При проектировании системы отопления или охлаждения воздуха-водой тепловым насосом одним из первых гидравлических решений является использованиесистема с одной петлей с прямым подключениемилипервично-вторичная гидроническая система.

Хотя эти термины широко используются в отрасли HVAC и тепловых насосов, выбор не должен основываться просто на предположении, что одна конфигурация всегда более эффективна, чем другая.

Правильное устройство гидравлики зависит от нескольких факторов, в том числе:

• Мощность теплового насоса
• Необходимый поток воды системы
• Нагрузка на отопление и охлаждение
• Тип терминальных блоков
• Количество отопительных зон
• Необходимая температура подающей воды
• Требуемая температурная дифференциальная величина (ΔT)
• Характеристики циркуляционного насоса
• Требования к переменному потоку
• Минимальные требования к объему и потоку воды теплового насоса

Эта статья объясняетпринцип работы, гидравлические характеристики, преимущества, ограничения и типичные применения одноцепочечной системы гидронического теплового насоса.

1. Что такое одноцепочечная гидроническая тепловая насосная система?

А.одноцепочечная система гидронического теплового насоса, также называемыйГидроническая система с прямым подключением, это система HVAC на водной основе, в которой тепловой насос и терминальное отопительное или охлаждающее оборудование соединены в одной и той же гидравлической цепи.

В простейшей форме:

Тепловой насос → циркуляционный насос → терминалы отопления/охлаждения → тепловой насос

Одинаковая циркулирующая вода проходит как через источник тепла, так и через сторону нагрузки.

В отличие от первично-вторичной системы, обычно существуетотсутствие гидравлического сепаратора между цепью теплового насоса и цепью распределения.

Система может поставлять такие терминальные устройства, как:

• Полевое отопление
• Радиаторы
• Устройства с катушками вентиляторов
• Свинцовые катушки воздухообменных установок
• Другие гидротехнические терминалы отопления или охлаждения

Упрощенная гидравлическая схема

Поставляйте воду.
→
│ │ │ │ │
│ │ │ Обращение │ │
│ Тепловой насос │ │ │ │ │
│ │ │ │ │
│ │ │ │
│ ▼ 
│ │ │ │ │ │ │
│ │ Страна груза │ │
│ │ │ 
│ │ Радиатор │ 
│ │ Вентилятор │ │
│ │ Подземное отопление │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │
│ │ │ │ │
←
Возвращение воды

Основная характеристика проста:

Тепловой насос и терминальные агрегаты имеют один и тот же путь циркуляции воды.

2Как работает одноцепочечная тепловая насосная система?

Принцип работы можно понять через два основных гидравлических параметра:

1Разница температуры воды (ΔT)
2Средняя температура циркулирующей воды

Эти два параметра тесно связаны с количеством тепла, передаваемого между тепловым насосом и зданием.

3. Понимание температуры подачи и возврата воды

Во время нагрева тепловой насос повышает температуру циркулирующей воды.

Например:

Тепловой насос → 40°C Водоснабжение → Терминалы отопления → 35°C Водообмен → Тепловой насос

Разница температуры:

ΔT = 40°C − 35°C = 5 K

Терминальное оборудование извлекает тепловую энергию из воды и переносит ее в здание.

Затем охлаждающая вода возвращается в тепловой насос и нагревается.

Цикл продолжается до тех пор, пока существует спрос на отопление.

Профиль температуры

Выпуск теплового насоса.
40°C
│
│ Подача тепла │
В здание.
- Я не знаю. - Я знаю.
ΔT = 5 K 
◄ ◄ ◄ ◄ ◄ ◄
▲
│
35°С
Вход теплового насоса

В режиме охлаждения принцип обратный: тепловой насос подает охлажденную воду, а терминальные агрегаты поглощают тепло из помещения.

4. Почему ΔT важно?

Для системы водонагрева передаваемая тепловая мощность может быть приближена:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Где:

• Q.= мощность теплопередачи
• ṁ= массовый поток воды
• Cp= удельная теплоемкость воды
• ΔT= разница температуры подачи/возвращения воды

Для практических расчетов HVAC с использованием воды:

Q (kW) ≈ 1,163 × Поток (м3/ч) × ΔT (K)

Следовательно:

Скорость потока (м3/ч) ≈ Q / (1,163 × ΔT)

Пример

Предположим, что тепловой насос обеспечивает:

Нагревательная способность = 20 кВт

с:

ΔT = 5 K

Требуемый поток воды составляет приблизительно:

20 ÷ (1,163 × 5) ≈ 3,44 м3/ч

Это демонстрирует важную характеристику систем с прямыми подключениями:

Мощность теплового насоса, емкость терминала, поток воды и ΔT должны быть гидравлически скоординированы.

Если тепловой насос требует значительно большего или меньшего потока воды, чем система распределения терминала, то непосредственное соединение может быть трудно контролировать.

5Энергетический баланс в одноцепочке

При стабильных условиях работы тепловая энергия, вырабатываемая тепловым насосом, должна приблизительно совпадать с тепловой энергией, поглощаемой зданием:

Выпуск теплового насоса ≈ Терминальная передача тепла ≈ Нагрузка на отопление здания

Однако эти значения редко бывают одинаковыми в каждый момент.

Нагрузка на здание постоянно меняется из-за:

• Наружная температура
• Солнечное излучение
• Занимаемость
• Внутренние тепловые прибыли
• Настройки термостата
• Зонные клапаны для открытия или закрытия
• Работа с катушкой вентилятора
• Погодные условия

Это означает, что система гидронического теплового насоса постоянно пытается поддерживать баланс междупроизводство и потребление тепла.

6Что происходит, когда объем производства тепловых насосов превышает спрос на строительство?

Подумайте о системе во время запуска.

Сначала здание и циркулирующая вода могут быть холодными.

На данный момент:

• Потребность в отоплении высока.
• Температура возвращающейся воды низкая.
• Передача тепла на терминальной стороне высока.
• Тепловой насос работает на относительно высокой мощности.

По мере приближения здания к целевой температуре потребление терминального тепла снижается.

Если тепловой насос продолжает производить больше тепла, чем здание может поглотить,избыточная тепловая энергия временно повышает температуру циркулирующей воды и тепловую массу системы.

В результате:

Средняя температура воды повышается.

Затем контроллер теплового насоса реагирует следующим образом:

• Уменьшение частоты компрессора в системе инверторов или
• Остановка компрессора при достижении целевой температуры.

Это одна из причин, почемуНасосы тепла с полным инвертором постоянного тока особенно подходят для надлежащим образом спроектированных низкотемпературных гидронических систем..

Вместо того, чтобы работать только на полную мощность или полностью остановиться, компрессор может регулировать свою производительность в соответствии с изменениями спроса на здание.

7Значение объема воды в системе

Объем воды обеспечивает тепловую инерцию.

Упрощенный способ понять это:

Тепловой насос производит тепло.
↓
│ │ │
│ Система Вода │ 
│ Объем │ 
│ │ │ │
↓
Терминалы отопления
↓
Строительство

Если производство тепла и потребление тепла временно различаются, объем воды может поглотить часть этого дисбаланса.

Достаточный объем воды может помочь:

• Стабилизировать температуру воды
• Уменьшить скорость цикла компрессора
• Улучшить стабильность работы теплового насоса
• Предоставление тепловой энергии при переходных условиях
• Поддержка работы размораживания в некоторых конфигурациях системы

Однако,больше объема воды не автоматически лучше.

Чрезмерный объем буфера может увеличиться:

• Стоимость установки
• Требования к пространству
• Тепловые потери в режиме стояния
• Время нагрева системы

Поэтому правильный объем должен быть определен в соответствии с минимальными требованиями производителя теплового насоса к объему воды и гидравлическими характеристиками проекта.

8Отношения между мощностью теплового насоса и температурой воды

Современный инверторный тепловой насос постоянно регулирует свою мощность в соответствии с условиями эксплуатации.

При увеличении спроса на отопление:

Более высокая нагрузка → более высокая требуемая выработка тепла

В зависимости от стратегии контроля система может реагировать путем:

• Высокая частота компрессора
• Более высокая температура воды
• Увеличение циркуляции
• Или сочетание этих факторов

При снижении потребности в отоплении:

Более низкая нагрузка → более низкая мощность теплового насоса

Вот почему.Компенсация погодных условий / управление наружной перезагрузкойимеет важное значение для эффективности теплового насоса.

Вместо того, чтобы поддерживать ненужно высокую температуру воды на протяжении всего отопительного сезона, контроллер может снизить целевую температуру подачи воды при более мягких наружных условиях.

Более низкая температура подающей воды, как правило, уменьшает подъем компрессора и может улучшить эффективность сезонного теплового насоса.

9Типичная конфигурация теплового насоса с одной петлей

Практическая система может содержать:

Тепловой насос воздух-вода
│
▼
Насос циркуляции
│
▼
Заголовок поставки.
│
│ │ │
* * *
Радиатор ФКУ на полу.
Нагрев
│ │ │ 
│ │ │
▼
Возвращение заголовка
│
▼
Тепловой насос

В зависимости от конструкции системы дополнительные компоненты могут включать:

• Судно для расширения
• Автоматическая вентиляция
• Защитный клапан
• Магнитный сепаратор грязи
• Стиральщик на Y
• Пробный клапан
• Дальномер
• Датчики температуры
• Потокомер или переключатель
• Балансирующие клапаны
• Зонные клапаны
• Дифференциальный обходный клапан давления

Эти компоненты не обязательно преобразуют систему в первично-вторичную систему.

Определяющий вопрос заключается в том, остаются ли цепь теплового насоса и цепь распределения терминалас гидравлическим прямым соединением.

10Выбор циркуляционного насоса имеет решающее значение.

Циркуляционный насос должен обеспечивать достаточный поток при преодолении общего падения давления гидравлической цепи.

Проектировщик должен учитывать:

Необходимая скорость потока + общее сопротивление системы = Рабочая точка циркуляционного насоса

Общее сопротивление может включать:

• Тепловой насос, теплообменник на водной стороне
• Трубопроводы подачи и возврата
• Фитинги
• Фильтры
• Клапки
• Манифолды
• Радиаторы
• Кольца для вентиляторов
• Схемы напольного отопления

Насос, выбранный только по номинальному потоку, без проверки доступной головки, может привести к недостаточному циркуляции.

Подобным образом, слишком большой насос может вызвать:

• Слишком высокая скорость воды
• Более высокое потребление энергии насоса
• Шум
• Проблемы с управлением клапанами
• Уменьшенная ΔT

Поэтому выбор циркуляционного насоса всегда должен основываться на фактическом гидравлическом расчете системы.

11. Постоянный поток против переменного потока

Одним из наиболее важных соображений в системе тепловых насосов с одним контуром является то, работает ли распределительная система с приблизительно постоянным или переменным потоком.

Постоянный или относительно стабильный поток

Прямая связь является относительно простой, когда:

Требуемый поток теплового насоса ≈ поток распределительной системы

Например, простая установка напольного отопления с большинством непрерывно открытых цепей может обеспечить относительно стабильные гидравлические условия.

Переменный поток

Ситуация усложняется, когда несколько термостатов и зональных клапанов самостоятельно управляют различными областями.

Например:

Зона 1 открыта.
Тепловой насос Зона 2 Закрыта
Зона 3 закрыта.
Зона 4 Закрыта

Когда несколько зон закрываются, общий поток системы может значительно снизиться.

Это может привести к тому, что тепловой насос упадет ниже требуемого минимального потока воды.

Возможные последствия включают:

• Сигнализация защиты от низкого потока
• Высшая ΔT
• Нестабильная температура воды после выхода
• Сниженная производительность теплообменника
• Частые циклы компрессора
• Плохая производительность размораживания

Это одно из основных ограничений систем прямого подключения.

12. Преимущества одноцепочечного гидронического теплового насоса

Простая гидравлическая конструкция

Система с одним контуром обычно требует меньшего количества гидравлических компонентов.

Это может уменьшить:

• Сложность установки
• Количество насосов
• Трубопровод
• Требования к контролю

Более низкая начальная стоимость

Поскольку гидравлическое разделение и дополнительные распределительные насосы могут не потребоваться, затраты на оборудование и установку могут быть ниже.

Снижение энергии насоса

Когда один правильно выбранный высокоэффективный циркуляционный насос может обслуживать всю систему, дополнительное потребление электроэнергии может быть уменьшено.

Уменьшенное гидравлическое смешивание

Гидравлические сепараторы и буферные баки могут вводить смешивание при определенных условиях работы.

Правильно спроектированная прямая система может направлять воду, выходящую из теплового насоса, непосредственно в терминалы отопления без этого эффекта смешивания.

Это может быть выгодно для низкотемпературных тепловых насосов.

Хорошая совместимость с инверторными тепловыми насосами

Когда поток воды остается в требуемом рабочем диапазоне, тепловой насос с инвертором может модулировать мощность, чтобы эффективно следить за нагрузкой здания.

13. Ограничения одноцепочки системы

Система прямого подключения не подходит для каждого проекта.

К его основным ограничениям относятся:

Тепловой насос и поток нагрузки должны быть совместимы

Поскольку обе стороны имеют одну и ту же гидравлическую цепь, значительные различия между требуемым потоком теплового насоса и потоком терминала могут создавать проблемы с управлением.

Несколько зон могут вызвать нестабильность потока

Закрытие термостатических или моторных клапанов изменяет общий поток и давление системы.

Различные терминальные температуры более сложны

Рассмотрим здание, содержащее:

• Подземное отопление: 30°C-40°C
• Вентиляторные катушки: 40°45°C
• Радиаторы: 45°55°C

Эти терминалы могут требовать различных температур подачи и различных характеристик потока.

Таким образом, может быть недостаточно простой цепи прямого подключения.

Размеры насосов становятся все более важными

Для преодоления потерь давления как теплового насоса, так и распределительной сети может потребоваться один насос.

Минимальный поток теплового насоса всегда должен быть защищен

Современные тепловые насосы обычно устанавливают минимальный рабочий поток воды.

Если поток системы опускается ниже этого значения, надежная работа не может быть гарантирована.

14Когда рекомендуется одноцепочечная система тепловых насосов?

Конфигурация с одной петлей особенно привлекательна, когда:

• Система относительно маленькая.
• Гидравлическая сеть проста.
• Требования теплового насоса и терминального потока аналогичны
• Большинство терминалов работают при одинаковой температуре воды
• Есть несколько независимых зон.
• Поток остается относительно стабильным
• Циркуляционный насос теплового насоса имеет достаточную доступную головку
• Минимальный поток теплового насоса всегда может поддерживаться
• Объем воды системы соответствует требованиям производителя

Типичные приложения могут включать:

Тепловой насос + напольное отопление

или

Тепловой насос + одна главная катушка вентилятора

или

Тепловой насос + низкотемпературная радиационная система

15Когда следует рассматривать систему начальной и средней школы?

Первично-вторичная гидроническая система становится более привлекательной, когда:

• В здании много независимых зон.
• Терминальный поток значительно варьируется
• Различные терминальные схемы требуют различных скоростей потока
• Требуются различные температуры воды
• Сеть распределения имеет высокое гидравлическое сопротивление
• Циркуляционный насос теплового насоса не может обслуживать всю сеть
• Требуется несколько циркуляционных насосов
• Несколько тепловых насосов работают каскадно
• Должен быть гарантирован стабильный минимальный поток через тепловой насос

В этих случаях гидравлический сепаратор или соответствующее устройство буфера могут гидравлически отделить сторону теплового насоса от стороны распределения здания.

Концептуально:

Источник тепла - сторона нагрузки - сторона.

Радиаторы с тепловым насосом.
│ ▲ 
Первичный насос │ 
│ Вторичный насос │
▼ │ 
│ │ │ │ │
│ Гидравлические │ ◄ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 
│ Сепаратор │  │ │ │
│ │ │ │
▲ ▼ 
│ Вентиляторные катушки
│
Первичная схема

После этого обе стороны могут работать при разных скоростях потока без сильного гидравлического взаимодействия.

16. Одноцепочечная или начально-средняя: что более эффективно?

Не существует универсального ответа.

Обычное заблуждение:

"Система с одним контуром всегда эффективнее, потому что использует меньше насосов".

Еще одно заблуждение:

"Основно-средняя школа всегда лучше, потому что она более профессиональная".

Ни одно из этих утверждений не является технически правильным.

Эффективность системы зависит от полной гидравлической конструкции.

Хорошо разработанная прямая система может быть чрезвычайно простой и эффективной.

Тем не менее, принуждение сложной многозонной установки в одну гидравлическую петлю может вызвать нестабильный поток, чрезмерный цикл и плохое регулирование температуры.

С другой стороны, добавление ненужных буферных резервуаров, насосов и смесителей в простую жилую систему может увеличить стоимость установки и паразитическое потребление электроэнергии.

Правильный принцип:

Использовать самую простую гидравлическую архитектуру, которая может поддерживать требуемую пропускную способность, температуру, давление и стабильность управления при всех ожидаемых условиях работы.

17Часто задаваемые вопросы

Что такое одноцепочечная система тепловых насосов?

A single-loop heat pump system is a hydronic configuration in which the heat pump and heating/cooling terminals share the same water circulation circuit without hydraulic separation between the heat source and load sides.

Требуется ли буферный резервуар для одноцепочечной системы?

Не всегда.

Буферный бак следует рассматривать в соответствии с минимальным объемом воды в системе, минимальным временем работы компрессора, требованиями к размораживанию,Стратегия зонирования и рекомендации производителя вместо того, чтобы устанавливать их автоматически в каждом проекте.

Может ли один циркуляционный насос обслуживать всю систему?

Да, при условии, что насос может обеспечивать требуемый проектный поток при рассчитанной общей системе при сохранении требуемого диапазона рабочего потока теплового насоса.

Может ли одноцепочечная система использовать радиаторы и напольное отопление вместе?

Это возможно, но требует тщательного проектирования, поскольку радиаторы и напольное отопление часто работают при разной температуре воды и скорости потока.Может быть более подходящей смесительная схема или гидравлически разделенная система распределения.

Подходит ли одноцепочечная система для инверторных тепловых насосов?

Инверторные тепловые насосы могут работать особенно хорошо в правильно спроектированных системах прямого подключения, потому что мощность компрессора может модулироваться в соответствии с тепловым спросом.минимальный поток воды и минимальные требования к объему системы должны все еще соблюдаться.

Что определяет тепловую производительность в гидронической системе?

Передача тепла определяется в первую очередь потоком воды и разницей температуры подачи и возврата:

Q ≈ 1,163 × Поток × ΔT

Поэтому мощность теплового насоса, емкость терминала, расход и ΔT должны рассматриваться вместе.

Заключение

А.одноцепочечная система гидронического теплового насосаявляется одним из простейших способов подключения теплового насоса воздух-вода к терминалам отопления или охлаждения здания.

Ее основная характеристика заключается в том, чтоисточник тепла и сторона нагрузки имеют одну и ту же гидравлическую цепь и циркулирующий поток воды.

При правильном сочетании теплового насоса, циркуляционного насоса и терминальной системы эта схема имеет несколько преимуществ:

• Простая гидравлическая конструкция
• Более низкие затраты на установку
• Меньше циркуляционных насосов
• Снижение потребления вспомогательной энергии
• Прямая доставка водоснабжения в терминалы
• Отличная совместимость с низкотемпературным отоплением

Однако простота не исключает необходимости в гидротехнике.

Проектировщик должен проверить:

Нагрузка на отопление/охлаждение → Мощность теплового насоса → Конструкция ΔT → Требуемый поток воды → Падение давления системы → Выбор насоса → Минимальный поток → Объем воды → Стратегия управления

Только при правильном согласовании этих параметров система тепловых насосов с прямым подключением может работать эффективно и надежно.

Для сложных многозонных зданий, систем переменного потока или установок, использующих различные терминальные температуры,первично-вторичная гидроническая системаможет обеспечить лучшую гидравлическую стабильность и контроль.

Таким образом, целью не является решение о том, является ли одноцепочка или первично-вторичная система универсально лучше.

Цель состоит в том, чтобы выбрать гидравлическую архитектуру, которая лучше всего соответствует фактическим эксплуатационным требованиям проекта.