Przy projektowaniu systemu pompy ciepła powietrze-woda jedną z najważniejszych decyzji jest to, w jaki sposób pompa ciepła powinna być podłączona hydraulicznie do terminali ogrzewania i chłodzenia budynku.

W przypadku stosunkowo prostych instalacjisystem hydroniczny podstawowy lub bezpośredniJednakże, gdy projekt obejmuje kilka typów urządzeń końcowych, takich jak podłogowe ogrzewanie, chłodniaki i jednostki wiertnicze, wymagania hydrauliczne stają się znacznie bardziej skomplikowane.

To jest miejsce, gdziewtórny układ hydroniczny, zazwyczaj z użyciem zbiornika buforowego i dwóch pomp krążenia, staje się szczególnie przydatne.

Ale czy każda instalacja pompy ciepła potrzebuje systemu wtórnego?

Nie koniecznie.

Podstawowy system hydroniczny zapewnia lepszą stabilność hydrauliczną, większą elastyczność i lepsze warunki pracy pompy ciepła.zużycie energii pompowej, złożoność instalacji i potencjalne straty ciepła.

Zrozumienie tych kompromisów jest niezbędne do zaprojektowania wydajnego systemu pomp ciepła powietrza.

1Co to jest wtórny system hydroniczny?

Typowy wtórny układ hydroniczny dzieli obwód wodny na dwie pętle hydrauliczne.

Pierwszą pętlą jestobwód podstawowy pompy ciepła:

Pompy ciepła → zbiorniki buforowe → Pompy ciepła

Drugim pętlem jestobwód obciążenia budynku:

Zbiornik buforowy → pompa krążenia → terminale grzewcze/chłodzące → zbiornik buforowy

Zbiornik buforowy pełni zatem funkcję wspólnego połączenia pomiędzy źródłem ciepła a obciążeniem budynku.

W przeciwieństwie do systemu bezpośredniego pompa ciepła nie musi zapewniać całego przepływu wody wymaganego przez system dystrybucji budynku.

Jest to jedna z najważniejszych różnic między podstawowymi i wtórnymi projektami hydronicznymi.

2Dlaczego systemy pomp ciepła potrzebują separacji hydraulicznej?

Pompa ciepła i terminale budynku nie zawsze wymagają tego samego przepływu wody.

Wyobraźmy sobie budynek wyposażony w:

• Radiatory

• Zestawy wiertarki wentylatora

• Ogrzewanie podłogowe

Każdy terminal może działać z różnymi temperaturami wody, różnicami temperatur (ΔT), przepływami, zawory sterującymi i harmonogramami pracy.

Na przykład typowe warunki projektowania mogą wyglądać mniej więcej tak:

Liczby te są raczej odniesieniami projektowymi niż uniwersalnymi zasadami; rzeczywiste wartości powinny zawsze być zgodne z wyborem terminali i obliczeniem obciążenia cieplnego projektu.

Kluczowy problem inżynieryjny jest prosty:

Przepływ wymagany przez pompę ciepła może nie być równy przepływowi wymaganym przez układ końcowy.

Podstawowy obwód hydroniczny pomaga oddzielić te dwa wymagania hydrauliczne.

Zalety wtórnego układu hydronicznego

3Zalety nr 1: Stabilniejszy przepływ wody z pompy ciepła

Pompy ciepła zazwyczaj wymagają minimalnego przepływu wody przez wymiennik ciepła.

W systemie bezpośrednim jednak termostaty pomieszczenia, zawory strefowe, zawory termostatyczne chłodnicy lub zawory sterujące wiertarką wentylatora mogą stale zmieniać przepływ systemu.

Wyobraź sobie dom z ośmioma strefami ogrzewania.

Gdy wszystkie osiem stref jest otwartych, przepływ wody może być wystarczający.

Ale kiedy sześć stref osiąga ustawioną temperaturę i zamyka swoje zawory, tylko dwie strefki pozostają aktywne.

Opór układu drastycznie się zmienia, a przepływ przez pompę ciepła może spadnąć poniżej zalecanych zakresów pracy.

Może to przyczynić się do takich problemów jak:

• Niewystarczające alarmy przepływu wody

• Nadmierna różnica temperatury podaży/wrotu

• Wysokie ciśnienie kondensacyjne

• Zmniejszona pojemność ogrzewania

• Niestabilne działanie sprężarki

• Częste jazdę na rowerze

System wtórny zmniejsza tę interakcję, ponieważ pompa ciepła ma własną dedykowaną pętlę krążenia.

Inżynieria

Pompa ciepła widzi bardziej przewidywalne środowisko hydrauliczne, nawet gdy przepływ na stronie budynku się zmienia.

W przypadku pomp ciepła z falownikiem może to być szczególnie cenne, ponieważ stabilne warunki wody pomagają skuteczniejszemu działaniu strategii modulacji sprężarki.

4Zalety nr 2: lepsza kompatybilność z wieloma typami terminali

Nowoczesny system ogrzewania wodnego może zawierać kilka różnych typów końcówek.

Na przykład:

Pompy ciepła → zbiorniki buforowe → chłodnicy + cewki wentylatorów + podłogowe ogrzewanie

Te terminale rzadko wymagają dokładnie tego samego przepływu i temperatury wody.

Ogrzewanie podłogowe działa zazwyczaj przy stosunkowo niskich temperaturach wody, podczas gdy tradycyjne grzejniki mogą wymagać znacznie wyższych temperatur.Węzły wentylatorów mogą działać zarówno w trybie ogrzewania, jak i chłodzenia i często wykorzystują stosunkowo małe ΔT po stronie wody.

System wtórny ułatwia tworzenie oddzielnych oddziałów dystrybucyjnych przy użyciu:

• Niezależne pompy cyrkulacyjne

• Wyroby z tworzyw sztucznych

• Zawory strefowe

• Zestawy

• Systemy regulacji temperatury

• Regulacja ciśnienia różnicowego

Zapewnia to znacznie większą elastyczność projektowania.

5Zaletą nr 3: Zbiornik buforowy zapewnia inercję cieplną

Jednym z najważniejszych elementów wielu wtórnych systemów pomp ciepła jestzbiornik buforowy.

Woda ma znaczną zdolność magazynowania ciepła.

Z tego względu zbiornik buforowy zwiększa całkowitą objętość wody w układzie hydronicznym i zwiększa bezwładność cieplną.

Przechowywaną energię cieplną można przybliżyć poprzez:

Q = m × Cp × ΔT

Gdzie:

• Q= magazynowana energia cieplna

• m= masa wody

• Cp= właściwa moc cieplna wody

• ΔT= różnica użytkowej temperatury

W przypadku praktycznych obliczeń HVAC:

1 litr wody magazynuje około 1,16 Wh na każdą zmianę temperatury o 1 °C.

W związku z powyższym zbiornik buforowy o pojemności 200 l pracujący w przedziale temperatury 5 K przechowuje około:

200 × 1,16 × 5 ≈ 1,16 kWh

Nie oznacza to, że zbiornik buforowy jest źródłem energii.

Po prostu przechowuje energię tymczasowo i uwalnia ją później.

To ważne.

6Korzyść nr 4: Zmniejszona prędkość cyklu pompy ciepła

Krótki cykl występuje, gdy pompa ciepła uruchamia się, szybko osiąga docelową temperaturę, zatrzymuje się, a następnie wkrótce po tym ponownie uruchamia.

Często występuje, gdy:

Minimalna produkcja pompy ciepła > bieżące zapotrzebowanie na ciepło w budynku

Przykładowo zakładajmy, że pompa ciepła z inwerterem może modulować do 5 kW, ale obecnie budynek potrzebuje tylko 2 kW.

Bez wystarczającej objętości wody w systemie temperatura wody podawanej może gwałtownie wzrosnąć.

Kontroler osiąga docelową temperaturę i zatrzymuje sprężarkę.

Budynek nadal wydobywa ciepło, temperatura wody spada, a sprężarka zaczyna się od nowa.

Wynik może być następujący:

Zacznij → Zatrzymaj → Zacznij → Zatrzymaj → Zacznij

Powtarzające się cykle kompresora mogą:

• Zmniejszenie efektywności sezonowej

• Zwiększenie zużycia energii elektrycznej

• Zwiększenie uruchomienia sprężarki

• Zwiększenie zużycia części

• Powoduje niestabilną temperaturę w pomieszczeniach

Dodatkowa objętość wody z odpowiednio rozmieszczonego zbiornika buforowego spowalnia zmiany temperatury wody.

Zamiast:

45°C → 50°C bardzo szybko

system może potrzebować znacznie więcej czasu, aby osiągnąć limit kontroli.

Dzięki temu pompa ciepła ma dłuższy cykl pracy.

7Zaletą nr 5: Lepsza stabilność hydrauliczna podczas częściowego obciążenia

Budynki rzadko pracują przy 100% zapotrzebowania na ogrzewanie w sposób ciągły.

Na przykład wiosną i jesienią tylko część budynku może wymagać ogrzewania.

Niektóre pomieszczenia mogą osiągnąć ustawioną temperaturę, podczas gdy inne nadal wymagają ogrzewania.

Stwarza to warunki zmiennego przepływu.

Obwód wtórny umożliwia pompie ze strony budynku reagowanie na to zmieniające się zapotrzebowanie, podczas gdy obwód ze strony pompy ciepła utrzymuje przepływ wymagany przez pompę ciepła.

Ta separacja hydrauliczna może ułatwić kontrolę całego systemu.

8Korzyść nr 6: Większa elastyczność dla złożonych projektów HVAC

Systemy wtórne stają się szczególnie przydatne, gdy projekt zawiera:

Pompy ciepła + zbiornik buforowy + wiele stref ogrzewania + cewki wentylatorów + chłodni + podłogowe ogrzewanie

Są również przydatne do:

• Duże budynki mieszkalne

• Hotele

• Budynki handlowe

• Szkoły

• Wille z wieloma strefami ogrzewania

• Projekty modernizacji

• Hybrydowe systemy grzewcze/grzewki podłogowej

• Systemy ogrzewania i chłodzenia z wieloma typami końcówek

W tych projektach dodatkowa złożoność hydrauliczna jest często uzasadniona zwiększoną możliwością sterowania.

Wady wtórnego systemu hydronicznego

System wtórny nie jest automatycznie bardziej wydajny.

To jest punkt krytyczny.

Większa liczba elementów może rozwiązać problemy hydrauliczne, ale każdy dodatkowy element wiąże się również z kosztami i potencjalnymi stratami energii.

9Wady nr 1: Potrzebna dodatkowa pompa krążenia

Typowy system bezpośredni może pracować z jedną główną pompą krążenia.

System wtórny wymaga zazwyczaj co najmniej dwóch:

Pompa 1:Pompy ciepła  Zbiornik buforowy

Pompa 2:Zbiornik buforowy

Dodatkowe strefy ogrzewania mogą wymagać jeszcze większej liczby pomp.

Każda pompa krążenia zużywa prąd.

W związku z tym:

System wtórny może poprawić stabilność pracy pompy ciepła, jednocześnie zwiększając zużycie energii elektrycznej pomocniczej.

W związku z tym system należy ocenić na podstawie całkowitego sezonowego zużycia energii, a nie tylko COP pompy ciepła.

Zasadniczo preferowane są wysokiej wydajności pompy cyrkulacyjne ECM z regulacją zmiennej prędkości.

10Wady nr 2: Wyższe koszty początkowe

W porównaniu z prostym połączeniem bezpośrednim, system wtórny może wymagać:

• Zbiornik buforowy

• Dodatkowa pompa krążenia

• Więcej rur.

• Więcej zaworów izolacyjnych

• Wyroby z tworzyw sztucznych

• Czujniki

• Akcesoria rozszerzające

• Wyroby z tworzyw sztucznych

• Dodatkowe kontrole

• Więcej pracy instalatorskiej

Zwiększa to początkowy koszt projektu.

W przypadku małej instalacji mieszkalnej z jedną prostą pętlą podłogowego ogrzewania dodatkowa złożoność może nie zawsze przynosić wystarczającą korzyść.

W przypadku dużych projektów z wieloma strefami dodatkowe koszty mogą być jednak uzasadnione.

11Wady 3: Dodatkowa strata ciepła

Zbiornik buforowy nie jest idealnie izolowany.

Nie ma też dodatkowych rur, zaworów i wyposażenia wymaganych przez obwód wtórny.

W związku z tym można tracić ciepło z:

• Ściany zbiornika buforowego

• Rury dystrybucyjne

• Zestawy i akcesoria

• Korpusy pomp

• Pomieszczenia mechaniczne

Dobra izolacja może zminimalizować straty, ale nie wyeliminuje ich całkowicie.

Jest to szczególnie ważne, gdy zbiornik buforowy jest zainstalowany w nieprzewidzianej przestrzeni.

12Niedobór nr 4: Słaba konstrukcja hydrauliczna może zmniejszyć wydajność pompy ciepła

Dodanie zbiornika buforowego nie tworzy automatycznie dobrego systemu.

Jeden z najczęstszych problemów występuje, gdy prędkość przepływu pierwotnego i wtórnego jest słabo zrównoważona.

Pozwól:

Vp = przepływ pierwotnej pompy ciepła

Vs = wtórny przepływ w budynku

Jeśli:

Vp > Vs

część ciepłej wody może wrócić bezpośrednio przez zbiornik buforowy do pompy ciepła.

Jeśli:

Vs > Vp

do podaży wtórnej może mieszać się trochę chłodniejszej wody zwrotnej.

Zjawisko to jest czasami określane jakomieszanie hydrauliczne.

Nadmierne mieszanie może zmienić temperaturę wody dostarczanej do końcówek i może zmusić pompę ciepła do pracy przy wyższej temperaturze wody wyjściowej.

Ponieważ wydajność pompy ciepła generalnie maleje wraz ze wzrostem wymaganej temperatury wody, zła konstrukcja hydrauliczna może zmniejszyć COP.

13Wady nr 5: Kontrola staje się bardziej skomplikowana

System bezpośredni jest stosunkowo prosty.

Pompa ciepła monitoruje temperaturę wody i kontroluje jeden główny obwod hydrauliczny.

System wtórny może obejmować:

• Kontroler pompy ciepła

• Pierwotna pompa cyrkulacyjna

• Pompy wtórnego obiegu

• Czujnik zbiornika buforowego

• Termostaty pokojowe

• Zawory strefowe

• Zawór mieszania

• Kompensacja pogodowa

• Urządzenia sterujące cewkami wentylatora

• Urządzenia sterujące podłogowym ogrzewaniem

Komponenty te muszą poprawnie współpracować.

Słaba logika sterowania może powodować sytuacje, w których pompy działają niepotrzebnie lub pompa ciepła działa, gdy rzeczywiste zapotrzebowanie na ogrzewanie jest małe.

W związku z tymStrategia sterowania jest równie ważna jak konstrukcja hydrauliczna.

14Czy zbiornik buforowy jest zawsze niezbędny do pompy ciepła?

Nie, nie, nie.

Jest to jedno z najczęstszych nieporozumień w projektowaniu pomp ciepła powietrze-woda.

Zbiornik buforowy powinien rozwiązać konkretny problem inżynieryjny.

Może być przydatne, gdy:

• Pojemność wody w systemie jest niewystarczająca

• Wielokrotne strefy ogrzewania często otwierające się i zamykające

• Minimalny przepływ pompy ciepła nie może być gwarantowany w inny sposób

• Minimalna moc pompy ciepła przekracza częste zapotrzebowanie na częściowe obciążenie

• Kilka typów terminali wymaga separacji hydraulicznej

• Wykonanie odmrażania wymaga odpowiedniej ilości dostępnej wody

• Wymagania dotyczące przepływu pierwotnego i wtórnego różnią się znacząco

Jednakże, jeśli system zapewnia już odpowiednią objętość wody, stabilny przepływ, odpowiednie zonizowanie i dobrą modulację pompy ciepła, duży zbiornik buforowy może niewiele przynieść dodatkowej korzyści.

15Większe zbiorniki buforowe nie zawsze są lepsze.

Innym powszechnym błędnym przekonaniem jest:

Jeśli 100 litrów jest dobre, 500 litrów musi być lepsze.

To niekoniecznie prawda.

Zbyt duży zbiornik buforowy może:

• Zwiększenie kosztów systemu

• Zwiększenie strat ciepła

• Niepotrzebnie zwiększyć objętość wody w systemie

• Zwiększyć czas rozgrzewki

• Wymaganie większej powierzchni instalacyjnej

• Zmniejszenie szybkości reagowania

Zatem rozmiar zbiornika buforowego powinien być obliczany, a nie wybierany zgodnie z zwyczajem.

Prawidłowa objętość zależy od czynników, w tym:

• Pojemność pompy ciepła

• Minimalna zdolność modulacyjna

• Minimalny czas pracy sprężarki

• Minimalne zapotrzebowanie na ciepło w budynkach

• Pojemność wody w systemie

• Dopuszczalne wahania temperatury

• Wymagania dotyczące rozmrażania

• Minimalne wymagania producenta dotyczące objętości wody

Uproszczony związek inżynieryjny to:

V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

w przypadku gdy wymagana objętość jest związana z nierównowagą cieplną, która musi zostać wchłonięta w czasie wymaganego minimalnego okresu pracy.

W praktycznym projekcie wymagania hydrauliczne producenta pompy ciepła powinny zawsze mieć pierwszeństwo.

16. System pompy ciepła pierwotnego i wtórnego

Żaden projekt nie jest powszechnie lepszy.

Prawidłowy wybór zależy od budynku i warunków eksploatacji.

17Praktyczny przykład

Rozważmy dom z pompą ciepła powietrze-woda z:

Strefa A:Ogrzewanie podłogowe
Strefa B:Radiatory
Strefa C:Zestawy wiertarki wentylatora

W zimie wszystkie trzy strefy mogą działać.

W łagodną pogodę tylko podłogowe ogrzewanie może wymagać ciepła.

W okresie letnim tylko cewki wentylatorów mogą działać w celu chłodzenia.

Przepływ systemu zmienia się zatem znacząco w ciągu roku.

Podstawowa konstrukcja hydroniczna może umożliwić pompie ciepła utrzymanie stabilnego przepływu pierwotnego, podczas gdy podstawowy system dystrybucji odpowiada niezależnie na zapotrzebowanie budynku.

Typową konfiguracją może być:

Pompa cieplna ze źródła powietrza
↓
Pierwszorzędowa pompa krążenia
↓
Zbiornik buforowy
↓
Podstawowa pompa / zbiornik dystrybucyjny
↓
Chłodnicy + wiatraki + podłogowe ogrzewanie

W przypadku obwodów grzewczych podłogowych urządzenie mieszania może być również wymagane, jeżeli wymagana temperatura napędu jest niższa niż w przypadku innych końcówek.

Dlatego w bardziej złożonych projektach pomp ciepła powszechne są wtórne systemy hydroniczne.

18Najważniejsza zasada projektowania

Celem systemu wtórnego nie jest jedynie dodanie zbiornika buforowego.

Jego prawdziwym celem jest zarządzanie relacjami między:

                                                                                                                              

Dobrze zaprojektowany system utrzymuje równowagę tych czterech elementów.

Jeśli pompa ciepła wytwarza więcej ciepła niż obecnie zużywa budynek, system potrzebuje wystarczającej pojemności cieplnej i logiki sterowania, aby zapobiec szybkiemu wzrostowi temperatury i wyłączeniu sprężarki.

Jeśli budynek wymaga więcej ciepła niż obecnie wytwarza pompa ciepła, przechowywane ciepło w systemie może tymczasowo zmniejszyć tempo spadku temperatury wody.

Ta bezwładność cieplna pomaga wygładzić nierówność między natychmiastową mocą pompy ciepła a zapotrzebowaniem na budynki.

Jednak magazynowanie cieplne nie wytwarza energii.

Ostatecznie:

Ciepło wytwarzane przez pompę ciepła = ciepło dostarczane do budynku + straty systemu ± zmiana magazynowanej energii cieplnej

Ta równowaga energetyczna stanowi podstawę konstrukcji hydronicznych pomp ciepła.

Podsumowanie: Kiedy należy wybrać wtórny system hydroniczny?

Podstawowy system hydroniczny może być doskonałym rozwiązaniem, gdy pompa ciepła ze źródłem powietrza obsługuje złożony budynek o zmiennym przepływie wody, wielu strefach ogrzewania lub różnych terminalach.

Jego główne zalety to:

stabilny przepływ pompy ciepła, separacja hydrauliczna, zwiększona objętość wody w systemie, zmniejszony krótki cykl i lepsza elastyczność wielo-strefowa.

Głównymi wadami są:

wyższe koszty początkowe, dodatkowa energia elektryczna z pompy, większa złożoność instalacji, dodatkowe straty ciepła oraz możliwość mieszania hydraulicznego, jeśli system jest źle zaprojektowany.

W związku z tym kwestia inżynieryjna nie powinna dotyczyć:

Czy każda pompa ciepła powinna mieć zbiornik buforowy?

Lepsze pytanie brzmi:

Czy ten system wymaga hydraulicznego oddzielenia lub dodatkowej masy cieplnej w celu utrzymania stabilnej i efektywnej pracy pompy ciepła?

To pytanie prowadzi do znacznie lepszego projektu klimatyzacji.

FAQ: Podstawowe systemy hydroniczne i zbiorniki buforowe

Co to jest wtórny układ hydroniczny?

Podstawowy system hydroniczny oddziela obwód pompy ciepła od obwodu dystrybucyjnego budynku.Obie obwody są zwykle połączone przez zbiornik buforowy lub inną formę separacji hydraulicznej.

Po co używa się dwóch pomp krążenia?

Jedna pompa utrzymuje przepływ wody przez pompę ciepła, podczas gdy druga pompa zasila terminale grzewcze lub chłodzące budynku zgodnie z ich własnymi wymaganiami przepływu.

Czy zbiornik buforowy poprawia wydajność pompy ciepła?

Nie automatycznie. Może zmniejszyć krótkie cykle i ustabilizować pracę, co może poprawić sezonową wydajność w niektórych systemach.a dodatkowa pompa zużywa prąd.

Czy pompa ciepła może pracować bez zbiornika buforowego?

Tak, wiele odpowiednio zaprojektowanych systemów może pracować bez kompresora, pod warunkiem że spełnione są wymagania dotyczące minimalnego przepływu, minimalnej objętości wody, strefowania, roztopienia i czasu pracy sprężarki.

Czy system wtórny jest lepszy do ogrzewania podłogi?

Zwykle prosty podłogowy system ogrzewania z stabilnym przepływem może dobrze działać przy bezpośrednim podłączeniu.Systemy wtórne stają się bardziej wartościowe, gdy podłogowe ogrzewanie jest łączone z grzejnikami, cewki wentylatorów, wiele stref lub różne wymagania dotyczące temperatury wody.

Co się stanie, jeśli zbiornik buforowy jest zbyt duży?

Nadmierne zbiorniki buforowe mogą zwiększać straty ciepła, koszty instalacji, wymagania przestrzenne i czas reakcji systemu bez znaczącej korzyści ze strony wydajności.