Система гидротехнического теплового насоса с одним контуром может быть простой, эффективной и экономичной, но только при условии, что гидравлические условия остаются в пределах эксплуатационных требований теплового насоса.

В реальных проектах отопления и охлаждения тепловой насос воздух-вода может быть подключен к различным типам терминальных блоков, в том числе:

• Полевое отопление

• Радиаторы

• Устройства с катушками вентиляторов

• Свинцовые катушки воздухообменных установок

• Другие гидротехнические терминалы отопления или охлаждения

Эти терминалы не всегда работают одновременно.

По мере того, как термостат достигает установленных показателей, зональные клапаны могут закрыться, клапаны управления катушками вентилятора могут модулироваться, фильтры могут стать грязными, сопротивление системы может измениться.

В результате,фактический поток воды через тепловой насос может сильно отличаться от проектной скорости потока.

Это одна из самых важных инженерных задач в системе тепловых насосов с прямым подключением или с одним циклом.

1Почему поток воды так важен для теплового насоса?

Каждый гидронический тепловой насос проектируется и испытывается в определенных условиях эксплуатации.

Обычно к ним относятся:

• Температура наружного воздуха

• Ввод температуры воды

• Температура воды

• Поток воды

• Разница температуры подачи и возврата, или ΔT

Среди этих параметровскорость потока воды особенно важна для теплообменника на стороне воды.

Основная связь теплопередачи:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Для систем HVAC на водной основе это может быть упрощено:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

Где:

• Q.= мощность теплопередачи, кВт

• V= скорость потока воды, м3/ч

• ΔT= разница температуры воды, K

Это уравнение объясняет, почему поток воды и ΔT не могут рассматриваться независимо друг от друга.

Для заданной скорости теплопередачи:

Более низкий поток → более высокий ΔT

и

Высший поток → более низкий ΔT

2Что происходит, когда поток воды слишком низкий?

Предположим, что тепловой насос предназначен для работы при:

Проектный поток воды = 4,0 м3/ч

Если фактический поток системы падает на 20%, поток становится:

3.2 м3/ч

Если тепловой насос по-прежнему пытается передать примерно такое же количество энергии, то ΔT на стороне воды должно увеличиться.

Например:

Состояние конструкции

20 кВт = 1,163 × 3,44 м3/ч × 5 К

Если поток падает примерно до 2,75 м3/ч, при этом теплопередача остается на уровне 20 кВт:

ΔT ≈ 6,25 K

Таким образом, система начинает отходить от своего первоначального состояния.

Умеренное отклонение может быть управляемым.

Большое отклонение может не быть.

3Низкий поток воды может снизить производительность теплового насоса

Недостаточный поток воды не только увеличивает ΔT.

Он может влиять на:

• Производительность теплообменника

• Конденсационное давление хладагента

• Температура испарения хладагента

• Условия работы компрессора

• Оставление стабильности температуры воды

• Мощность отопления или охлаждения

• COP/EER

• Операция размораживания

• Надежность системы

Последствия отличаются при нагревании и охлаждении.

4Низкий поток при нагреве

Во время нагрева хладагент передает тепло в циркулирующую воду через конденсатор.

Если поток воды становится слишком низким, вода не может достаточно быстро удалять тепло из теплообменника на стороне хладагента.

Это может привести к быстрому повышению температуры выходящей воды.

В то же время температура и давление конденсации хладагента могут увеличиваться.

В тяжелых случаях тепловой насос может испытывать:

• Защита от высокого давления

• Слишком высокая температура разряда

• Нестабильная температура воды после выхода

• Цикл работы компрессора

• Снижение эксплуатационной эффективности

• Сигнализация защиты теплообменника

Точная реакция зависит от охлаждающей схемы теплового насоса и логики управления.

Режим нагрева ∙ Упрощенная связь

Нормальный поток

Тепловой насос
↓
Достаточный поток воды
↓
Стабильная теплопередача
↓
Стабильное давление конденсации
↓
Нормальная работа

Недостаточный поток

Тепловой насос
↓
Уменьшенный поток воды
↓
Уменьшение выделения тепла
↓
Высокая ΔT на водной стороне
↓
Более высокая температура/давление конденсации
↓
Возможность защиты от высокого давления

Вот почему необходимо поддерживать минимальный поток.

5Низкий поток может быть еще более критичным во время охлаждения

Во время охлаждения тепловой насос удаляет тепло из циркулирующей воды.

Теплообменник на водной стороне теперь работает как испаритель.

Если поток воды становится слишком низким, температура воды внутри теплообменника может чрезмерно снизиться.

Это может привести к:

Низкий поток воды → Низкая температура испарения → Риск замерзания

Если состояние ухудшится, вода внутри теплообменника может замерзнуть.

Расширение льда может механически повредить теплообменник.

Это серьезный сбой, поскольку поврежденный теплообменник может позволить воде проникать в цикл хладагента.

Поэтому системы охлаждения требуют особого внимания:

• Минимальный поток воды

• Защита переключателя тока

• Защита от температуры воды

• Антифризовая защита

• Качество воды

• Концентрация гликола при необходимости

• Логика работы насоса

6. Плановый поток не обязательно является фактическим операционным потоком

Это одна из самых важных концепций в проектировании одноцепочечной системы.

Во время ввода в эксплуатацию все терминальные схемы могут быть открыты.

Инсталлятор измеряет систему и все выглядит нормально.

Например:

Проектированный поток теплового насоса: 4,0 м3/ч

Измеренный поток ввода в эксплуатацию: 4,1 м3/ч

Все выглядит правильно.

Но что произойдет после того, как здание начнет нормальную работу?

Предположим, что система содержит шесть фанатных катушек.

При полной нагрузке:

FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = адекватный общий поток

Позже пять комнат достигают установленных температур.

Пять моторизованных клапанов закрываются.

Только одна катушка осталась активной.

Гидравлическое сопротивление системы резко меняется.

Теперь тепловой насос может получать гораздо меньше требуемого минимального потока воды.

Это означает:

Система, работающая правильно во время ввода в эксплуатацию, может работать неправильно в условиях частичной нагрузки.

Это особенно важно для тепловых насосов с инверторами, поскольку здания проводят значительную часть отопительного сезона при частичной нагрузке.

7Терминал создает переменное гидравлическое сопротивление.

Различные терминалы имеют разные гидравлические характеристики.

Например:

Полевое отопление

На поток влияют:

• Количество активных циклов

• Многоразовое балансирование

• Длина трубы

• Диаметр трубы

• Положение привода

• Смесители

• Управление термостатом

Объекты с катушками вентиляторов

Поток может измениться, когда:

• Двухсторонние клапаны закрываются

• Управляющие клапаны модулируют

• Вентилятор катушки ветви изолированы

• Фильтры становятся грязными.

Радиаторы

Поток может различаться в зависимости от:

• Термостатические радиаторные клапаны

• Балансирующие клапаны

• Зонные клапаны

• Дифференциальное давление

Поэтому конструктор должен рассчитывать не толькоКонструкционное состояние при полной нагрузке.

Гидравлическая система также должна быть оценена в соответствииусловия минимальной нагрузки.

8Почему выбор циркуляционного насоса становится трудным

В системе прямого подключения одному циркуляционному насосу может потребоваться преодолеть сопротивление давлению:

Тепловой насос + трубопровод + клапаны + фильтры + коллектор + терминальные агрегаты

Следовательно, требуемая рабочая точка насоса:

Дизайнерская скорость потока + общая динамическая головка

Однако терминальное сопротивление не обязательно постоянное.

Когда клапаны закрываются, кривая сопротивления системы меняется.

Вот почему простой выбор "большого насоса" не всегда является хорошим решением.

Слишком большой циркуляционный насос может вызвать:

• Чрезмерный поток

• Чрезмерное дифференциальное давление

• Шум потока

• Проблемы с управлением клапанами

• Увеличение потребления электроэнергии на насосе

• Уменьшенная система ΔT

• Слабая стабильность управления

Цель не в выборе самого большого насоса.

Цель состоит в том, чтобы выбрать насос, который может работать правильно в ожидаемом гидравлическом диапазоне.

9. Почему минимальный поток теплового насоса всегда должен быть защищен

Большинство тепловых насосов воздух-вода устанавливают минимальный допустимый поток воды.

Например:

Проектный поток: 4,0 м3/ч

Минимальный допустимый поток: 2,5 м3/ч

Проектировщик системы должен обеспечить, чтобы фактический поток теплового насоса не опускался ниже 2,5 м3/ч, даже если несколько терминальных зон закрыты.

Это принципиально отличается от простого подтверждения наличия проектного потока при полной нагрузке.

Поэтому хорошая гидравлическая конструкция должна ответить на два вопроса:

Вопрос No 1

Может ли система обеспечить требуемый проектный поток при максимальной нагрузке?

Вопрос No 2

Может ли система все еще поддерживать минимальный необходимый поток теплового насоса при минимальной нагрузке?

Оба условия имеют значение.

10Почему переключатель потока необходим, но недостаточен

Для защиты теплового насоса обычно устанавливается переключатель потока.

Его цель проста:

Достаточный поток → Работа теплового насоса разрешена

Недостаточный поток → тепловой насос остановлен/защищен

Это важное устройство безопасности.

Однако:

Выключатель потока защищает тепловой насос от плохого гидравлического состояния; он не исправляет гидравлическое состояние.

Это различие имеет решающее значение.

Если терминальные клапаны постоянно снижают поток воды ниже минимального требования, переключатель потока может неоднократно останавливать тепловой насос.

Оборудование защищено, но система отопления все еще не работает должным образом.

Поэтому защиту от потока и гидравлическую конструкцию никогда нельзя путать.

11Двухсторонние клапаны и проблема частичной нагрузки

Двухсторонние клапаны широко используются в современных системах HVAC.

Когда комната нуждается в отоплении:

Термостат включен → клапан открывается → Поток воды

Когда комната достигнет установленной точки:

Термостат выключен → клапан закрывается → поток воды прекращается

Это обеспечивает отличный контроль на уровне комнаты.

Однако в одноцепочке закрытие нескольких двусторонних клапанов уменьшает общий поток системы.

Например:

Полная нагрузка

6 открытых зон
→ 100% дизайнерского потока
→ Тепловой насос работает нормально

Частичная нагрузка

3 зоны открыты
→ Уменьшенный поток
→ Тепловой насос может работать нормально

Минимальная нагрузка

1 зона открыта
→ Очень низкий поток системы
→ Минимальный поток теплового насоса может не быть удовлетворен

Это одна из наиболее распространенных гидравлических проблем в многозоновых системах прямого соединения.

12Дифференциальный обходный клапан давления

Одним из возможных решений являетсяобходный клапан дифференциального давления.

Обход устанавливается между трубами подачи и возвращения.

При открытии терминальных клапанов:

Дифференциальное давление низкое → обход закрыт

Вода течет через терминалы.

Когда конечные клапаны закрываются:

Сопротивление системы ↑

Дифференциальное давление ↑

Байпасный клапан постепенно открывается.

Часть подаваемой воды затем обходит терминальную систему и возвращается непосредственно в тепловой насос.

Это помогает поддерживать минимальное кровообращение.

Упрощенная логика

Поставка тепловых насосов

↓

Терминальная схема

↓

Возвращение

Но когда конечный поток уменьшается:

Подача → обход дифференциального давления → возвращение

Это может помочь защитить минимальный поток теплового насоса.

Однако обходный поток должен быть должным образом спроектирован, поскольку чрезмерный обход может увеличить температуру возвращающейся воды во время отопления и уменьшить полезное тепло в здание.

13Трехсторонние клапаны могут поддерживать более постоянный поток

Другим подходом является использование трехсторонних клапанов управления.

В отличие от двухстороннего клапана, который просто останавливает поток воды, трехсторонний клапан может перенаправить поток через обходный путь.

Концептуально:

Комната нуждается в отоплении

Поставка → Терминал → Возврат

Комната не нуждается в отоплении

Поставка → обход → возвращение

Это позволяет поддерживать более стабильный первичный циркуляционный поток.

Однако трехсторонние клапаны также создают непрерывный обходный поток и могут увеличить энергию насоса.

Поэтому выбор между двусторонними и трехсторонними клапанами должен основываться на полной гидравлической конструкции, а не на предпочтениях компонентов.

14Насосы с переменной скоростью требуют правильной логики управления.

Циркуляционные насосы с переменной скоростью могут значительно повысить эффективность гидронической системы.

Общие режимы управления включают:

• Постоянная скорость

• Постоянное дифференциальное давление

• Пропорциональное дифференциальное давление

• Внешнее регулирующее устройство 010 В

• Управление PWM

• Интегрированное управление переменной скоростью на тепловом насосе

По мере закрытия терминальных клапанов насос с переменной скоростью может снизить скорость.

Это может уменьшить:

• Энергия насоса

• Дифференциальное давление

• Шум потока

• Напряжение клапана

Тем не менее, насос не должен уменьшать скорость настолько, чтобы поток теплового насоса упал ниже требуемого минимума.

Следовательно:

Переменное управление насосом ≠ неограниченное сокращение потока

Минимальное требование к потоку теплового насоса остается регулирующим ограничением.

15Фильтры и фильтры также влияют на поток теплового насоса.

Проблемы с потоком не всегда вызваны клапанами управления.

Грязный Y-сосудок или магнитный сепаратор грязи может постепенно увеличивать падение давления системы.

Прогрессирование может выглядеть так:

Чистый фильтр

↓

Нормальное понижение давления

↓

Нормальный поток

Тогда:

Набор грязи

↓

Высокое понижение давления

↓

Нижний поток воды

↓

Высшая ΔT

↓

Проблемы с работоспособностью тепловых насосов

Поэтому ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание должны включать:

• Измерение потока

• Измерение давления подачи/возврата

• Проверка фильтров

• Чистка фильтра

• Удаление воздуха

• Проверка качества воды

Система, которая работала правильно, когда была новой, может впоследствии развить проблемы с гидравликой из-за загрязнения или задержки воздуха.

16Воздух в гидронической цепи также может уменьшить поток.

Набор воздуха может вызвать:

• Уменьшенный эффективный поток

• Кавитация насоса

• Шум

• Неравномерное нагревание

• Локальные проблемы с циркуляцией

• Сигнализация переключателя потока

Поэтому автоматические вентиляторы воздуха, воздушные сепараторы, правильное давление системы и правильные процедуры ввода в эксплуатацию являются важными частями гидравлической конструкции тепловых насосов.

17Нагрев и охлаждение должны оцениваться отдельно.

Реверсируемый тепловой насос воздух-вода не должен быть гидравлически оценен только в режиме нагрева.

Нагрев и охлаждение создают различные риски.

Режим нагрева

Основная проблема с недостаточным потоком:

Плохое отталкивание тепла → высокая температура/давление конденсации

Режим охлаждения

Основная проблема с недостаточным потоком:

Чрезмерное охлаждение водой → Низкая температура испарения → Риск замерзания

Таким образом, система, приемлемая для отопления, не является автоматически безопасной для охлаждения.

Это особенно важно для систем, использующих:

• Кольца для вентиляторов

• АГУ с охлажденной водой

• Радиационное охлаждение

• Процесс низкотемпературного охлаждения

18. Практический инженерный контрольный список

Перед вводом в эксплуатацию одноцепочечной системы теплового насоса проверяется следующее:

Тепловой насос

✓ Проектирование потока воды
✓ Минимальный допустимый поток
✓ Максимально допустимый поток
✓ Минимальный объем воды системы
✓ Нагрев - температура воды
✓ охлаждение - температура воды

Насос циркуляции

✓ Процесс проектирования
✓ Доступная голова
✓ Режим управления
✓ Минимальная скорость
✓ Кривая насоса

Гидравлическая сеть

✓ Диаметр трубы
✓ Общее падение давления
✓ Сопротивление клапана
✓ Сопротивление фильтра
✓ Падение терминального давления
✓ Гидравлическое балансирование

Управление терминалом

✓ Количество зон
✓ Двусторонние или трехсторонние клапаны
✓ Минимальное количество открытых цепей
✓ Поток частичной нагрузки
✓ Требование обхода

Защита

✓ переключатель потока
✓ Защита от заморозки
✓ защита от высокого давления
✓ Автоматическая вентиляция
✓ Расширяющийся сосуд
✓ Защитный клапан

И самое главное:

Проверка гидравлической системы при максимальной и минимальной нагрузке.

19Наиболее важный принцип проектирования

Для одноцепочечной системы тепловых насосов тепловой насос и распределительная сеть здания гидравлически соединены.

Это означает, что любое изменение на терминальной стороне может повлиять на тепловой насос.

Термостат закрывает клапан.

↓

Изменения сопротивления системы.

↓

Изменения потока воды.

↓

Изменения теплового насоса ΔT.

↓

Изменение условий работы холодильника.

↓

Пропускная способность, эффективность и надежность могут меняться.

Вот почему гидротехнический дизайн не может быть отделен от выбора теплового насоса.

Заключение

Система гидронического теплового насоса с одним контуром может обеспечить простое и высокоэффективное решение для отопления и охлаждения жилых и легких коммерческих помещений.

Но успешная операция сильно зависит отстабильность потока воды.

Конструктор должен учитывать не только номинальную мощность теплового насоса, но и:

Проектный поток → Минимальный поток → ΔT → Падение давления → Выбор насоса → Терминальное сопротивление → Контроль зоны → Стратегия обхода → Защита системы

Тепловой насос может работать идеально, когда все терминалы открыты во время ввода в эксплуатацию, но становится нестабильным, когда здание начинает работать с частичной нагрузкой.

Поэтому одним из важнейших принципов проектирования систем тепловых насосов является:

Проектируйте гидравлическую систему для всего рабочего диапазона.

Поддержание достаточного потока воды через тепловой насос при всех ожидаемых условиях эксплуатации имеет важное значение дляэффективность, комфорт, надежность компрессора, защита от заморозки и долгосрочная производительность системы.

Часто задаваемые вопросы: Проектирование системы тепловых насосов с одной петлей

Что произойдет, если тепловой насос слишком низкий поток воды?

Низкий поток воды увеличивает разницу температуры на стороне воды и может снизить производительность теплообменника.Сильные условия низкого потока могут способствовать высокому давлению конденсации и защитным сигналамВ режиме охлаждения недостаточный поток может увеличить риск чрезмерно низкой температуры воды и испарения.

Зачем тепловому насосу нужен минимальный поток воды?

Минимальный поток обеспечивает, чтобы теплообменник с водной стороны мог непрерывно передавать необходимую тепловую энергию без чрезмерных изменений температуры или нестабильных условий работы хладагента.

Может ли более крупный циркуляционный насос решить проблемы с низким потоком?

Не обязательно. Выбор насоса должен учитывать как требуемый поток, так и головку системы.шум и дифференциальное давление без устранения проблемы гидравлической конструкции.

Почему поток теплового насоса уменьшается при закрытии зональных клапанов?

Закрытие двухсторонних зональных клапанов увеличивает гидравлическое сопротивление распределительной системы и устраняет параллельные пути потока.

Решает ли переключатель дефицита воды?

Нет, переключатель потока является в первую очередь защитным устройством. Он может остановить тепловой насос, когда циркуляция становится недостаточной, но он не исправляет гидравлическую причину низкого потока.

Когда следует рассмотреть возможность использования обходного клапана дифференциального давления?

Это может быть полезно в системах с прямым подключением переменного потока, где терминальные клапаны могут закрываться и должна быть поддержанная минимальная циркуляция через тепловой насос.Его настройка и обходный поток должны быть спроектированы, а не выбраны произвольно.

Подходит ли одноцепочечная система для нескольких зон отопления?

Да, но проектировщик должен убедиться, что минимальный объем потока и объем воды теплового насоса остаются удовлетворенными, когда только небольшое количество зон требует отопления или охлаждения.