Zastąpienie tradycyjnego kotła gazowego, olejowego lub elektrycznegopompy ciepła powietrze-wodajest coraz częstsze w projektach renowacji budynków mieszkalnych, handlowych i publicznych.
Jednakże pomyślna modernizacja nie polega jedynie na:
Usunąć kotel → zainstalować pompę ciepła → podłączyć istniejące rury.
Pompa ciepła i kotel działają w bardzo różnych warunkach hydraulicznych i temperatur.
W przypadku kotła cieplnego, który jest w stanie zapewnić stosunkowo wysokie temperatury wody przy stosunkowo dużej różnicy temperatury między wodą podawaną a wodą zwrotną, pompa ciepła, z drugiej strony, jest w stanie zapewnić stosunkowo wysokie temperatury wody przy stosunkowo dużej różnicy temperatury między wodą podawaną a wodą zwrotną.zazwyczaj osiąga najlepszą wydajność przy dostarczaniu wody o niższej temperaturze z starannie kontrolowanym przepływem wody.
Oznacza to, że przed wymianą kotła inżynierowie powinni odpowiedzieć na kilka ważnych pytań:
Jakie jest rzeczywiste obciążenie ogrzewania i chłodzenia budynku?
Jaka pojemność powinna zapewniać pompa ciepła przy planowanej temperaturze zewnętrznej?
Czy istniejące cewki wentylatorów, grzejniki lub system podłogowego ogrzewania mogą działać przy nowych temperaturach wody?
Czy istniejące rury zapewniają wystarczającą ilość wody?
Czy istniejąca pompa krążenia jest odpowiednia?
Czy wymagane jest oddzielenie hydrauliczne, zbiornik buforowy lub obwód wtórny?
Zrozumienie tych pytań jest kluczem do niezawodnej modernizacji kotła na pompę ciepła.
Jednym z najczęstszych błędów podczas modernizacji pompy ciepła jest wybór nowej pompy ciepła zgodnie z pojemnością wydrukowaną na istniejącej tablicy nazwy kotła.
Na przykład:
Istniejąca moc kotła = 100 kW
Dlatego należy zainstalować pompę ciepła o mocy 100 kW.
Takie podejście może być poważnie mylące.
Tradycyjne kotły są często zbyt duże, a ich nominalna pojemność niekoniecznie odpowiada rzeczywistemu zapotrzebowaniu na ogrzewanie w szczycie budynku.
Prawidłowym punktem wyjścia jest zatemprojektowe obciążenie grzewcze.
W projektach wymagających chłodzenia należy również obliczyć projekt obciążenia chłodzącego.
Uproszczony wstępny szacunek może zawierać:
Gdzie:
Q= szacunkowe obciążenie budynku, W
A= powierzchnia podłogi klimatyzowanej, m2
q= szacunkowe obciążenie jednostkowe, W/m2
Na przykład, jeśli budynek o powierzchni 10 000 m2 ma szacunkowe obciążenie cieplne wynoszące 70 W/m2:
W związku z tym:
Wartości W/m2 należy jednak stosować wyłącznie dlawstępna ocena.
Ostateczny wybór pompy ciepła powinien najlepiej opierać się na właściwym obliczeniu strat ciepła i zysków ciepła w budynku z uwzględnieniem izolacji, szyby, wentylacji/infiltracji, obciążenia, zysków wewnętrznych,temperatura projektowana na zewnątrz i wymagana temperatura wewnątrz pomieszczeń.
Jest to szczególnie ważne w przypadku pomp ciepła ze źródłem powietrza.
Pompa ciepła reklamowana jako pompa ciepła o mocy 20 kW nie musi dostarczać 20 kW we wszystkich warunkach zewnętrznych.
W miarę zmniejszania się temperatury powietrza zewnętrznego dostępna pojemność ogrzewania i COP pompy ciepła ze źródła powietrza mogą się znacząco zmienić.
Dlatego inżynierowie nie powinni wybierać sprzętu wyłącznie na podstawie warunków nominalnych, takich jak:
A7/W35
Zamiast tego zdolność powinna być sprawdzona w stosunku do rzeczywistych warunków projektowania projektu, na przykład:
A7/W35
A2/W35
A−7/W35
A−15/W45
A−20/W55
W zależności od klimatu i zastosowania.
Prawidłowa zasada brzmi:
Jeżeli system nie został celowo zaprojektowany jakosystem dwukolorystycznyz ogrzewaniem pomocniczym.
W przypadku projektów o zimnym klimacie często ważniejsza jest zatem moc ogrzewania w niskich temperaturach niż nominalne kW wydrukowane w katalogu.
W przypadku odwracalnych systemów pomp ciepła powietrze-woda pojawia się kolejne pytanie:
Czy należy rozmiar pompy ciepła według obciążenia grzewczego lub chłodzącego?
Odpowiedź zależy od klimatu.
W chłodnym klimacie najczęściej dominuje obciążenie grzewcze.
W związku z tym pompa ciepła jest zazwyczaj wybierana zgodnie zZimowe obciążenie grzewcze projektowe, po sprawdzeniu jego niskiej mocy ogrzewania otoczenia.
Poziom chłodzenia w okresie letnim może być wtedy automatycznie wystarczający.
Sytuacja może być inna w klimacie o znacznym zapotrzebowaniu zarówno na ogrzewanie, jak i chłodzenie.
Załóżmy, że budynek komercyjny posiada:
ale:
Zwiększenie mocy całej instalacji pompy ciepła do 1500 kW tylko z powodu szczytu chłodzenia może spowodować nadmierne rozmiary systemu grzewczego.
Jednym z możliwych rozwiązań inżynierskich jest hybrydowa elektrownia:
Pompy ciepła powietrze-woda → ogrzewanie bazowe + częściowe chłodzenie
+
Chiller → dodatkowe chłodzenie szczytowe
W ten sposób można zapewnić lepsze wykorzystanie sprzętu i bardziej elastyczną pracę zakładu.
Dokładna konfiguracja powinna być określona na podstawie profili obciążenia, klimatu, godzin pracy, taryf na energię elektryczną, wymogów redundancji i kosztów cyklu życia, a nie tylko na podstawie szczytowej mocy.
W wielu projektach wymiany kotłów w budynku znajdują się już hydroniczne jednostki wiertnicze.
Dobra wiadomość jest taka:
Istniejące cewki wentylatorów nie muszą być automatycznie wymieniane.
Ale ich wydajność musi być zweryfikowana przy nowych temperaturach pracy.
Pojemność cewki wentylatora zależy w dużym stopniu od różnicy temperatury między wodą wchodzącą do cewki a powietrzem w pomieszczeniu.Należy stosować tabele wydajności producenta, jeżeli są dostępne. (Caleffi SpA)
Na przykład, cewka wentylatora pierwotnie zaprojektowana wokół:
System kotłowy
70°C podaż / 60°C zwrot
mogą wytwarzać znacznie mniej ciepła, gdy działają w:
System pompy ciepła
45°C podaż / 40°C powrót.
Więc właściwe pytanie nie brzmi:
Czy cewka wentylatora może działać w wodzie o temperaturze 45°C?
To jest:
Czy ta cewka wentylatora może zapewnić wymaganą moc ogrzewania pomieszczenia w wodzie o temperaturze 45°C w warunkach rzeczywistego przepływu powietrza i wody?
Rozróżnienie jest niezwykle ważne.
Systemy wiertnicze mają jedną dużą zaletę w projektach modernizacji pomp ciepła:
Ten sam terminal może zazwyczaj zapewnić zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie.
W zimie:
Pompa ciepła ze źródła powietrza → ciepła woda → cewka wentylatora → ogrzewanie pomieszczeń
Latem:
Pompa ciepła źródłowa powietrza → woda schłodzona → cewka wentylatora → chłodzenie przestrzeni
Dzięki temu cewki wentylatorów są szczególnie atrakcyjne w hotelach, biurach, szkołach, mieszkaniach i budynkach komercyjnych, które wymagają całorocznej klimatyzacji.
Jednakże w przypadku stosowania wody schłodzonej system wiertniczy i rurociągów musi być również zaprojektowany w celu kontroli kondensacji, w tym odpowiedniej izolacji i odprowadzania kondensatu.
Współczesne wytyczne projektowe dotyczące hydronicznych urządzeń uznają również cewki wentylatorów za użyteczne emitery ciepła dla pomp ciepła powietrze-woda,szczególnie w przypadku, gdy są one zaprojektowane z wystarczająco dużymi powierzchniami wymiennika ciepła dla niższych temperatur wody. (Caleffi SpA)
Nie koniecznie.
Podstawowy związek regulujący transfer ciepła w obwodzie hydronicznym jest następujący:
Gdzie:
Q= współczynnik przenoszenia ciepła
ṁ= przepływ masy wody
Cp= pojemność cieplna właściwa
ΔT= różnica temperatury wody podawanej i wody zwrotnej
To równanie wyjaśnia jedną z najważniejszych różnic między hydronicznymi systemami kotła i pompy ciepła.
W przypadku tej samej prędkości transferu ciepła:
W związku z tym, gdy projekt ΔT staje się mniejszy, wymagany przepływ wody staje się większy. (Caleffi SpA)
Rozważmy prosty przykład.
System musi przenosić:
Dla wody wygodnym przybliżeniem metrycznym jest:
W związku z tym:
Więc zmniejszenie ΔT z 10°C do 5°C jest mniej więcejpodwaja przepływ wody.
Z tego powodu wymiana kotła na pompę ciepła może powodować problemy hydrauliczne, nawet jeśli moc ogrzewania została poprawnie obliczona.
Istniejąca rura może być po prostu zbyt mała dla wymaganego przepływu pompy ciepła.
Często występują następujące reakcje:
Jeśli przepływ jest zbyt niski, wystarczy zainstalować większą pompę krążenia.
Czasami to działa.
Czasami to stwarza inny problem.
Zwiększenie głowicy pompy nie może w nieskończoność zrekompensować niedostatecznej wielkości rur.
zwiększony spadek ciśnienia;
wyższe zużycie energii elektrycznej z pompy;
hałas przepływu;
hałas zaworu;
ryzyko erozji;
nieprawidłowa równowaga hydrauliczna;
niewystarczający przepływ na odległych gałęziach.
Prawidłową procedurą jest zatem:
Wymagana pojemność cieplna → wymagany przepływ wody → spadek ciśnienia rurociągu → dostępna głowica pompy → wybór pompy cyrkulacyjnej
zamiast samodzielnie wybrać pompę.
Zastąpienie wszystkich istniejących rur hydronicznych może spowodować, że modernizacja będzie niezwykle kosztowna i zakłócająca.
Dlatego inżynierowie powinni najpierw sprawdzić, czy istniejąca sieć jest jeszcze użyteczna.
Sprawdź:
średnica głównej rury;
średnica rury gałęzi;
długość rury;
osprzęt i utrata ciśnienia zaworu;
istniejącą krzywą pompy;
dostępne ciśnienie różniczkowe;
wymagany przepływ pompy ciepła;
dopuszczalna prędkość wody;
równowaga hydrauliczna.
Jeżeli istniejąca rurociąg może przeprowadzić wymagany przepływ przy akceptowalnej utracie ciśnienia i prędkości, może nie być powodu do jego wymiany.
To jedna z największych możliwości zmniejszenia kosztów modernizacji.
Istniejące podłogowe ogrzewanie wodne może być często nawet bardziej odpowiednie dla pomp ciepła niż konwencjonalne grzejniki.
- Dlaczego?!
Ponieważ ogrzewanie podłogowe wykorzystuje bardzo dużą powierzchnię emitującą ciepło.
Większy obszar przesyłu ciepła umożliwia ogrzewanie budynku przy stosunkowo niskiej temperaturze wody.
To właśnie preferowane przez pompę ciepła.
Modern heat-pump design guidance identifies well-designed floor heating as particularly suitable for air-to-water heat pumps because it can deliver the required room heat output at relatively low supply water temperatures, zwiększając wydajność pompy ciepła (Caleffi SpA)
Typowe działanie podgrzewania niskiej temperatury może być w zakresie:
30°C-35°C
lub
35°C do 40°C
w zależności od obciążenia budynku, konstrukcji podłogi, rozstawu rur, pokrycia podłogi i warunków zewnętrznych.
Rzeczywistą temperaturę konstrukcyjną należy zawsze obliczać, a nie zakładać.
Istniejący obwód ogrzewania podłogowego może być zaprojektowany tak, aby różnica temperatury podaży i zwrotu była większa niż wymagana przez pompę ciepła.
Załóżmy, że stary obwod podłogowy działa na:
ale pompa ciepła wymaga mniej więcej:
W przypadku tej samej mocy ogrzewania strona pompy ciepła wymaga około dwukrotnego przepływu wody.
Może to spowodować niezgodność między:
Wymagany przepływ pompy ciepła
a także
istniejąca pojemność przepływu obwodu UFH.
Nie oznacza to automatycznie, że wszystkie rury podłogowe do ogrzewania muszą zostać wymienione.
Zamiast tego system hydrauliczny musi zostać poprawnie zaprojektowany.
Jednym z skutecznych rozwiązań jest hydrauliczne oddzielenie obwodu pompy ciepła od obwodu dystrybucyjnego budynku.
Typowym rozwiązaniem jest:
Pompa ciepła → Pompa pierwotna → Zbiornik buforowy / separator hydrauliczny → Pompa wtórna → Istniejący system UFH lub wiertarki wiertniczej
Umożliwia to obwodowi pompy ciepła utrzymanie przepływu wymaganego przez pompę ciepła, podczas gdy istniejący obwód budynku działa z inną szybkością przepływu.
Jest to szczególnie przydatne, gdy:
kilka stref ogrzewania otwierających się i zamykających się niezależnie;
istniejący przepływ dystrybucji różni się od przepływu pompy ciepła;
wielokrotne pompy ciepła działają kaskadowo;
wykorzystuje się zarówno cewki wentylatorów, jak i podłogowe ogrzewanie;
musi być zachowana minimalna objętość systemu pompy ciepła;
operacja rozmrażania wymaga magazynowania energii cieplnej.
Separacja hydrauliczna umożliwia działanie pierwotnych i wtórnych obwodników przy stabilnych, ale potencjalnie różnych natężeniach przepływu (Caleffi SpA)
Chłodnicy wymagają dokładniejszej oceny.
Wiele starszych systemów kotłowniczych zostało zaprojektowanych w stosunkowo wysokich temperaturach wody.
W związku z tym pompa ciepła pracująca przy znacznie niższej temperaturze wody może wytwarzać niewystarczającą moc chłodnicy.
Możliwe rozwiązania obejmują:
zwiększenie wielkości grzejnika;
dodanie dodatkowych grzejników;
instalacji grzejników z pomocą wentylatora;
poprawa izolacji budynków;
zmniejszenie strat ciepła w budynkach;
wykorzystując wiertarki wentylatorów o niskiej temperaturze;
wybór pompy ciepła zdolnej do wyższej temperatury wody w razie potrzeby.
Celem powinno być nadal:
Używać najniższej praktycznej temperatury wody, która może zaspokoić obciążenie ogrzewania budynku.
Niższa wymagana temperatura wody umożliwia ogólnie pompę ciepła powietrze-woda do pracy przy wyższej COP. (Caleffi SpA)
Po modernizacji całkowity przepływ systemu może być prawidłowy, podczas gdy niektóre pomieszczenia nadal nie otrzymują wystarczającego ogrzewania.
- Dlaczego?!
Ponieważ woda podąża ścieżką najmniejszego oporu hydraulicznego.
Krótkie obwody mogą otrzymywać nadmierne przepływy, podczas gdy długie obwody są głodne.
W związku z powyższym uruchomienie modernizacji powinno obejmować:
bilans oddziałów;
regulacja przepływu z różnorodnością;
weryfikacja ciśnienia różniczkowego;
regulacja prędkości pompy;
pomiar temperatury podaży/wrotu;
weryfikacja przepływu końcowego.
Równoległe obwody hydroniczne są szczególnie przydatne, ponieważ poszczególne gałęzie mogą być niezależnie równoważone i kontrolowane. (Caleffi SpA)
W przypadku projektów inżynierskich proces ten można streścić w następujący sposób:
Krok 1 Obliczenie obciążenia budynku
Określenie konstrukcyjnego obciążenia grzewczego i, w razie potrzeby, chłodzącego.
↓
Krok 2 Określenie warunków projektowania na zewnątrz
Użyj lokalnych temperatur w okresie zimowym i letnim.
↓
Krok 3 Wybór pojemności pompy ciepła
Sprawdź rzeczywistą moc ogrzewania/chłodzenia przy wymaganej temperaturze zewnętrznej i temperaturze wody wyjściowej.
↓
Krok 4 Określenie wymaganej temperatury wody
Ocena istniejących wiatrówek, chłodni lub podłogowego ogrzewania.
↓
Krok 5 Obliczenie wymaganego przepływu wody
Stosowanie:
↓
Krok 6 ✓ Sprawdź istniejące rurociągi
Sprawdź średnicę, utratę ciśnienia i dopuszczalną prędkość.
↓
Krok 7 Wybór pomp krążenia
Użyj przepływu projektowego i obliczonego oporu układu, nie tylko średnicy rury.
↓
Krok 8 Zdecyduj, czy wymagane jest oddzielenie hydrauliczne
Rozważmy zbiorniki buforowe, separatory hydrauliczne i pompowanie pierwotne i wtórne.
↓
Krok 9
Pomiar przepływu rzeczywistego, temperatury zasilania, temperatury powrotnej i ΔT w warunkach pracy.
Przyjrzyjmy się budynkowi komercyjnemu o zaprojektowanym obciążeniu cieplnym wynoszącym:
Jeżeli system pompy ciepła jest zaprojektowany w oparciu o:
Następnie:
Oznacza to, że główny obwód hydroniczny musi być w stanie przenosić około86 m3/hw warunkach projektowych.
Jeśli istniejący obwód kotła został zaprojektowany w oparciu o:
jego poprzedni przepływ projektowy mógł być jedynie:
Nowa pompa ciepła może zatem wymagaćdwukrotnie większy przepływ wody.
To pojedyncze obliczenie natychmiast mówi inżynierowi, co musi zbadać:
Czy istniejąca sieć rurociągów i pompy są w stanie poradzić sobie ze zwiększonym przepływem?
Jeśli tak, to wiele z pierwotnego systemu może pozostać.
Jeżeli nie, wymagana jest modyfikacja hydrauliczna.
Udaną modernizację wymagają trzy systemy, aby dopasować się do siebie:
Pompa ciepła musi zapewniać wystarczającą moc w rzeczywistych warunkach zewnętrznych.
Rury i pompy muszą zapewnić wystarczający przepływ wody.
Węgle wentylatora, grzejniki lub podłogowe ogrzewanie muszą zapewniać wystarczającą moc wyjściową w wybranej temperaturze wody.
Jeżeli którykolwiek z tych trzech systemów jest nieprawidłowo zaprojektowany, może wystąpić:
niewystarczające ogrzewanie → wysoka temperatura wody → niższy COP → wyższe zużycie energii elektrycznej → złe doświadczenie klienta.
Dlatego też modernizacje pomp ciepła powinny być zawsze traktowane jakokompletny projekt inżynierii systemów hydronicznych, a nie tylko wymiana sprzętu.
Czasami, ale istniejący system należy najpierw sprawdzić na obciążenie cieplne, wymaganą temperaturę wody, wyjście końcowe, przepływ wody, średnicę rur i pojemność pompy cyrkulacyjnej.Bezpośrednia wymiana jednego na jednego bez analizy hydraulicznej może powodować słabe działanie.
Tak, w wielu przypadkach, jednak ich moc ogrzewania musi być sprawdzona przy niższych temperaturach wody, które zwykle wiążą się z działaniem pompy ciepła.Dane dotyczące wydajności producenta powinny być wykorzystywane, gdy tylko są dostępne.
Zazwyczaj tak, podłogowe ogrzewanie wodne jest szczególnie odpowiednie dla pomp ciepła, ponieważ jego duża powierzchnia emisji pozwala na stosunkowo niskie temperatury wody.
Przekaz ciepła zależy zarówno od przepływu wody, jak i od różnicy temperatury podaży i zwrotu.
Nie jest to konieczne. Istniejące rurociągi należy sprawdzić hydraulicznie w stosunku do nowego wymaganego przepływu i spadku ciśnienia.Rury mogą pozostać.
Zbiornik buforowy lub hydrauliczny separator może być przydatny, gdy pompa ciepła i obwody budynku wymagają różnych natężenia przepływu, gdy wiele stref często się zamyka,gdy potrzebna jest dodatkowa objętość systemu, lub gdy wymagana jest stabilna praca odmrażania.
Podłogowe ogrzewanie zapewnia doskonałą efektywność ogrzewania w niskich temperaturach, natomiast cewki wentylatorów mogą zapewnić ogrzewanie i chłodzenie wodą chłodzoną.Najlepszy wybór zależy od rodzaju budynku, zapotrzebowania na ogrzewanie/chłodzenie oraz istniejącej infrastruktury dystrybucyjnej.
Zastąpienie kotła pompą cieplną ze źródła powietrza nie polega przede wszystkim na znalezieniu pompy ciepła o tej samej mocy kW.
Prawdziwym pytaniem inżynierskim jest:
Czy pompa ciepła, system dystrybucji wodnej i istniejące emitery ciepła mogą współpracować przy wymaganej temperaturze wody, przepływie i obciążeniu projektowym?
Profesjonalna modernizacja budynku rozpoczyna się zatem od obliczenia obciążenia budynku, a następnie wyboru wydajności pompy ciepła, weryfikacji terminali i analizy hydraulicznej.
Istniejące cewki wentylatorów i systemy podłogowego ogrzewania mogą być często utrzymywane, co może znacznie zmniejszyć koszty renowacji.temperatura wody, ΔT, natężenie przepływu, spadek ciśnienia rurociągu, wydajność pompy cyrkulacyjnej i pojemność końcowa.
Gdy te elementy są prawidłowo dopasowane, przekształcenie systemu hydronicznego opartego na kotle w pompę ciepła powietrze-woda może zapewnić wydajne ogrzewanie,chłodzenie i długoterminowe oszczędności energii bez zbędnej przebudowy całego systemu dystrybucyjnego.
Powyższe równania i przykłady są przeznaczone do wstępnego zrozumienia technicznego.lokalne dane o pogodzie projektowanej, obliczeń hydraulicznych i certyfikowanych danych o wydajności producenta pompy ciepła/wampirówki.
Wotech Professional Air Source Heat Pump Solutions (Profesjonalne rozwiązania dla pomp ciepła ze źródła powietrza)
W przypadku rozwiązań pomp ciepła powietrza-woda dla użytków mieszkalnych, komercyjnych i OEM, w tym dla zastosowań grzewczych niskiej temperatury, wiertniczych i podłogowych, należy odwiedzić:
Zastąpienie tradycyjnego kotła gazowego, olejowego lub elektrycznegopompy ciepła powietrze-wodajest coraz częstsze w projektach renowacji budynków mieszkalnych, handlowych i publicznych.
Jednakże pomyślna modernizacja nie polega jedynie na:
Usunąć kotel → zainstalować pompę ciepła → podłączyć istniejące rury.
Pompa ciepła i kotel działają w bardzo różnych warunkach hydraulicznych i temperatur.
W przypadku kotła cieplnego, który jest w stanie zapewnić stosunkowo wysokie temperatury wody przy stosunkowo dużej różnicy temperatury między wodą podawaną a wodą zwrotną, pompa ciepła, z drugiej strony, jest w stanie zapewnić stosunkowo wysokie temperatury wody przy stosunkowo dużej różnicy temperatury między wodą podawaną a wodą zwrotną.zazwyczaj osiąga najlepszą wydajność przy dostarczaniu wody o niższej temperaturze z starannie kontrolowanym przepływem wody.
Oznacza to, że przed wymianą kotła inżynierowie powinni odpowiedzieć na kilka ważnych pytań:
Jakie jest rzeczywiste obciążenie ogrzewania i chłodzenia budynku?
Jaka pojemność powinna zapewniać pompa ciepła przy planowanej temperaturze zewnętrznej?
Czy istniejące cewki wentylatorów, grzejniki lub system podłogowego ogrzewania mogą działać przy nowych temperaturach wody?
Czy istniejące rury zapewniają wystarczającą ilość wody?
Czy istniejąca pompa krążenia jest odpowiednia?
Czy wymagane jest oddzielenie hydrauliczne, zbiornik buforowy lub obwód wtórny?
Zrozumienie tych pytań jest kluczem do niezawodnej modernizacji kotła na pompę ciepła.
Jednym z najczęstszych błędów podczas modernizacji pompy ciepła jest wybór nowej pompy ciepła zgodnie z pojemnością wydrukowaną na istniejącej tablicy nazwy kotła.
Na przykład:
Istniejąca moc kotła = 100 kW
Dlatego należy zainstalować pompę ciepła o mocy 100 kW.
Takie podejście może być poważnie mylące.
Tradycyjne kotły są często zbyt duże, a ich nominalna pojemność niekoniecznie odpowiada rzeczywistemu zapotrzebowaniu na ogrzewanie w szczycie budynku.
Prawidłowym punktem wyjścia jest zatemprojektowe obciążenie grzewcze.
W projektach wymagających chłodzenia należy również obliczyć projekt obciążenia chłodzącego.
Uproszczony wstępny szacunek może zawierać:
Gdzie:
Q= szacunkowe obciążenie budynku, W
A= powierzchnia podłogi klimatyzowanej, m2
q= szacunkowe obciążenie jednostkowe, W/m2
Na przykład, jeśli budynek o powierzchni 10 000 m2 ma szacunkowe obciążenie cieplne wynoszące 70 W/m2:
W związku z tym:
Wartości W/m2 należy jednak stosować wyłącznie dlawstępna ocena.
Ostateczny wybór pompy ciepła powinien najlepiej opierać się na właściwym obliczeniu strat ciepła i zysków ciepła w budynku z uwzględnieniem izolacji, szyby, wentylacji/infiltracji, obciążenia, zysków wewnętrznych,temperatura projektowana na zewnątrz i wymagana temperatura wewnątrz pomieszczeń.
Jest to szczególnie ważne w przypadku pomp ciepła ze źródłem powietrza.
Pompa ciepła reklamowana jako pompa ciepła o mocy 20 kW nie musi dostarczać 20 kW we wszystkich warunkach zewnętrznych.
W miarę zmniejszania się temperatury powietrza zewnętrznego dostępna pojemność ogrzewania i COP pompy ciepła ze źródła powietrza mogą się znacząco zmienić.
Dlatego inżynierowie nie powinni wybierać sprzętu wyłącznie na podstawie warunków nominalnych, takich jak:
A7/W35
Zamiast tego zdolność powinna być sprawdzona w stosunku do rzeczywistych warunków projektowania projektu, na przykład:
A7/W35
A2/W35
A−7/W35
A−15/W45
A−20/W55
W zależności od klimatu i zastosowania.
Prawidłowa zasada brzmi:
Jeżeli system nie został celowo zaprojektowany jakosystem dwukolorystycznyz ogrzewaniem pomocniczym.
W przypadku projektów o zimnym klimacie często ważniejsza jest zatem moc ogrzewania w niskich temperaturach niż nominalne kW wydrukowane w katalogu.
W przypadku odwracalnych systemów pomp ciepła powietrze-woda pojawia się kolejne pytanie:
Czy należy rozmiar pompy ciepła według obciążenia grzewczego lub chłodzącego?
Odpowiedź zależy od klimatu.
W chłodnym klimacie najczęściej dominuje obciążenie grzewcze.
W związku z tym pompa ciepła jest zazwyczaj wybierana zgodnie zZimowe obciążenie grzewcze projektowe, po sprawdzeniu jego niskiej mocy ogrzewania otoczenia.
Poziom chłodzenia w okresie letnim może być wtedy automatycznie wystarczający.
Sytuacja może być inna w klimacie o znacznym zapotrzebowaniu zarówno na ogrzewanie, jak i chłodzenie.
Załóżmy, że budynek komercyjny posiada:
ale:
Zwiększenie mocy całej instalacji pompy ciepła do 1500 kW tylko z powodu szczytu chłodzenia może spowodować nadmierne rozmiary systemu grzewczego.
Jednym z możliwych rozwiązań inżynierskich jest hybrydowa elektrownia:
Pompy ciepła powietrze-woda → ogrzewanie bazowe + częściowe chłodzenie
+
Chiller → dodatkowe chłodzenie szczytowe
W ten sposób można zapewnić lepsze wykorzystanie sprzętu i bardziej elastyczną pracę zakładu.
Dokładna konfiguracja powinna być określona na podstawie profili obciążenia, klimatu, godzin pracy, taryf na energię elektryczną, wymogów redundancji i kosztów cyklu życia, a nie tylko na podstawie szczytowej mocy.
W wielu projektach wymiany kotłów w budynku znajdują się już hydroniczne jednostki wiertnicze.
Dobra wiadomość jest taka:
Istniejące cewki wentylatorów nie muszą być automatycznie wymieniane.
Ale ich wydajność musi być zweryfikowana przy nowych temperaturach pracy.
Pojemność cewki wentylatora zależy w dużym stopniu od różnicy temperatury między wodą wchodzącą do cewki a powietrzem w pomieszczeniu.Należy stosować tabele wydajności producenta, jeżeli są dostępne. (Caleffi SpA)
Na przykład, cewka wentylatora pierwotnie zaprojektowana wokół:
System kotłowy
70°C podaż / 60°C zwrot
mogą wytwarzać znacznie mniej ciepła, gdy działają w:
System pompy ciepła
45°C podaż / 40°C powrót.
Więc właściwe pytanie nie brzmi:
Czy cewka wentylatora może działać w wodzie o temperaturze 45°C?
To jest:
Czy ta cewka wentylatora może zapewnić wymaganą moc ogrzewania pomieszczenia w wodzie o temperaturze 45°C w warunkach rzeczywistego przepływu powietrza i wody?
Rozróżnienie jest niezwykle ważne.
Systemy wiertnicze mają jedną dużą zaletę w projektach modernizacji pomp ciepła:
Ten sam terminal może zazwyczaj zapewnić zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie.
W zimie:
Pompa ciepła ze źródła powietrza → ciepła woda → cewka wentylatora → ogrzewanie pomieszczeń
Latem:
Pompa ciepła źródłowa powietrza → woda schłodzona → cewka wentylatora → chłodzenie przestrzeni
Dzięki temu cewki wentylatorów są szczególnie atrakcyjne w hotelach, biurach, szkołach, mieszkaniach i budynkach komercyjnych, które wymagają całorocznej klimatyzacji.
Jednakże w przypadku stosowania wody schłodzonej system wiertniczy i rurociągów musi być również zaprojektowany w celu kontroli kondensacji, w tym odpowiedniej izolacji i odprowadzania kondensatu.
Współczesne wytyczne projektowe dotyczące hydronicznych urządzeń uznają również cewki wentylatorów za użyteczne emitery ciepła dla pomp ciepła powietrze-woda,szczególnie w przypadku, gdy są one zaprojektowane z wystarczająco dużymi powierzchniami wymiennika ciepła dla niższych temperatur wody. (Caleffi SpA)
Nie koniecznie.
Podstawowy związek regulujący transfer ciepła w obwodzie hydronicznym jest następujący:
Gdzie:
Q= współczynnik przenoszenia ciepła
ṁ= przepływ masy wody
Cp= pojemność cieplna właściwa
ΔT= różnica temperatury wody podawanej i wody zwrotnej
To równanie wyjaśnia jedną z najważniejszych różnic między hydronicznymi systemami kotła i pompy ciepła.
W przypadku tej samej prędkości transferu ciepła:
W związku z tym, gdy projekt ΔT staje się mniejszy, wymagany przepływ wody staje się większy. (Caleffi SpA)
Rozważmy prosty przykład.
System musi przenosić:
Dla wody wygodnym przybliżeniem metrycznym jest:
W związku z tym:
Więc zmniejszenie ΔT z 10°C do 5°C jest mniej więcejpodwaja przepływ wody.
Z tego powodu wymiana kotła na pompę ciepła może powodować problemy hydrauliczne, nawet jeśli moc ogrzewania została poprawnie obliczona.
Istniejąca rura może być po prostu zbyt mała dla wymaganego przepływu pompy ciepła.
Często występują następujące reakcje:
Jeśli przepływ jest zbyt niski, wystarczy zainstalować większą pompę krążenia.
Czasami to działa.
Czasami to stwarza inny problem.
Zwiększenie głowicy pompy nie może w nieskończoność zrekompensować niedostatecznej wielkości rur.
zwiększony spadek ciśnienia;
wyższe zużycie energii elektrycznej z pompy;
hałas przepływu;
hałas zaworu;
ryzyko erozji;
nieprawidłowa równowaga hydrauliczna;
niewystarczający przepływ na odległych gałęziach.
Prawidłową procedurą jest zatem:
Wymagana pojemność cieplna → wymagany przepływ wody → spadek ciśnienia rurociągu → dostępna głowica pompy → wybór pompy cyrkulacyjnej
zamiast samodzielnie wybrać pompę.
Zastąpienie wszystkich istniejących rur hydronicznych może spowodować, że modernizacja będzie niezwykle kosztowna i zakłócająca.
Dlatego inżynierowie powinni najpierw sprawdzić, czy istniejąca sieć jest jeszcze użyteczna.
Sprawdź:
średnica głównej rury;
średnica rury gałęzi;
długość rury;
osprzęt i utrata ciśnienia zaworu;
istniejącą krzywą pompy;
dostępne ciśnienie różniczkowe;
wymagany przepływ pompy ciepła;
dopuszczalna prędkość wody;
równowaga hydrauliczna.
Jeżeli istniejąca rurociąg może przeprowadzić wymagany przepływ przy akceptowalnej utracie ciśnienia i prędkości, może nie być powodu do jego wymiany.
To jedna z największych możliwości zmniejszenia kosztów modernizacji.
Istniejące podłogowe ogrzewanie wodne może być często nawet bardziej odpowiednie dla pomp ciepła niż konwencjonalne grzejniki.
- Dlaczego?!
Ponieważ ogrzewanie podłogowe wykorzystuje bardzo dużą powierzchnię emitującą ciepło.
Większy obszar przesyłu ciepła umożliwia ogrzewanie budynku przy stosunkowo niskiej temperaturze wody.
To właśnie preferowane przez pompę ciepła.
Modern heat-pump design guidance identifies well-designed floor heating as particularly suitable for air-to-water heat pumps because it can deliver the required room heat output at relatively low supply water temperatures, zwiększając wydajność pompy ciepła (Caleffi SpA)
Typowe działanie podgrzewania niskiej temperatury może być w zakresie:
30°C-35°C
lub
35°C do 40°C
w zależności od obciążenia budynku, konstrukcji podłogi, rozstawu rur, pokrycia podłogi i warunków zewnętrznych.
Rzeczywistą temperaturę konstrukcyjną należy zawsze obliczać, a nie zakładać.
Istniejący obwód ogrzewania podłogowego może być zaprojektowany tak, aby różnica temperatury podaży i zwrotu była większa niż wymagana przez pompę ciepła.
Załóżmy, że stary obwod podłogowy działa na:
ale pompa ciepła wymaga mniej więcej:
W przypadku tej samej mocy ogrzewania strona pompy ciepła wymaga około dwukrotnego przepływu wody.
Może to spowodować niezgodność między:
Wymagany przepływ pompy ciepła
a także
istniejąca pojemność przepływu obwodu UFH.
Nie oznacza to automatycznie, że wszystkie rury podłogowe do ogrzewania muszą zostać wymienione.
Zamiast tego system hydrauliczny musi zostać poprawnie zaprojektowany.
Jednym z skutecznych rozwiązań jest hydrauliczne oddzielenie obwodu pompy ciepła od obwodu dystrybucyjnego budynku.
Typowym rozwiązaniem jest:
Pompa ciepła → Pompa pierwotna → Zbiornik buforowy / separator hydrauliczny → Pompa wtórna → Istniejący system UFH lub wiertarki wiertniczej
Umożliwia to obwodowi pompy ciepła utrzymanie przepływu wymaganego przez pompę ciepła, podczas gdy istniejący obwód budynku działa z inną szybkością przepływu.
Jest to szczególnie przydatne, gdy:
kilka stref ogrzewania otwierających się i zamykających się niezależnie;
istniejący przepływ dystrybucji różni się od przepływu pompy ciepła;
wielokrotne pompy ciepła działają kaskadowo;
wykorzystuje się zarówno cewki wentylatorów, jak i podłogowe ogrzewanie;
musi być zachowana minimalna objętość systemu pompy ciepła;
operacja rozmrażania wymaga magazynowania energii cieplnej.
Separacja hydrauliczna umożliwia działanie pierwotnych i wtórnych obwodników przy stabilnych, ale potencjalnie różnych natężeniach przepływu (Caleffi SpA)
Chłodnicy wymagają dokładniejszej oceny.
Wiele starszych systemów kotłowniczych zostało zaprojektowanych w stosunkowo wysokich temperaturach wody.
W związku z tym pompa ciepła pracująca przy znacznie niższej temperaturze wody może wytwarzać niewystarczającą moc chłodnicy.
Możliwe rozwiązania obejmują:
zwiększenie wielkości grzejnika;
dodanie dodatkowych grzejników;
instalacji grzejników z pomocą wentylatora;
poprawa izolacji budynków;
zmniejszenie strat ciepła w budynkach;
wykorzystując wiertarki wentylatorów o niskiej temperaturze;
wybór pompy ciepła zdolnej do wyższej temperatury wody w razie potrzeby.
Celem powinno być nadal:
Używać najniższej praktycznej temperatury wody, która może zaspokoić obciążenie ogrzewania budynku.
Niższa wymagana temperatura wody umożliwia ogólnie pompę ciepła powietrze-woda do pracy przy wyższej COP. (Caleffi SpA)
Po modernizacji całkowity przepływ systemu może być prawidłowy, podczas gdy niektóre pomieszczenia nadal nie otrzymują wystarczającego ogrzewania.
- Dlaczego?!
Ponieważ woda podąża ścieżką najmniejszego oporu hydraulicznego.
Krótkie obwody mogą otrzymywać nadmierne przepływy, podczas gdy długie obwody są głodne.
W związku z powyższym uruchomienie modernizacji powinno obejmować:
bilans oddziałów;
regulacja przepływu z różnorodnością;
weryfikacja ciśnienia różniczkowego;
regulacja prędkości pompy;
pomiar temperatury podaży/wrotu;
weryfikacja przepływu końcowego.
Równoległe obwody hydroniczne są szczególnie przydatne, ponieważ poszczególne gałęzie mogą być niezależnie równoważone i kontrolowane. (Caleffi SpA)
W przypadku projektów inżynierskich proces ten można streścić w następujący sposób:
Krok 1 Obliczenie obciążenia budynku
Określenie konstrukcyjnego obciążenia grzewczego i, w razie potrzeby, chłodzącego.
↓
Krok 2 Określenie warunków projektowania na zewnątrz
Użyj lokalnych temperatur w okresie zimowym i letnim.
↓
Krok 3 Wybór pojemności pompy ciepła
Sprawdź rzeczywistą moc ogrzewania/chłodzenia przy wymaganej temperaturze zewnętrznej i temperaturze wody wyjściowej.
↓
Krok 4 Określenie wymaganej temperatury wody
Ocena istniejących wiatrówek, chłodni lub podłogowego ogrzewania.
↓
Krok 5 Obliczenie wymaganego przepływu wody
Stosowanie:
↓
Krok 6 ✓ Sprawdź istniejące rurociągi
Sprawdź średnicę, utratę ciśnienia i dopuszczalną prędkość.
↓
Krok 7 Wybór pomp krążenia
Użyj przepływu projektowego i obliczonego oporu układu, nie tylko średnicy rury.
↓
Krok 8 Zdecyduj, czy wymagane jest oddzielenie hydrauliczne
Rozważmy zbiorniki buforowe, separatory hydrauliczne i pompowanie pierwotne i wtórne.
↓
Krok 9
Pomiar przepływu rzeczywistego, temperatury zasilania, temperatury powrotnej i ΔT w warunkach pracy.
Przyjrzyjmy się budynkowi komercyjnemu o zaprojektowanym obciążeniu cieplnym wynoszącym:
Jeżeli system pompy ciepła jest zaprojektowany w oparciu o:
Następnie:
Oznacza to, że główny obwód hydroniczny musi być w stanie przenosić około86 m3/hw warunkach projektowych.
Jeśli istniejący obwód kotła został zaprojektowany w oparciu o:
jego poprzedni przepływ projektowy mógł być jedynie:
Nowa pompa ciepła może zatem wymagaćdwukrotnie większy przepływ wody.
To pojedyncze obliczenie natychmiast mówi inżynierowi, co musi zbadać:
Czy istniejąca sieć rurociągów i pompy są w stanie poradzić sobie ze zwiększonym przepływem?
Jeśli tak, to wiele z pierwotnego systemu może pozostać.
Jeżeli nie, wymagana jest modyfikacja hydrauliczna.
Udaną modernizację wymagają trzy systemy, aby dopasować się do siebie:
Pompa ciepła musi zapewniać wystarczającą moc w rzeczywistych warunkach zewnętrznych.
Rury i pompy muszą zapewnić wystarczający przepływ wody.
Węgle wentylatora, grzejniki lub podłogowe ogrzewanie muszą zapewniać wystarczającą moc wyjściową w wybranej temperaturze wody.
Jeżeli którykolwiek z tych trzech systemów jest nieprawidłowo zaprojektowany, może wystąpić:
niewystarczające ogrzewanie → wysoka temperatura wody → niższy COP → wyższe zużycie energii elektrycznej → złe doświadczenie klienta.
Dlatego też modernizacje pomp ciepła powinny być zawsze traktowane jakokompletny projekt inżynierii systemów hydronicznych, a nie tylko wymiana sprzętu.
Czasami, ale istniejący system należy najpierw sprawdzić na obciążenie cieplne, wymaganą temperaturę wody, wyjście końcowe, przepływ wody, średnicę rur i pojemność pompy cyrkulacyjnej.Bezpośrednia wymiana jednego na jednego bez analizy hydraulicznej może powodować słabe działanie.
Tak, w wielu przypadkach, jednak ich moc ogrzewania musi być sprawdzona przy niższych temperaturach wody, które zwykle wiążą się z działaniem pompy ciepła.Dane dotyczące wydajności producenta powinny być wykorzystywane, gdy tylko są dostępne.
Zazwyczaj tak, podłogowe ogrzewanie wodne jest szczególnie odpowiednie dla pomp ciepła, ponieważ jego duża powierzchnia emisji pozwala na stosunkowo niskie temperatury wody.
Przekaz ciepła zależy zarówno od przepływu wody, jak i od różnicy temperatury podaży i zwrotu.
Nie jest to konieczne. Istniejące rurociągi należy sprawdzić hydraulicznie w stosunku do nowego wymaganego przepływu i spadku ciśnienia.Rury mogą pozostać.
Zbiornik buforowy lub hydrauliczny separator może być przydatny, gdy pompa ciepła i obwody budynku wymagają różnych natężenia przepływu, gdy wiele stref często się zamyka,gdy potrzebna jest dodatkowa objętość systemu, lub gdy wymagana jest stabilna praca odmrażania.
Podłogowe ogrzewanie zapewnia doskonałą efektywność ogrzewania w niskich temperaturach, natomiast cewki wentylatorów mogą zapewnić ogrzewanie i chłodzenie wodą chłodzoną.Najlepszy wybór zależy od rodzaju budynku, zapotrzebowania na ogrzewanie/chłodzenie oraz istniejącej infrastruktury dystrybucyjnej.
Zastąpienie kotła pompą cieplną ze źródła powietrza nie polega przede wszystkim na znalezieniu pompy ciepła o tej samej mocy kW.
Prawdziwym pytaniem inżynierskim jest:
Czy pompa ciepła, system dystrybucji wodnej i istniejące emitery ciepła mogą współpracować przy wymaganej temperaturze wody, przepływie i obciążeniu projektowym?
Profesjonalna modernizacja budynku rozpoczyna się zatem od obliczenia obciążenia budynku, a następnie wyboru wydajności pompy ciepła, weryfikacji terminali i analizy hydraulicznej.
Istniejące cewki wentylatorów i systemy podłogowego ogrzewania mogą być często utrzymywane, co może znacznie zmniejszyć koszty renowacji.temperatura wody, ΔT, natężenie przepływu, spadek ciśnienia rurociągu, wydajność pompy cyrkulacyjnej i pojemność końcowa.
Gdy te elementy są prawidłowo dopasowane, przekształcenie systemu hydronicznego opartego na kotle w pompę ciepła powietrze-woda może zapewnić wydajne ogrzewanie,chłodzenie i długoterminowe oszczędności energii bez zbędnej przebudowy całego systemu dystrybucyjnego.
Powyższe równania i przykłady są przeznaczone do wstępnego zrozumienia technicznego.lokalne dane o pogodzie projektowanej, obliczeń hydraulicznych i certyfikowanych danych o wydajności producenta pompy ciepła/wampirówki.
Wotech Professional Air Source Heat Pump Solutions (Profesjonalne rozwiązania dla pomp ciepła ze źródła powietrza)
W przypadku rozwiązań pomp ciepła powietrza-woda dla użytków mieszkalnych, komercyjnych i OEM, w tym dla zastosowań grzewczych niskiej temperatury, wiertniczych i podłogowych, należy odwiedzić: