Правильный выбор буферной емкости и циркуляционных насосов является одной из важнейших частей проектирования вторичной гидравлической системы для теплового насоса типа «воздух-вода».

Тепловой насос может иметь отличный КПД, высокоэффективный инверторный компрессор и передовые системы управления — но если буферная емкость имеет неправильный размер или циркуляционные насосы работают далеко от расчетных точек, вся система может по-прежнему страдать от:

• Частых циклов включения/выключения компрессора

• Чрезмерного потребления электроэнергии насосами

• Недостаточный расход воды

• Больших колебаний температуры воды

• Ненужного гидравлического смешивания

• Снижения эффективности теплового насоса

• Плохой производительности отопления или охлаждения

• Сигналов тревоги по расходу и нестабильной работы

Поэтому цель состоит не просто в установке «достаточно большой» емкости и «достаточно мощного» насоса.

Хорошее гидравлическое проектирование означает выбор каждого компонента в соответствии с фактической тепловой нагрузкой, расходом воды, перепадом давления, минимальной выходной мощностью теплового насоса и рабочими характеристиками здания.

Рассмотрим инженерные принципы, лежащие в основе расчета размера буферной емкости и выбора циркуляционного насоса.

1. Сначала поймите вторичную гидравлическую систему

Прежде чем выбирать компоненты, нам нужно понять, что они делают.

Типичная вторичная система теплового насоса содержит два водяных контура.

Первичный контур

Тепловой насос → Первичный циркуляционный насос → Буферная емкость → Тепловой насос

Первичный контур в основном обслуживает тепловой насос.

Вторичный контур

Буферная емкость → Вторичный циркуляционный насос → Терминалы здания → Буферная емкость

Вторичный контур обслуживает здание.

Эти терминалы могут включать:

• Системы напольного отопления

• Радиаторы

• Фанкойлы

• Центральные кондиционеры

• Множество зон отопления

Это разделение важно, потому что тепловому насосу и зданию не обязательно требуется одинаковый расход в одно и то же время.

Поэтому первичный насос может быть выбран исходя из гидравлических требований теплового насоса, в то время как вторичный насос выбирается исходя из требований системы распределения.

2. Почему размер буферной емкости имеет значение

Буферная емкость — это не просто большой резервуар для воды.

Одной из ее основных функций является обеспечение достаточной тепловой массы.

Слишком малый объем системной воды может привести к быстрому изменению температуры воды.

Это увеличивает риск:

Тепловой насос ВКЛ → Целевая температура достигнута → ВЫКЛ → Температура падает → Снова ВКЛ

Другими словами:

Короткие циклы

Но чрезмерно большая емкость тоже не обязательно лучше.

Слишком большая емкость может увеличить:

• Стоимость оборудования

• Место для установки

• Тепловые потери в режиме ожидания

• Время прогрева системы

• Общий объем воды

Поэтому цель состоит в том, чтобы:

Обеспечить достаточную тепловую массу для стабильной работы теплового насоса без неоправданного увеличения объема системы.

3. Не рассчитывайте размер буферной емкости только по номинальной мощности теплового насоса

Распространенный промышленный метод:

«X литров буферной емкости на кВт мощности теплового насоса».

Это может быть полезно для предварительной оценки, но не следует рассматривать как универсальное правило проектирования.

Почему?

Потому что короткие циклы определяются не только номинальной мощностью.

Рассмотрим два тепловых насоса мощностью 15 кВт.

Тепловой насос А может модулировать вниз до 3 кВт.

Тепловой насос B может модулировать только до 6 кВт.

Если минимальная активная потребность здания в отоплении составляет 2 кВт, две системы ведут себя очень по-разному.

Для теплового насоса А:

3 - 2 = 1 кВт избыточной мощности

Для теплового насоса B:

6 - 2 = 4 кВт избыточной мощности

Таким образом, тепловому насосу B требуется значительно больше теплового буферирования для достижения того же минимального времени работы компрессора.

Вот почему минимальная мощность теплового насоса часто важнее номинальной мощности при оценке риска коротких циклов.

4. Более инженерный расчет буферной емкости

Полезный упрощенный расчет основан на тепловой энергии, которая должна быть поглощена в течение желаемого минимального времени работы компрессора.

Требуемый эффективный объем воды можно оценить по формуле:

V = Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

Для воды это можно упростить для практических расчетов ОВК как:

V ≈ 14,3 × P × t / ΔT

где:

V = требуемый эффективный объем воды в литрах
P = избыточная тепловая мощность в кВт
t = желаемое минимальное время работы в минутах
ΔT = допустимое изменение температуры воды в °C

Ключевым термином является избыточная тепловая мощность:

P = Минимальная мощность теплового насоса - Минимальная активная нагрузка здания

Это дает более реалистичную оценку, чем простое умножение номинальной мощности теплового насоса на произвольное значение литров на кВт.

5. Пример расчета размера буферной емкости

Предположим, инверторный тепловой насос имеет:

Минимальная выходная мощность отопления = 6 кВт

В мягкую погоду минимальная активная нагрузка здания составляет:

2 кВт

Следовательно:

Избыточная мощность = 6 - 2 = 4 кВт

Предположим, мы хотим иметь как минимум:

15 минут минимального времени работы компрессора

и допускаем повышение температуры воды в системе на:

5 °C

Тогда:

V ≈ 14,3 × 4 × 15 / 5

V ≈ 172 литра

Это приблизительный эффективный объем воды, необходимый для поглощения временного несоответствия выходной мощности.

Но это не означает автоматически, что нам нужна буферная емкость объемом 172 л.

Почему?

Потому что существующая гидравлическая система уже содержит воду.

6. Всегда учитывайте существующий объем воды в системе

Предположим, рассчитанный нами минимальный эффективный объем воды составляет:

172 л

Но система уже содержит:

• Трубы напольного отопления: 70 л

• Основные трубопроводы: 20 л

• Теплообменник теплового насоса и внутренние трубопроводы: 10 л

Общий существующий объем:

100 л

Следовательно, дополнительный требуемый объем составит примерно:

172 - 100 = 72 л

Затем можно рассмотреть коммерчески доступную буферную емкость следующего подходящего размера, с учетом требований производителя теплового насоса и фактической гидравлической конфигурации.

Это гораздо более рациональный подход, чем автоматическая установка емкости на 200 или 300 л.

7. Почему 15 минут часто являются полезной проверкой при проектировании

Минимальный период работы, такой как 10–15 минут, часто используется в качестве инженерной проверки при оценке тепловой массы и циклов.

Цель проста.

Мы хотим избежать:

ВКЛ → ВЫКЛ → ВКЛ → ВЫКЛ

каждые несколько минут.

Более длительные рабочие циклы, как правило, обеспечивают более стабильные температуры системы и позволяют инверторным тепловым насосам более эффективно модулировать.

Однако нет универсального правила, гласящего, что каждый тепловой насос должен работать ровно 15 минут.

Всегда проверяйте:

• Минимальный объем воды по данным производителя

• Стратегия управления компрессором

• Требования к минимальному времени работы

• Требования к разморозке

• Диапазон модуляции инвертора

Данные производителя должны иметь приоритет над общими правилами расчета размера.

8. Конструкция подключения буферной емкости также имеет значение

Объем емкости сам по себе не определяет эффективность системы.

Гидравлическое подключение не менее важно.

Традиционная четырехтрубная схема подключения буферной емкости может обеспечить сильное гидравлическое разделение между первичным и вторичным контурами.

Однако это также может привести к смешиванию внутри емкости.

Например, предположим, что обратная вода из системы напольного отопления имеет температуру:

35 °C

Если гидравлическое смешивание приводит к повышению температуры воды, поступающей в тепловой насос, до:

36 °C

тепловому насосу придется работать при немного более высокой температуре обратной воды.

Это может увеличить температуру конденсации и снизить эффективность отопления.

Точное снижение КПД не может быть выражено одним универсальным процентом, потому что оно зависит от:

• Хладагент

• Компрессор

• Температура наружного воздуха

• Температура воды

• Частота компрессора

• Конструкция теплообменника

Но инженерный принцип ясен:

Для теплового насоса ненужное повышение температуры воды, как правило, снижает эффективность.

9. Почему мы должны минимизировать ненужное смешивание

Тепловые насосы особенно чувствительны к температуре воды.

Чем ниже требуемая температура нагреваемой воды, тем легче, как правило, циклу охлаждения передавать тепло.

Это одна из причин, почему тепловые насосы особенно хорошо работают с:

Напольным отоплением

потому что напольное отопление часто может работать при относительно низких температурах подаваемой воды.

Если ненужное гидравлическое смешивание заставляет тепловой насос работать при более высокой температуре исходящей воды, чем фактически требуется зданию, КПД может снизиться.

Следовательно, буферная емкость должна не только обеспечивать тепловую массу.

Схема трубопроводов также должна быть спроектирована так, чтобы минимизировать ненужное смешивание.

10. Двухтрубные и четырехтрубные буферные емкости

Это важное различие.

Четырехтрубная буферная емкость

Контуры теплового насоса и здания подключаются к емкости отдельно.

Типичная схема:

Тепловой насос → Емкость → Тепловой насос

и:

Емкость → Здание → Емкость

Преимущества включают:

• Сильное гидравлическое разделение

• Независимый первичный и вторичный расход

• Простая интеграция с несколькими зонами

Потенциальный недостаток:

• Больше гидравлического смешивания, если первичный и вторичный расходы значительно различаются

Двухтрубная буферная емкость / Объемный накопитель

Емкость может быть установлена последовательно или как часть общей схемы возврата.

Ее основная цель может заключаться в:

• Увеличении объема системной воды

• Обеспечении тепловой массы

• Снижении циклов

при минимизации некоторого смешивания, связанного с полным гидравлическим разделением.

Какая конфигурация лучше?

Это зависит от того, в чем в первую очередь нуждается проект:

Тепловой объем

или:

Гидравлическое разделение + Тепловой объем

Это должно быть решено на этапе проектирования системы.

11. Как выбрать первичный циркуляционный насос

После установки буферной схемы можно выбрать насосы.

Первичный насос обслуживает контур теплового насоса.

Два параметра являются существенными:

Требуемый расход

и

Требуемый напор насоса

Начнем с расхода.

12. Расчет расхода воды тепловым насосом

Для водяных систем тепловая мощность приблизительно равна:

Q = 1,163 × Расход × ΔT

где:

Q = тепловая мощность в кВт
Расход = расход воды в м³/ч
ΔT = разница температур воды в °C

Следовательно:

Расход = Q / (1,163 × ΔT)

Например, предположим, тепловой насос производит:

12 кВт

и рассчитан на:

ΔT = 5 °C

Тогда:

Расход = 12 / (1,163 × 5)

≈ 2,06 м³/ч

Таким образом, насос должен быть способен обеспечивать примерно:

2,1 м³/ч

при требуемом напоре в системе.

Но одного расхода недостаточно.

13. Напор насоса не менее важен

Циркуляционный насос должен преодолевать гидравлическое сопротивление контура.

Первичный контур может включать:

• Теплообменник теплового насоса

• Труб

• Отводы

• Тройники

• Клапанов

• Обратные клапаны

• Фильтры

• Расходомеры

• Подключения к буферной емкости

Каждый компонент создает перепад давления.

Общий требуемый напор насоса приблизительно равен:

Общий перепад давления = Потери на трубах + Потери на фитингах + Потери на оборудовании

Выбранный циркуляционный насос должен обеспечивать требуемый расчетный расход при этом перепаде давления.

Это означает, что при выборе насоса всегда следует использовать кривую производительности насоса.

Не выбирайте насос только по его максимальному расходу.

И не выбирайте его только по его максимальному напору.

Важным параметром является фактическая:

Рабочая точка = Требуемый расход + Требуемый напор

14. Почему вторичные системы упрощают выбор первичного насоса

Одним из преимуществ гидравлического разделения является то, что первичный контур обычно относительно прост.

Например:

Тепловой насос → Насос → Буферная емкость → Тепловой насос

Длина труб и компоненты известны.

Это делает расчет перепада давления относительно простым.

Следовательно, первичный насос может быть точно выбран для теплового насоса.

Это гораздо проще, чем просить один насос обслуживать:

Тепловой насос + Три этажа + Радиаторы + Напольное отопление + Фанкойлы + Зональные клапаны

где сопротивление системы может постоянно меняться.

15. Как выбрать вторичный циркуляционный насос

Вторичный насос выполняет другую задачу.

Он подает воду в систему распределения здания.

Поэтому при его проектировании следует учитывать:

• Требования к расходу терминалов

• Длины труб

• Диаметры труб

• Количество фитингов

• Регулирующие клапаны

• Смесительные клапаны

• Коллекторов

• Радиаторы

• Фанкойлы

• Контуры напольного отопления

• Одновременная работа зон

Общий вторичный расход основан на активной нагрузке терминалов.

Но требуемый напор насоса обычно определяется наиболее гидравлически требовательным контуром, а не простым сложением перепада давления всех параллельных ветвей.

Это различие чрезвычайно важно.

16. Пример: вторичный насос для напольного отопления

Предположим, система напольного отопления требует:

Общий расход = 1,8 м³/ч

Наиболее требовательный контур плюс распределительные трубопроводы создают рассчитанный перепад давления, эквивалентный:

4,0 м водяного столба

Следовательно, насос должен быть выбран так, чтобы он эффективно работал при:

1,8 м³/ч при напоре 4,0 м

— а не просто потому, что на его табличке указано:

Максимальный расход = 4 м³/ч

или:

Максимальный напор = 7 м

Необходимо проверить кривую насоса.

17. Почему большие насосы не лучше

Чрезмерное увеличение размера циркуляционных насосов — распространенная ошибка.

Слишком большой насос может вызвать:

• Чрезмерную скорость воды

• Более высокое потребление электроэнергии

• Шум клапанов

• Шум потока

• Чрезмерное дифференциальное давление

• Ненужное дросселирование

• Плохой контроль зон

Это также может привести к тому, что система будет работать далеко от предполагаемой гидравлической расчетной точки.

Недоразмеренный насос создает другие проблемы:

• Недостаточный расход воды

• Чрезмерный ΔT

• Плохая выходная мощность терминалов

• Сигналы тревоги по расходу

• Нестабильная работа теплового насоса

Поэтому правильный расчет размера имеет решающее значение.

18. Почему насосы с переменной скоростью обычно предпочтительнее

Системы отопления и охлаждения жилых домов редко работают при постоянном расходе.

Представьте себе виллу с десятью зонами отопления.

При расчетных условиях:

10 открытых зон

При нормальной зимней эксплуатации:

6 открытых зон

При мягкой погоде:

2 открытые зоны

Требуемый вторичный расход значительно меняется.

Постоянная работа насоса на полной мощности непрерывно расходует энергию и может создавать чрезмерное дифференциальное давление при закрытии зон.

Современный циркуляционный насос ECM с переменной скоростью может регулировать свою скорость в соответствии с фактическим спросом.

Это особенно полезно с:

• Коллекторами напольного отопления

• Термостатическими радиаторными клапанами

• Зональные клапаны

• Клапанами управления фанкойлами

19. Почему насосы с переменной скоростью экономят столько энергии

Энергопотребление насоса имеет очень важную зависимость от скорости.

Согласно законам подобия насосов:

Расход ∝ Скорость

Напор ∝ Скорость²

Мощность ∝ Скорость³

Это означает, что снижение скорости насоса может значительно снизить потребление электроэнергии.

В качестве упрощенного теоретического примера:

Если скорость насоса снижена до 80%:

Мощность ≈ 0,8³ = 0,512

или примерно:

51% от исходной теоретической мощности

Фактические системы будут отличаться из-за эффективности насоса и характеристик системы, но принцип чрезвычайно важен:

Не перемещайте больше воды, чем фактически требуется зданию.

20. Какой тип насоса следует использовать?

Для современных систем тепловых насосов для жилых и легких коммерческих зданий, как правило, предпочтительны высокоэффективные электронно-управляемые циркуляционные насосы.

Общие преимущества включают:

• Работа с переменной скоростью

• Технология двигателя с постоянными магнитами

• Лучшая эффективность при частичной нагрузке

• Регулирование дифференциального давления

• Более низкое потребление электроэнергии

• Более низкий уровень шума

• Лучшая совместимость с зонированием

В зависимости от производителя, режимы управления могут включать:

Постоянное давление

Полезно для систем, где зональные клапаны часто открываются и закрываются.

Пропорциональное давление

Часто полезно для радиаторных систем с термостатическими клапанами.

Постоянная скорость

Может быть подходящим для определенных первичных контуров с фиксированным расходом.

Правильный режим зависит от гидравлической конструкции.

21. Что насчет центробежных насосов?

Более крупные центробежные насосы подходят для многих систем ОВК коммерческих и промышленных зданий.

Проблема не в том, является ли насос «центробежным» или «не центробежным» — многие гидравлические циркуляционные насосы в основном используют центробежные гидравлические принципы.

Важные вопросы:

• Подходит ли насос для требуемой рабочей точки?

• Может ли он эффективно модулировать?

• Какова эффективность его двигателя?

• Какова его производительность при частичной нагрузке?

• Подходит ли он для стратегии управления системой?

• Соответствует ли акустическая производительность?

Для жилых установок особенно важны шум и эффективность при частичной нагрузке.

Для крупных коммерческих проектов могут быть более подходящими правильно подобранные насосы с частотным регулированием.

22. Распространенная ошибка: использование высоты здания в качестве напора насоса

Это заслуживает особого внимания.

В замкнутой гидравлической системе трехэтажное здание не означает, что циркуляционный насос должен постоянно «поднимать» воду на всю высоту здания.

После заполнения и герметизации системы статические напоры вверх и вниз в значительной степени уравновешиваются.

Циркуляционному насосу в основном нужно преодолевать:

Потери давления на трение

от:

• Труб

• Фитингов

• Клапанов

• Теплообменников

• Коллекторов

• Терминалов

Высота здания по-прежнему важна для статического давления заполнения, расчета расширительного бака и минимального давления в системе, но ее не следует просто добавлять напрямую к напору циркуляционного насоса.

Это одно из самых распространенных заблуждений при расчете размера насоса в гидравлических системах ОВК.

23. Первичный и вторичный насосы должны иметь разные цели управления

В правильно спроектированной вторичной системе:

Первичный насос

Цель состоит в том, чтобы:

Поддерживать требуемый расход через тепловой насос.

Его работа обычно должна соответствовать требованиям теплового насоса и логике управления производителя.

Вторичный насос

Цель состоит в том, чтобы:

Обеспечивать расход, фактически требуемый терминалами здания.

Его работа может реагировать на:

• Комнатные термостаты

• Зональные клапаны

• Дифференциальное давление

• Система управления зданием

• Спрос на отопление/охлаждение

Это разделение позволяет каждому насосу работать в соответствии со своей реальной функцией.

24. Выбор буферной емкости и насосов должен рассматриваться совместно

Буферная емкость и насосы никогда не должны проектироваться независимо друг от друга.

Полная взаимосвязь проектирования выглядит так:

Мощность теплового насоса

↓

Требуемый первичный расход

↓

Первичный насос

↓

Буферная емкость / Гидравлический интерфейс

↓

Нагрузка здания

↓

Вторичный расход

↓

Вторичный насос

↓

Терминальные устройства

Каждый компонент влияет на другие.

Например, изменение ΔT терминала изменяет требуемый расход.

Изменение требуемого расхода изменяет:

• Скорость в трубах

• Перепад давления в трубах

• Рабочая точка насоса

• Потребление электроэнергии насосом

• Условия гидравлического смешивания

Вот почему проектирование гидравлической системы всегда должно рассматриваться как комплексная инженерная задача.

25. Практический чек-лист по проектированию

Перед выбором буферной емкости и циркуляционных насосов для системы теплового насоса «воздух-вода» инженер должен определить:

Тепловой насос

• Номинальная мощность отопления/охлаждения

• Минимальная мощность модуляции

• Минимальный расход по данным производителя

• Рекомендуемый расчетный расход

• Минимальный объем системной воды

• Требуемый ΔT

• Требования к разморозке

Буферная емкость

• Существующий объем системной воды

• Минимальная активная нагрузка здания

• Желаемое минимальное время работы

• Допустимое колебание температуры

• Требуемое гидравлическое разделение

• Двухтрубная или четырехтрубная конфигурация

• Уровень изоляции

Первичный насос

• Требуемый расход теплового насоса

• Перепад давления теплообменника

• Сопротивление первичных труб

• Сопротивление клапанов и фитингов

• Рабочая точка насоса

Вторичный насос

• Расчетная нагрузка здания

• Расход терминалов

• Наиболее требовательный гидравлический контур

• Стратегия управления зонами

• Работа при частичной нагрузке

• Требования к переменной скорости

Если эти параметры известны, выбор компонентов становится гораздо более надежным.

26. Финальный инженерный принцип

При выборе буферной емкости и насосов «больше» автоматически не означает «безопаснее».

Слишком большая емкость → Больше затрат + Больше теплопотерь + Медленнее реакция

Слишком большой насос → Больше электроэнергии + Больше шума + Чрезмерное дифференциальное давление

Слишком маленькая емкость → Повышенный риск коротких циклов

Слишком маленький насос → Недостаточный расход + Плохая теплопередача

Цель — найти правильный рабочий баланс.

Для хорошо спроектированной вторичной гидравлической системы:

Тепловой насос должен получать необходимый ему расход, здание должно получать необходимый ему расход, и ни один насос не должен перемещать больше воды, чем необходимо.

Это основа эффективного гидравлического проектирования.

Заключение: Проектируйте систему, а не только тепловой насос

Выбор эффективного теплового насоса типа «воздух-источник» — это только начало.

Реальная производительность установки зависит от того, как вся гидравлическая система работает вместе:

Тепловой насос + Буферная емкость + Первичный насос + Вторичный насос + Трубопроводы + Управление + Терминалы + Нагрузка здания

Правильно рассчитанная буферная емкость может обеспечить достаточную тепловую массу, уменьшить короткие циклы и обеспечить гидравлическое разделение при необходимости.

Правильно выбранный первичный насос может поддерживать стабильный расход через тепловой насос.

Правильно управляемый вторичный насос может эффективно реагировать на фактический спрос здания.

Когда эти компоненты спроектированы как единая система, результатом может быть:

Более стабильная работа | Более низкое потребление вспомогательной энергии | Лучший комфорт | Более простое управление | Лучшая долгосрочная надежность

Цель состоит не в использовании самой большой буферной емкости или самого мощного циркуляционного насоса.

Цель состоит в том, чтобы каждый компонент работал как можно ближе к своим реальным проектным требованиям.

Это хорошее инженерное решение для тепловых насосов.

Для получения дополнительной технической информации о тепловых насосах типа «воздух-источник», гидравлических системах отопления, буферных емкостях, напольном отоплении и OEM-решениях для тепловых насосов, посетите:

www.ecoheat-pump.com

FAQ: Выбор буферной емкости и насоса

Насколько большой должна быть буферная емкость для теплового насоса типа «воздух-источник»?

Универсального размера буферной емкости не существует. Он должен определяться исходя из минимальной выходной мощности теплового насоса, минимальной нагрузки здания, существующего объема воды, допустимого колебания температуры, желаемого минимального времени работы компрессора, зонирования и требований производителя.

Является ли 10 или 20 литров на кВт хорошим правилом для буферной емкости?

Это может использоваться как предварительное эмпирическое правило в некоторых приложениях, но не должно заменять требования производителя или расчет теплового объема. Два тепловых насоса с одинаковой номинальной мощностью могут иметь очень разные уровни минимальной модуляции.

Как рассчитать расход воды тепловым насосом?

Для воды полезным приближением является:

Расход (м³/ч) = Мощность (кВт) / [1,163 × ΔT (°C)]

Для теплового насоса мощностью 12 кВт, работающего при ΔT 5 °C, расход составляет примерно 2,06 м³/ч.

Как выбрать циркуляционный насос для теплового насоса?

Определите требуемый расход воды и общий перепад давления в контуре, затем выберите насос, кривая производительности которого обеспечивает этот расход при требуемом напоре. Никогда не выбирайте насос только по максимальному расходу или максимальному напору.

Должны ли первичный и вторичный насосы быть одинакового размера?

Не обязательно. Первичный насос выбирается в соответствии с требованиями контура теплового насоса, а вторичный насос — в соответствии с системой распределения здания.

Лучше ли переменная скорость циркуляционного насоса для теплового насоса?

Это часто полезно, особенно в системах с переменным расходом и многозонных системах. Однако стратегия управления по-прежнему должна поддерживать минимальное требование к расходу от производителя теплового насоса.