0,86 герметична камера - 0,97 конденсація).

N = кількість користувачів для споживання гарячої води

500 = річне споживання енергії на душу населення для виробництва гарячої води (ГВП), виражене в кВт-год.

S = корисна поверхня: чиста прохідна поверхня опалювальних приміщень будівлі.

Візьмемо приклад

C = 833 см³

Q = 10,5 кВт / год

год = 0,97

N = 4 особи

ГВП = витрата 500 кВт / год

S = 90 м²

Застосування формули:

З розрахованим таким чином значенням ETH можна, використовуючи попередній метод, повернутися до номінальної теплової потужності (P._tn) машини, виражені в кВт.

Бачити: "Розмір теплового насоса - метод"

3 - Третій спосіб

Метод, який враховує фактори навколишнього середовища, дає як відповідь потребу в теплі, необхідну для кожного окремого середовища.

Дорогіший за попередні методи, але, на нашу скромну думку, найнадійніший і що надзвичайно вказує на потребу в теплі, розділену на кожне приміщення.

Скорочуються терміни обігріву приміщення, спочатку досягається задана швидкість, але це, очевидно, вимагає більшого навантаження.

Потрібне значення необхідно ввести в кожну окрему клітинку. Необхідно ввести фактичні розміри по ширині, довжині та висоті кожного окремого приміщення, кардинальну експозицію, тип конструкції, зовнішню температуру. Результати можна запитати у вказаних одиницях виміру.

Ввівши COP (коефіцієнт продуктивності), можна також відстежити споживання електроенергії в кВт.

COP є коефіцієнтом продуктивності і вказує на якість машини. Чим вище його значення, тим більше машина забезпечить високу продуктивність. Іншими словами, якщо COP дорівнює 3.5, на кожен кВт енергії, що поглинається машиною, вона забезпечить навколишнє середовище тепловою енергією, що дорівнює 3,5 кВт, з яких 1 кВт електроенергії споживається, а 2,5 кВт вилучається із зовнішнього середовища.

Класи енергоефективності відповідно до теплових насосів вказані в європейській директиві 2002/31 / EC.

Бачити: "Розмір теплового насоса - калькулятор"

3 - Встановлення

Виробництво гарячої води

Теплові насоси стандартного та холодного клімату призначені для роботи з холодоагентами, такими як R410 або R32 (див.Коефіцієнт тиску температури холодоагенту") для останнього покоління. Вони здатні виробляти гарячу воду до 55 ° C, а також можуть використовуватися для виробництва гарячої води. Через температуру нижче 60 °C вони не можуть проводити цикли термічної дезінфекції, необхідні для уникнення можливого утворення бактеріальних колоній (легіонел).

Бажано використовувати їх лише для опалення та/або охолодження (у випадку реверсивної машини), залишаючи виробництво гарячої води більш конкретному незалежному агрегату, наприклад, водонагрівачу з тепловим насосом, який завдяки використанню R134a холодоагент здатний виконувати цикли дезінфекції.

З іншого боку, якщо у вас є машина для виробництва високотемпературної води з холодоагентом R407C (або зі спеціальною машиною для опалення та виробництва гарячої води за допомогою другого ступеня стиснення з R134a), то це можливо і зручно. для підтримки всього виробництва тепла в межах одного блоку.

Теплове накопичення маховика

Навіть якщо тепловий насос є модулюючою машиною, завжди доцільно вставити накопичувальний бак з компенсацією теплового навантаження (буферний бак або тепловий маховик) у контур з наступних причин:

забезпечує оптимальні умови роботи теплового насоса шляхом оптимізації циклів зупинки-запуску (включення-вимкнення) компресора з подальшим зниженням споживання.

дозволяє підключати різні опалювальні контури.
він забезпечує гідравлічне роз’єднання між тепловим насосом і системою, щоб два контури могли працювати з найбільш підходящою швидкістю потоку та перепадом температур. Теплові насоси зазвичай працюють з DT = 5 °C, тоді як, залежно від наявних клем системи, розподільний контур може працювати з DT навіть вище.

Якщо машина оснащена спіральним компресором (вкл.-викл.), інерційне зберігання є обов’язковим. Типовий розмір об'єму сховища можна отримати безпосередньо з "Розрахунок по інерційному баку«І це мінімум 5.5 літра на кВт теплової потужності, яку може віддати машина.

Розширювальний бак

Розширювальний бак являє собою «легене», яке підключається до водопровідної системи; служить для того, щоб витримувати зміни об’єму, викликані нагріванням/охолодженням води всередині системи (див.Маса і об'єм води". Це усуває неприємні проблеми через раптове підвищення тиску, наприклад: відкриття запобіжних клапанів або розрив стиків і розподільних труб.

Щоб визначити розмір розширювального бака, зверніться до програми: "Розрахунок об'єму розширювальної ємності".

Щоб дізнатися літри води, що циркулює всередині системи, зверніться до програми: «Розрахунок об'єму води в системі".

Електричне харчування

Для електричної частини системи, для проектування ліній електропередач, можна використовувати програму: Розміри електричних кабелів - калькулятор.

Щоб вирішити, чи використовувати однофазну чи трифазну систему, зверніться до наступної програми: Розрахунок потужності та струмів двигуна

Інші безкоштовні програми такого ж типу, які пропонує itieffe ▼

◄ Назад