Przy projektowaniusystem pompy ciepła powietrze-woda, jedną ważną decyzją jest sposób, w jaki pompa ciepła powinna być podłączona hydraulicznie do terminali ogrzewania i chłodzenia budynku.

Dla stosunkowo prostych zastosowań mieszkaniowych i lekkich zastosowań handlowychukład hydroniczny o jednej pętli, znany również jakosystem pompy ciepła z bezpośrednim połączeniem, jest powszechnie stosowany.

Jego zasada jest prosta:

Pompy ciepła → pompy krążenia → terminale grzewcze/chłodzące → pompy ciepła

Pompa ciepła i jednostki końcowe mają tę samą pętlę wody cyrkularnej bez hydraulicznego oddzielenia pomiędzy źródłem ciepła a stronami obciążenia.

Takie rozwiązanie zapewnia wyraźne zalety: mniejsza liczba komponentów, prostsze rurociągi, niższe koszty początkowe i potencjalnie niższa energia pompowania.

Jednak prostoty tworzą również ważne wyzwanie inżynieryjne:

Ponieważ pompa ciepła i końcówki mają ten sam przepływ wody, zmiana po stronie obciążenia bezpośrednio wpływa na warunki pracy pompy ciepła.

Zrozumienie tego kompromisu jest niezbędne przed podjęciem decyzji o tym, czy układ o jednej pętli jest odpowiednim rozwiązaniem dla projektu.

1. Co to jest jednokręgowy hydroniczny system pompy ciepła?

W układzie o jednej pętli jeden wspólny obwód wodny łączy pompę ciepła bezpośrednio z urządzeniami końcowymi, takimi jak:

• Ogrzewanie podłogowe

• Zestawy wiertarki wentylatora

• Radiatory niskotemperaturowe

• Węzły jednostki obsługi powietrza

• Pozostałe terminale hydroniczne do ogrzewania lub chłodzenia

W wielu instalacjach jedna pompa cyrkulacyjna zapewnia wymagany przepływ wody zarówno przez pompę ciepła, jak i sieć dystrybucyjną.

Oznacza to:

Przepływ pompy ciepła ≈ przepływ systemu końcowego

To zasadniczo różni się od hydraulicznie oddzielonego lub systemu pierwotno-podstawowego, w którym obwód pompy ciepła i obwód końcowy mogą działać przy różnych natężeniach przepływu.

Prostota układu jednokręgowego jest zarówno jego największą zaletą, jak i głównym ograniczeniem.

2Zalety: prosty system hydrauliczny

Pierwszą ważną zaletą jest prostota.

Właściwie zaprojektowany układ jednoobiegowy może wymagać jedynie:

Pompy ciepła + pompy cyrkulacyjne + sieć dystrybucyjna + jednostki końcowe

Dodatkowe komponenty są nadal wymagane w zakresie bezpieczeństwa, rozszerzania, filtracji i kontroli, ale podstawowa architektura hydrauliczna pozostaje prosta.

W porównaniu z bardziej skomplikowanymi systemami może to oznaczać:

• Mniej pomp krążenia

• Mniej rur

• Mniej elementów sterujących

• Łatwiejsza instalacja

• Łatwiejsze uruchomienie

• Mniejsza inwestycja początkowa

• Mniej potencjalnych problemów z interakcją hydrauliczną pomiędzy pompami

W przypadku małych obiektów mieszkalnych z jednym głównym obwodem grzewczym taka prostota może być bardzo atrakcyjna.

3Zalety: niższa energia pompy

Wydajność pompy ciepła nigdy nie powinna być oceniana wyłącznie na podstawie COP sprężarki.

W końcu budynek płaci za zużyte przez budynekkompletny system.

Obejmuje to:

Pompy ciepła + pompy cyrkulacyjne + urządzenia sterujące + podgrzewacze pomocnicze + inne akcesoria

Siła pompy krążenia ma zatem znaczenie.

Wyobraź sobie:

Moc wejściowa pompy ciepła = 4,0 kW

oraz:

Wpływ pompy cyrkulacyjnej = 0,3 kW

Cały system zużywa w rzeczywistości około:

40,3 kW

W przypadku dodania niepotrzebnych pomp całkowita sprawność systemu zmniejsza się, nawet jeśli opublikowany COP pompy ciepła pozostaje niezmieniony.

To staje się coraz ważniejsze, ponieważ nowoczesne pompy ciepła z inwerterami stają się bardziej wydajne.

Wraz ze wzrostem wydajności sprężarek zużycie mocy pomocniczej stanowi większy udział w całkowitym zużyciu energii elektrycznej systemu.

4Dlaczego nadmierne pompy mogą marnować energię

W praktycznych instalacjach nie zawsze jest znana dokładna odporność hydrauliczna sieci końcowej.

Projektanci lub instalatorzy mogą zatem wybrać większą pompę cyrkulacyjną w celu zapewnienia wystarczającego przepływu.

Rozumowanie jest zrozumiałe:

/Bezpieczniej jest mieć zbyt duży przepływ niż zbyt mały.

Jednak z punktu widzenia efektywności energetycznej nie zawsze jest to poprawne.

Nadmierne pompy krążenia mogą powodować:

• Nadmierne zużycie energii elektrycznej

• Wyższe ciśnienie różnicowe

• Nadmierna prędkość wody

• Hałas rur i zaworów

• System redukcyjny ΔT

• Słaba władza zaworu

• Niepotrzebny przepływ obejścia

W związku z tym nie należy wybierać pompy cyrkulacyjnej po prostu wybierając większy model.

Prawidłowe podejście inżynieryjne jest następujące:

Wymagany przepływ + spadek ciśnienia w układzie → punkt pracy pompy

5Energia pompy staje się szczególnie ważna przy częściowym obciążeniu.

Większość systemów grzewczych nie działa przy pełnym obciążeniu projektowym przez cały sezon grzewczy.

Zmiany temperatury na zewnątrz.

Pokoje osiągają swoje punkty.

Wzrost słoneczny.

Niektóre strefy są zamknięte.

Pompa ciepła zmniejsza częstotliwość kompresora.

W rezultacie budynek może przez długi czas wymagać tylko ułamka jego projektów mocy ogrzewania.

Załóżmy, że cały system został zaprojektowany do:

3 m3/h

ale w warunkach częściowego obciążenia terminale aktywne wymagają jedynie:

1 m3/h

Pompa krążenia o stałej prędkości lub słabo kontrolowana nadmiarowa może nadal działać z przepływem znacznie wyższym niż rzeczywiście wymaga system końcowy.

Następnie pompa zużywa energię elektryczną do cyrkulacji wody, która zapewnia niewielkie dodatkowe przeniesienie ciepła.

Zmniejsza toefektywność sezonowa całego systemu.

6Zalety: brak mieszania hydraulicznego pomiędzy dwoma obwodami

Inną ważną zaletą systemu z bezpośrednim podłączeniem jest to, że zwykle nie ma hydraulicznego oddzielenia pomiędzy pompą ciepła a końcówkami.

Woda z budynku trafia bezpośrednio do pompy ciepła.

W ten sposób unika się mieszania, które może wystąpić w niektórych układach pierwotno-podstawowych, gdy prędkości przepływu pierwotnego i wtórnego są różne.

Jest to szczególnie istotne w przypadku pomp ciepła, ponieważ na ich sprawność silnie wpływa temperatura wody.

Ogólnie:

Obniżenie wymaganej temperatury wody grzewczej → niższy poziom podnoszenia sprężarki → lepsza wydajność pompy ciepła

Niepotrzebne mieszanie, które podnosi temperaturę wody zwrotnej lub wymaga wyższej temperatury pompy ciepła, może zatem zmniejszyć wydajność.

Prawidłowo zaprojektowany system z bezpośrednim połączeniem może zapewnić bardzo czystą ścieżkę termiczną:

Pompy ciepła → Terminal → Pompy ciepła

bez niepotrzebnego mieszania pośrednich.

7Zalety: Doskonały potencjał do ogrzewania w niskich temperaturach

Systemy jednoprzewodowe mogą działać szczególnie dobrze zogrzewanie podłogowe.

Ogrzewanie podłogowe wymaga zwykle stosunkowo niskiej temperatury wody, często znacznie niższej niż w przypadku tradycyjnych systemów grzejników.

Jest to korzystne dla pomp ciepła powietrze-woda.

Na przykład system działający wokół:

35°C

na ogół pozwalają na bardziej wydajne działanie pompy ciepła niż pompy ciepła wymagające:

55°C

w porównywalnych warunkach zewnętrznych.

Prosta, bezpośrednia łączność pomiędzy pompą ciepła z inwerterem a odpowiednio zaprojektowaną siecią podłogowego ogrzewania niskotemperaturowego może zatem stanowić skuteczne rozwiązanie.

Ale jest jeden ważny warunek:

Charakterystyka przepływu końcowego musi pozostać zgodna z wymaganym przepływem pracy pompy ciepła.

8Główne ograniczenie: pompa ciepła i przepływ końcowy są połączone

To najważniejsze pojęcie do zrozumienia.

W układzie o jednej pętli:

Przepływ pompy ciepła = przepływ dystrybucji

lub, dokładniej mówiąc, obie strony są częścią tego samego obwodu hydraulicznego.

Oznacza to, że projektant nie może samodzielnie zoptymalizować przepływu pompy ciepła i przepływu końcowego.

Rozważmy prosty przykład.

Przy jednym warunku pracy:

Pompy ciepła Optymalny przepływ = 3 m3/h

i wszystkie obwody końcowe są otwarte.

System działa doskonale.

Później większość pomieszczeń osiąga określone temperatury.

Tylko jedna strefa końcowa pozostaje aktywna.

Strefa ta może wymagać jedynie:

1 m3/h

Teraz mamy konflikt.

Pompa ciepła może preferować:

3 m3/h

podczas gdy budynek obecnie wymaga:

1 m3/h

System z bezpośrednim połączeniem naturalnie nie może zapewnić dwóch różnych natężeniach przepływu jednocześnie.

Jest to podstawowe ograniczenie hydrauliczne systemu jednoprzewodowego.

9Dlaczego zmienne obciążenie budynku stwarza problem

Prawdziwe budynki ciągle się zmieniają.

System może zawierać sześć stref ogrzewania.

Przy maksymalnym obciążeniu:

6 stref otwartych → wysoki przepływ końcowy

Przy średnim obciążeniu:

3 strefy otwarte → dolny przepływ końcowy

Przy minimalnym obciążeniu:

1 Strefa otwarta → Bardzo niski przepływ końcowy

Ale pompa ciepła nadal wymaga minimalnego przepływu wody.

W związku z tym:

Przepływ końcowy

nie oznacza koniecznie:

Wymagany przepływ pompy ciepła ↓ o tę samą ilość

Niezgodność ta staje się szczególnie ważna w przypadku niezależnie kontrolowanych:

• Strefy podłogowego ogrzewania

• Zestawy wiertarki wentylatora

• Wyroby z tworzyw sztucznych, z tworzyw sztucznych

• Z wyłączeniem tych objętych pozycją 8403

10Pompa ciepła ma swój optymalny przepływ

Ważne jest, aby rozróżnić:

Minimalny dopuszczalny przepływ

a także

optymalny przepływ/projektowanie.

Minimalny przepływ jest zwykle granicą ochrony.

Przepływ projektowy to przepływ, przy którym pompa ciepła ma osiągnąć określone właściwości cieplne w określonych warunkach badań lub projektowania.

W przypadku danej prędkości transferu ciepła:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

gdzie:

• Q = moc przesyłu ciepła, kW

• V = przepływ wody, m3/h

• ΔT = różnica temperatury podaży i zwrotu, K

Zmiana przepływu zmienia ΔT i stan pracy wymiennika ciepła.

W związku z tym celem nie powinno być jedynie:

¢Pokładaj wystarczająco dużo wody w ruchu, aby maszyna nie wywołała alarmu. ¢

Lepszym celem jest:

W celu zapewnienia efektywnej i stabilnej pracy należy utrzymywać odpowiednie warunki hydrauliczne.

11Strona końcowa ma również optymalny przepływ.

Tę samą zasadę stosuje się do terminali budynku.

Ścieżka ogrzewania podłogowego, grzejnik lub cewka wentylatora nie wymagają maksymalnego przepływu wody przez cały czas.

Jego wymagany przepływ zależy od:

• Obecne obciążenie pomieszczenia

• Temperatura wody

• Wymagana moc cieplna

• Charakterystyka przeniesienia ciepła w terminale

• Pozycja zaworu sterującego

• Wartość ustalania w pomieszczeniach wewnętrznych

Przy zmniejszonym obciążeniu strona końcowa może korzystać z mniejszego przepływu.

Ale jeśli pompa ciepła i system końcowy mają tę samą pętlę krążenia, zmniejszenie przepływu końcowego zmniejsza również przepływ pompy ciepła.

Stwarza to kompromis kontroli.

12Podstawowy wymianę w jednej pętli

Możemy podsumować problem bardzo prosto.

Wymagania dotyczące pompy ciepła

Potrzebuję dostatecznego przepływu, aby pracować sprawnie i bezpiecznie.

Wymóg terminalu

Potrzebuję wystarczającej ilości wody, aby zaspokoić obecne obciążenie budynku.

System jednokręgowy

Muszą mieć ten sam przepływ hydrauliczny.

Dlatego system z jedną pętlą może być niezwykle wydajny w odpowiednich warunkach, ale mniej elastyczny, gdy zmiana obciążenia i strefowanie stają się skomplikowane.

13Dlaczego nadmierne rozmiary pompy nie rozwiązują problemu

Powszechnym rozwiązaniem jest zainstalowanie większej pompy cyrkulacyjnej.

W ten sposób można zagwarantować odpowiedni przepływ pompy ciepła, gdy wiele punktów jest otwartych.

Ale gdy zapotrzebowanie na wodę staje się niewielkie, pompa może przenosić znacznie więcej wody niż jest to konieczne.

Może to prowadzić do:

Wyższa moc pompy → wyższe zużycie paliwa pomocniczego → niższa wydajność całego systemu

Może również powodować nadmierne ciśnienie różniczkowe w przypadku zamknięcia zaworów końcowych.

Z tego względu nadmierne rozmiary pomp mogą rozwiązywać jeden problem i jednocześnie tworzyć inny.

14Pompy o zmiennej prędkości poprawiają sytuację

Nowoczesne pompy cyrkulacyjne ECM o zmiennej prędkości zapewniają lepsze rozwiązanie niż pompy o dużych rozmiarach o stałej prędkości.

W zależności od systemu sterowanie pompą może wykorzystywać:

• Ciśnienie różniczkowe stałe

• Ciśnienie różnicowe proporcjonalne

• Kontrola PWM

• sygnał 0·10 V

• Zintegrowane sterowanie pompą ciepła

Umożliwia to zmniejszenie prędkości pompy wraz ze zmniejszeniem obciążenia systemu.

Do potencjalnych korzyści należą:

• Obniżenie zużycia energii elektrycznej w pompach

• Zmniejszona prędkość wody

• Niskie ciśnienie różnicowe

• Mniej hałasu

• Lepsza wydajność częściowego obciążenia

Jednak pompowanie o zmiennej prędkości nie usuwa całkowicie podstawowego ograniczenia.

System ma jeszcze tylko jeden obwod hydrauliczny.

Pompa musi nadal znaleźć kompromis między:

Przepływ wymagany przez pompę ciepła

a także

Wymagany przepływ

15Dlaczego energia elektryczna z pomp powinna być uwzględniona w efektywności systemu

Przy porównaniu różnych konfiguracji hydraulicznych, warto myśleć poza COP pompy ciepła.

Rozważmy:

Wynik ciepła użytecznego = 12 kW

Prąd z pompy ciepła:

30,0 kW

Elektryczność z pompy cyrkulacyjnej:

00,3 kW

Jeśli spojrzymy tylko na pompę ciepła:

COP = 12 ÷ 3,0 = 4.0

Ale jeśli moc pompy jest uwzględniona:

COP systemu = 12 ÷ (3,0 + 0,3)

≈3.64

Ten uproszczony przykład ilustruje ważną kwestię:

Wykorzystanie energii elektrycznej pomocniczej może mieć istotny wpływ na wydajność całego systemu.

W przypadku wysokiej wydajności pomp ciepła wybór i sterowanie pompą wymaga poważnej uwagi.

16Systemy jednoprzewodowe mogą być bardzo wydajne w odpowiednich warunkach.

Żadne z tych ograniczeń nie oznacza, że układ z jedną pętlą jest nieefektywny.

Wręcz przeciwnie.

Dobrze zaprojektowany system bezpośredniego połączenia może być jednym z najbardziej wydajnych rozwiązań, gdy:

• Odporność hydrauliczna jest przewidywalna

• Przepływ końcowy pozostaje stosunkowo stabilny

• Przepływy pompy ciepła i konstrukcji terminali są zgodne

• Niewiele niezależnych stref jest wykorzystywanych

• Wymagania dotyczące temperatury wody są podobne

• Wykorzystuje się pompę o zmiennej prędkości o prawidłowym rozmiarze

• Minimalny przepływ pompy ciepła może być zawsze utrzymywany

W takich warunkach prostotę architektury staje się dużą zaletą.

17Kiedy najbardziej odpowiedni jest system jednokręgowy?

Konfiguracja jednokręgowa jest szczególnie atrakcyjna dla:

Małe systemy mieszkaniowe

Zwłaszcza, gdy jest tylko jeden pierwotny obwod grzewczy.

Ogrzewanie podłogowe

Zwłaszcza, gdy większość pętli pozostaje otwarta i działa w podobnych temperaturach.

Radiatory niskotemperaturowe

Jeżeli wymagania przepływu hydraulicznego są zgodne z pompą ciepła.

Proste systemy wiertnicze

Pod warunkiem, że zmienny przepływ końcowy nie wpływa na minimalny przepływ pompy ciepła.

Projekty, w których prostoty są ważne

Dzięki mniejszej liczbie pomp i elementów hydraulicznych łatwiejsza jest ich instalacja i konserwacja.

18Kiedy system z jedną pętlą staje się mniej odpowiedni?

System podłączony bezpośrednio zasługuje na dokładniejszą ocenę, gdy:

• Jest wiele niezależnych stref.

• Znaczące zmiany przepływu terminali

• Większość zaworów może zamykać się jednocześnie

• Różne obwody końcowe wymagają bardzo różnych przepływów

• Ogrzewanie podłogowe, chłodnicy i cewki wentylatorów są łączone

• Wymagane są różne temperatury podawania

• Wysoka utrata ciśnienia w układzie dystrybucji

• Wymagane są wiele pomp krążenia

• Wiele pomp ciepła działa kaskadowo

• Minimalny przepływ pompy ciepła trudno zagwarantować

W takich sytuacjach separacja hydrauliczna może zapewnić lepszą kontrolę.

19. Single-Loop vs. Primary-Secondary nie jest kwestią dobra vs. zła

Częstym błędem jest traktowanie decyzji jako:

Pojedynczy pętl = prosty / tani

a także

Szkolenie podstawowe i średnie = zawodowe / lepsze

To nieprawdziwe.

Obie architektury mają ważne zastosowania.

Prawidłowe pytanie brzmi:

Czy źródło ciepła wymaga tego samego przepływu co strona obciążenia w oczekiwanym zakresie pracy?

Jeśli odpowiedź jest ogólnie twierdząca, bezpośrednie połączenie może być doskonałym rozwiązaniem.

Jeżeli odpowiedź często brzmi "nie", separacja hydrauliczna staje się znacznie bardziej atrakcyjna.

20Zalety i ograniczenia na pierwszy rzut oka

21Co inżynierowie powinni sprawdzić przed wyborem systemu jednoprzewodowego?

Przed wyborem architektury hydraulicznej z bezpośrednim połączeniem należy obliczyć lub zweryfikować:

Strona pompy ciepła

• Projekt przepływu wody

• Minimalny dopuszczalny przepływ wody

• Maksymalny dopuszczalny przepływ

• Wymagane ΔT

• Spadek ciśnienia na stronie wody

• Minimalna objętość wody w systemie

Strona dystrybucyjna

• Przepływ końcowy projektowany

• Minimalny przepływ końcowy

• Liczba stref

• Spadek ciśnienia w rurze

• Spadek ciśnienia zaworu

• Spadek ciśnienia końcowego

• Maksymalne i minimalne obwody aktywne

Pompa krążenia

• Przepływ projektowania

• Dostępna głowa

• Wydajność pompy

• Możliwość zmiany prędkości

• Strategia kontroli częściowego obciążenia

Działanie systemu

• Przepływ na pełnym obciążeniu

• Przepływ częściowego obciążenia

• Minimalny przepływ obciążenia

• Wykonanie ogrzewania

• Operacja chłodzenia

• Operacja odmrażania

Architektura hydrauliczna powinna być wybrana dopiero po zrozumieniu tych warunków pracy.

22Najważniejsza zasada inżynierii

Zalety i ograniczenia układu jednoprzewodowego wynikają dokładnie z tej samej cechy:

Pompa ciepła i układ końcowy są połączone hydraulicznie jednym wspólnym obwodem wodnym.

Przewiduje to:

Prostota + Mniej pomp + Mniej mieszania

ale także tworzy:

Połączenie przepływowe + ograniczona niezależność hydrauliczna

Nie ma sprzeczności.

To po prostu inżynierski kompromis.

Wniosek

Aukład hydronicznego pompy ciepła o jednej pętlimogą być proste, niezawodne i wysoce energooszczędne, jeżeli pompa ciepła i układ końcowy mają zgodne wymagania hydrauliczne.

Do jego głównych zalet należą:

Prosta architektura + Mniej pomp + Mniejszy zużycie paliw + Brak niepotrzebnego mieszania hydraulicznego

Jego główne ograniczenia są równie jasne:

Pompa ciepła i terminale budynku nie mogą samodzielnie kontrolować przepływu wody.

Wraz ze zmianami obciążenia budynku, optymalny przepływ wymagany przez terminale może znacznie różnić się od przepływu wymaganego przez pompę ciepła.

Dlatego wybór pompy cyrkulacyjnej, strategia planowania i analiza hydrauliczna częściowego obciążenia są tak ważne.

W przypadku zwykłego ogrzewania podłogowego w domach mieszkalnych i innych stosunkowo stabilnych zastosowań hydronicznych bezpośrednie podłączenie może być doskonałym wyborem.

W przypadku złożonych systemów wielo-strefowych o bardzo zmiennym przepływie, wielu typach końcówek lub różnych wymaganiach dotyczących temperatury,oddzielenie hydrauliczne lub architektura podstawowo-podstawowa mogą zapewnić lepszą kontrolę systemu.

Celem inżynierii nigdy nie powinno być uczynienie systemu tak prostym lub skomplikowanym, jak to tylko możliwe.

Powinien być:

Wykorzystanie najprostszej architektury hydraulicznej, która pozwala na efektywne, bezpieczne i niezawodne działanie pompy ciepła i systemu końcowego w całym zakresie obciążenia.

Częste pytania

Czy system pompy ciepła o jednej pętli jest bardziej wydajny?

Możliwe. Mniej pomp cyrkulacyjnych i zmniejszone mieszanie hydrauliczne mogą poprawić wydajność całego systemu. Jednakże złe rozmiary pomp lub duże niezgodności przepływu przy częściowym obciążeniu mogą zmniejszyć te zalety.

Dlaczego moc pompy krążenia jest ważna?

Ponadto pompa ciepła jest częścią całego systemu ogrzewania i zużywa energię elektryczną.

Czy większa pompa krążenia jest bezpieczniejsza?

Nie koniecznie. Zwiększenie wielkości może zwiększyć zużycie energii elektrycznej, ciśnienie różniczkowe, prędkość wody i hałas. Wybór pompy powinien opierać się na obliczonych wymaganiach przepływu i głowicy.

Dlaczego ogrzewanie podłogowe jest odpowiednie dla systemu pompy ciepła o jednej pętli?

Ogrzewanie podłogowe zazwyczaj działa przy niskiej temperaturze wody i może zapewnić stosunkowo stabilny przepływ, jeśli jest prawidłowo zaprojektowane, co jest korzystne dla wydajności pompy ciepła powietrze-woda.

Jaka jest największa wada systemu z jedną pętlą?

Pompy ciepła i układ końcowy mają ten sam układ hydrauliczny, więc nie mogą działać niezależnie przy różnych natężeniach przepływu.

Kiedy należy rozważyć system podstawowo-podstawowy?

Należy go ocenić, gdy pompa ciepła i obwody końcowe wymagają znacząco różnych lub niezależnie od siebie zmieniających się przepływów, gdy wymagane jest kilka pomp,lub gdy budynek zawiera skomplikowane strefy i różne terminale temperatury.