Замена котла воздушным тепловым насосом - это больше, чем просто замена источника тепла

Замена традиционного газового, нефтяного или электрического котлатепловой насос воздух-водастановится все более распространенным при реконструкции жилых, коммерческих и общественных зданий.

Однако успешная модернизация - это не просто:

Удалить котел → установить тепловой насос → подключить существующие трубы.

Тепловой насос и котел работают в очень разных гидравлических и температурных условиях.

Котлы обычно обеспечивают относительно высокую температуру воды при относительно большой температурной разнице между подачей и возвращением воды.обычно достигает наилучшей эффективности при подаче воды низкой температуры с тщательно контролируемым потоком воды.

Это означает, что перед тем как заменить котел, инженеры должны ответить на несколько важных вопросов:

1. Какова фактическая нагрузка здания на отопление и охлаждение?

2. Какую емкость должен обеспечивать тепловой насос при проектируемой температуре на открытом воздухе?

3. Могут ли существующие катушки вентиляторов, радиаторы или система напольного отопления работать при новых температурах воды?

4. Могут ли существующие трубы обеспечить достаточный поток воды?

5. Подходит ли существующий циркуляционный насос?

6. Требуется ли гидравлическое разделение, буферный бак или вторичная схема?

Понимание этих вопросов является ключом к надежной модернизации котла на тепловой насос.

1Начните с загрузки здания, а не с существующей мощности котла.

Одной из наиболее распространенных ошибок при модернизации тепловых насосов является выбор нового теплового насоса в соответствии с емкостью, напечатанной на существующей табличке с названием котла.

Например:

Существующая мощность котла = 100 kW
Поэтому устанавливайте тепловой насос мощностью 100 кВт.

Такой подход может быть серьезно вводящим в заблуждение.

Традиционные котлы часто имеют большие размеры, и их номинальная мощность не обязательно отражает фактическое потребление здания в пиковом режиме отопления.

Поэтому правильной отправной точкой являетсяпроектная нагрузка на отопление.

В проектах, требующих охлаждения, также должна быть рассчитана проектная охлаждающая нагрузка.

Для упрощенной предварительной оценки могут использоваться:

$$Q = A умножено на q$$

Где:

• Q.= предполагаемая нагрузка здания, Вт

• А.= площадь климатизированного пола, м2

• q= расчетная единичная нагрузка, Вт/м2

Например, если здание площадью 10 000 м2 имеет расчетную нагрузку на отопление 70 Вт/м2:

$$10,000 умножить на 70 = 700,000 Вт$$

Следовательно:

$$Q_{нагрев}=700 кВт$$

Однако значения В/м2 следует использовать только дляпредварительная оценка.

Окончательный выбор теплового насоса предпочтительно должен основываться на правильном расчете теплопотери/теплоприбыли здания с учетом изоляции, остекления, вентиляции/инфильтрации, занятости, внутренних прибылей,Конструкционная температура на открытом воздухе и требуемая внутренняя температура.

2Пропускная способность теплового насоса должна проверяться при проектируемой наружной температуре.

Это особенно важно для воздушных тепловых насосов.

Тепловой насос, рекламируемый как тепловой насос мощностью 20 кВт, не обязательно обеспечивает 20 кВт при всех наружных условиях.

По мере снижения температуры наружного воздуха доступная теплоемкость и COP теплового насоса с воздушным источником могут значительно измениться.

Поэтому инженеры не должны выбирать оборудование только на основе номинальных условий, таких как:

A7/W35

Вместо этого мощность должна быть проверена в соответствии с фактическими условиями проектирования проекта, например:

• A7/W35

• A2/W35

• A−7/W35

• A−15/W45

• A-20/W55

в зависимости от климата и применения.

Правильный принцип:

$$П_{HP,design} geq П_{building,design}$$

если система не была преднамеренно разработана какбивалентная системас вспомогательным отоплением.

Поэтому для проектов с холодным климатом низкотемпературная тепловая мощность часто важнее номинальных кВт, напечатанных в каталоге.

3Нагрузки на отопление и охлаждение могут привести к различным выборам тепловых насосов.

Для обратимых систем тепловых насосов воздух-вода возникает еще один вопрос:

Нужно ли измерять тепловой насос в зависимости от нагрузки на отопление или нагрузки на охлаждение?

Ответ зависит от климата.

Холодный климат

В холодном климате обычно преобладает нагрузка на отопление.

Таким образом, тепловой насос обычно выбирается в соответствии снагрузка на отопление зимой, после проверки его низкой емкости отопления.

Летняя охлаждающая мощность может быть тогда автоматически достаточной.

Климат жарко-летний / холодно-зимний

Ситуация может отличаться в климатах с значительным спросом на отопление и охлаждение.

Предположим, что коммерческое здание имеет:

$$Q_{нагрев}=700 кВт$$

но:

$$Q_{охлаждение}=1500 кВт$$

Размер всей тепловой насосной установки на 1500 кВт просто из-за пика охлаждения может привести к чрезмерному отоплению.

Одним из возможных инженерных решений является гибридная установка:

Тепловые насосы воздух-вода → базовое отопление + частичное охлаждение

плюс

Охладитель → дополнительное охлаждение пика

Это может обеспечить лучшее использование оборудования и более гибкую работу завода.

Точная конфигурация должна определяться профилями нагрузки, климатом, рабочими часами, тарифами на электроэнергию, требованиями к избыточности и стоимостью жизненного цикла, а не только пиковой мощностью.

4Могут ли существующие катушки использоваться с тепловым насосом?

Во многих проектах замены котлов здание уже содержит гидронические вентиляторные катушки.

Хорошая новость:

Существующие катушки вентиляторов не должны автоматически заменяться.

Но их производительность должна быть проверена при новых эксплуатационных температурах.

Пропускная способность катушки вентилятора сильно зависит от температурной разницы между водой, поступающей в катушку, и воздухом в помещении.Таблицы производителя должны использоваться, когда они доступны. (Caleffi SpA)

Например, катушка вентилятора изначально была разработана вокруг:

Система котла

Подача 70°C / возвращение 60°C

может производить значительно меньше тепла при работе при:

Система теплового насоса

Подача 45°C / возвращение 40°C.

Так что правильный вопрос не в том:

Может ли катушка с вентилятором работать при температуре 45°C?

Это:

Может ли эта катушка вентилятора обеспечить необходимую емкость отопления помещения при 45°C воды при фактических условиях воздушного потока и потока воды?

Это различие чрезвычайно важно.

5Вентиляторные катушки особенно привлекательны для отопительных + охлаждающих систем тепловых насосов

Системы вентиляторных катушек имеют одно важное преимущество в проектах модернизации тепловых насосов:

Обычно один и тот же терминал может обеспечивать как отопление, так и охлаждение.

Зимой:

Тепловой насос → теплая вода → катушка вентилятора → отопление помещений

Летом:

Тепловой насос воздушного источника → охлажденная вода → катушка вентилятора → охлаждение пространства

Это делает вентиляторные катушки особенно привлекательными для отелей, офисов, школ, квартир и коммерческих зданий, требующих круглогодичной кондиционирования воздуха.

Однако, когда используется охлажденная вода, катушка вентилятора и система трубопроводов также должны быть спроектированы для контроля конденсации, включая соответствующую изоляцию и дренаж конденсата.

Современные гидротехнические руководства по проектированию также признают катушки вентиляторов полезными источниками тепла для тепловых насосов воздух-вода,особенно при проектировании с достаточно большими поверхностями теплообменника для более низкой температуры воды. (Caleffi SpA)

6Необходимо ли заменять существующие трубы?

Не обязательно.

Основные отношения, регулирующие теплопередачу в гидронической цепи:

$$Q=точка m c_pDelta T$$

Где:

• Q.= скорость теплопередачи

• ṁ= массовый поток воды

• Cp= удельная теплоемкость

• ΔT= разница температуры воды подачи и возврата

Это уравнение объясняет одно из наиболее важных различий между водонагревательными системами котла и тепловых насосов.

Для той же скорости теплопередачи:

$$точка m propto frac{1}{Delta T}$$

Следовательно, по мере того, как конструкция ΔT становится меньше, требуемый поток воды становится больше (Caleffi SpA)

7Почему тепловые насосы часто требуют более высокого потока воды

Рассмотрим один простой пример.

Система должна передавать:

$$Q=100 кВт$$

Для воды удобное метрическое приближение:

$$Q ((kW) приблизительно 1,163 раз Поток ((m3/h) раз Дельта T ((K)$$

Следовательно:

$$Поток=фрак{Q}{1,163 раз Дельта T}$$

При ΔT = 10°C

$$Поток=фрак{100}{1.163×10}$$ $$Поток около 8,6 м3/ч$$

При ΔT = 5°C

$$Поток=фрак{100}{1.163×5}$$ $$Поток около 17,2 м3/ч$$

Таким образом, уменьшение ΔT с 10°C до 5°C приблизительноудваивает требуемый поток воды.

Вот почему замена котла на тепловой насос может вызвать гидравлические проблемы даже при правильном расчете мощности нагрева.

Существующая труба может быть слишком маленькой для требуемого потока теплового насоса.

8Почему простое установка более крупного насоса не всегда является решением

Частой реакцией является:

Если поток слишком низкий, просто установите более крупный циркуляционный насос.

Иногда это работает.

Иногда это создает другую проблему.

Увеличение головки насоса не может бесконечно компенсировать недостаточные трубопроводы.

• увеличение падения давления;

• более высокое потребление электроэнергии насоса;

• шум потока;

• шум клапана;

• риск эрозии;

• плохое гидравлическое балансирование;

• недостаточный поток на удаленных ветвях.

Следовательно, правильная процедура:

Требуемая тепловая мощность → требуемый поток воды → падение давления трубы → доступная головка насоса → выбор циркуляционного насоса

вместо того, чтобы самостоятельно выбирать насос.

9До замены существующие трубопроводы должны быть оценены.

Замена всех существующих гидронических труб может сделать модернизацию чрезвычайно дорогой и разрушительной.

Поэтому инженеры должны сначала проверить, можно ли использовать существующую сеть.

Проверка:

• диаметр основной трубы;

• диаметр трубы ветки;

• длина трубы;

• фитинги и потеря давления клапана;

• существующая кривая насоса;

• доступное дифференциальное давление;

• требуемый поток теплового насоса;

• допустимая скорость воды;

• гидравлический баланс.

Если существующая труба может выдержать требуемый поток при приемлемой потере давления и скорости, может не быть причин для ее замены.

Это одна из самых больших возможностей для сокращения затрат на модернизацию.

10Полевое отопление обычно отлично подходит для тепловых насосов.

Существующее гидротехническое напольное отопление часто может быть даже более подходящим для тепловых насосов, чем обычные радиаторы.

- Почему?!

Поскольку напольное отопление использует очень большую поверхность, излучающую тепло.

Большая площадь теплопередачи позволяет нагревать здание с использованием относительно низкой температуры воды.

Это именно то, что предпочитает тепловой насос.

Modern heat-pump design guidance identifies well-designed floor heating as particularly suitable for air-to-water heat pumps because it can deliver the required room heat output at relatively low supply water temperatures, повышение эффективности тепловых насосов (Caleffi SpA)

Типичная низкотемпературная нагревательная работа может быть примерно:

30-35°C водоснабжение

или

35-40°C водоснабжение

в зависимости от загрузки здания, конструкции пола, расстояния между трубами, покрытия пола и условий на открытом воздухе.

Фактическая проектная температура всегда должна рассчитываться, а не предполагаться.

11Важное различие: напольное отопление ΔT

Существующая схема напольного отопления может быть спроектирована для большей разницы температуры подачи и возврата, чем требуется тепловым насосом.

Предположим, что старый напольный контур работает на:

$$Дельта T=10°C$$

но для теплового насоса требуется примерно:

$$Дельта T=5°C$$

Для такой же тепловой мощности сторона теплового насоса требует примерно в два раза большего потока воды.

Это может создать несоответствие между:

Требуемый поток теплового насоса

и

имеющаяся пропускная способность цепи UFH.

Это не означает, что все трубы для подогрева должны быть заменены.

Вместо этого, гидравлическая система должна быть перепроектирована правильно.

12Гидравлическое разделение может решить многие проблемы с модернизацией

Одним из эффективных решений является гидравлическое отделение цепи теплового насоса от цепи распределения здания.

Типичная схема:

Тепловой насос → Первичный насос → Буферный бак / гидравлический сепаратор → Вторичный насос → Существующая система UFH или вентиляторной катушки

Это позволяет цепи теплового насоса поддерживать поток, требуемый тепловым насосом, в то время как существующая цепь здания работает с другой скоростью потока.

Это особенно полезно, когда:

• несколько зон отопления, открывающихся и закрывающихся независимо друг от друга;

• существующий распределительный поток отличается от потока теплового насоса;

• несколько тепловых насосов работают каскадно;

• используются как катушки вентиляторов, так и напольное отопление;

• минимальный объем системы теплового насоса должен быть сохранен;

• Операция размораживания требует накопленной тепловой энергии.

Гидравлическое разделение позволяет первичным и вторичным циркуляторам работать при стабильных, но потенциально различных показателях потока (Caleffi SpA)

13Что насчет существующих радиаторов?

Радиаторы требуют более тщательной оценки.

Многие более старые системы котлов были спроектированы вокруг относительно высокой температуры воды.

Поэтому тепловой насос, работающий при гораздо более низкой температуре воды, может производить недостаточную мощность радиатора.

Возможные решения включают:

• увеличение размера радиатора;

• добавление дополнительных радиаторов;

• установка радиаторов с поддержкой вентилятора;

• улучшение изоляции зданий;

• снижение потерь тепла в зданиях;

• использование низкотемпературных катушек вентиляторов;

• выбор теплового насоса, способного при необходимости выводить воду на более высокую температуру.

Цель должна оставаться следующей:

Использовать самую низкую практическую температуру воды, которая может удовлетворить нагрузку на отопление здания.

Более низкая требуемая температура воды обычно позволяет тепловому насосу воздух-вода работать при более высокой COP. (Caleffi SpA)

14Не игнорируйте гидравлическое балансирование.

После модернизации общий поток системы может быть правильным, в то время как некоторые помещения все еще получают недостаточное отопление.

- Почему?!

Потому что вода следует пути наименьшего гидравлического сопротивления.

Краткие цепи могут получать чрезмерный поток, в то время как длинные цепи голодают.

Следовательно, ввод в эксплуатацию модернизации должен включать:

• балансирование филиалов;

• регулирование различных потоков;

• проверка дифференциального давления;

• регулирование скорости насоса;

• измерение температуры подачи/возвращения;

• проверка терминального потока.

Параллельные гидронические схемы особенно полезны, поскольку отдельные ветви могут быть самостоятельно сбалансированы и управлены. (Caleffi SpA)

15. Практический рабочий процесс модернизации котла на тепловой насос

Для инженерных проектов процесс может быть обобщен так:

Шаг 1 Вычислить нагрузку на здание

Определить проектные нагрузки на отопление и, при необходимости, на охлаждение.

↓

Шаг 2  Определение условий проектирования на открытом воздухе

Используйте местные зимние и летние температуры.

↓

Шаг 3 Выбор мощности теплового насоса

Проверьте фактическую мощность нагрева/охлаждения при требуемой температуре наружного пространства и температуре воды на выходе.

↓

Шаг 4 ∆ Определение требуемой температуры подающей воды

Оценить существующие вентиляторы, радиаторы или напольное отопление.

↓

Шаг 5 Вычислить требуемый поток воды

Использование:

$$Q=точка m c_pDelta T$$

↓

Шаг 6 Проверка существующих труб

Проверьте диаметр, потерю давления и допустимую скорость.

↓

Шаг 7 Выбор циркуляционных насосов

Используйте проектный поток и рассчитанное сопротивление системы, а не только диаметр трубы.

↓

Шаг 8 Определить, требуется ли гидравлическое разделение

Рассмотрим буферные резервуары, гидравлические сепараторы и первично-вторичное перекачивание.

↓

Шаг 9 ¢ Остаток и комиссия

Измерение фактического потока, температуры подачи, температуры возврата и ΔT при эксплуатационных условиях.

16Пример: 500 кВт отопления

Рассмотрим коммерческое здание с проектной нагрузкой на отопление:

$$500 кВт$$

Если система теплового насоса спроектирована на основе:

$$Дельта T=5°C$$

Тогда:

$$Поток=фрак{500}{1,163x5}$$ $$Поток около 86 м3/ч$$

Это означает, что главная гидроническая схема должна быть способна транспортировать приблизительно86 м3/чв условиях проектирования.

Если бы существующая котельная схема была спроектирована вокруг:

$$Дельта T=10°C$$

его предыдущий проектный поток мог быть только:

$$Поток=фрак{500}{1,163×10}$$ $$Поток около 43 м3/ч$$

Таким образом, новый тепловой насос может потребовать примернов два раза больше проектного потока воды.

Этот единственный расчет сразу же говорит инженеру, что нужно исследовать:

Могут ли существующие трубопроводные сети и насосы справиться с увеличенным потоком?

Если да, то большая часть первоначальной системы может остаться.

Если нет, требуется гидравлическая модификация.

17Что делает успешную модернизацию котла на тепловой насос?

Успешная модернизация требует трех систем, чтобы они соответствовали друг другу:

Источник тепла

Тепловой насос должен обеспечивать достаточную мощность в реальных условиях на открытом воздухе.

Распределение тепла

Трубы и насосы должны обеспечивать достаточный поток воды.

Излучатели тепла

Вентиляторные катушки, радиаторы или напольное отопление должны обеспечивать достаточную мощность помещения при выбранной температуре воды.

Если любой из этих трёх элементов неправильно спроектирован, система может испытывать:

недостаточное отопление → высокая температура воды → более низкая COP → более высокое потребление электроэнергии → плохой опыт работы с клиентами.

Вот почему модернизация тепловых насосов всегда должна рассматриваться какполный проект по разработке гидротехнической системы, а не просто замена оборудования.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я напрямую заменить газовый котел на воздушный тепловой насос?

Иногда, но существующая система должна быть сначала проверена на тепловую нагрузку, требуемую температуру воды, выход терминала, поток воды, диаметр трубы и емкость циркуляционного насоса.Прямая замена одного за одного без гидравлического анализа может привести к плохой производительности.

Могут ли существующие вентиляторы работать с тепловым насосом воздух-вода?

Да, в большинстве случаев, однако их теплоемкость должна проверяться при более низких температурах воды, обычно связанных с работой тепловых насосов.Данные производителя должны использоваться, когда они доступны.

Может ли существующее напольное отопление работать с тепловым насосом?

Гидротехническое напольное отопление особенно подходит для тепловых насосов, поскольку его большая площадь выброса позволяет относительно низкую температуру подачи воды.

Почему тепловой насос требует большого потока воды?

Передача тепла зависит как от потока воды, так и от разницы температуры подачи и возврата.

Нужно ли менять существующие трубы для отопления?

Не обязательно. Существующие трубопроводы должны быть гидравлически проверены на новый требуемый поток и падение давления. Если приемлемый поток может быть достигнут без чрезмерной скорости или насоса,трубы могут остаться.

Следует ли устанавливать буферный бак при замене котла на тепловой насос?

Это зависит от конструкции системы. Буферный бак или гидравлический сепаратор могут быть полезны, когда тепловой насос и схемы здания требуют различных частот потока, когда несколько зон часто закрываются,когда требуется дополнительный объем системы, или когда требуется стабильная работа размораживания.

Для тепловых насосов лучше вентиляторные катушки или напольное отопление?

И то, и другое очень хорошо работают: напольное отопление обеспечивает отличную эффективность нагрева при низких температурах, а вентиляторные катушки обеспечивают как отопление, так и охлаждение с помощью охлажденной воды.Лучший выбор зависит от типа здания, спрос на отопление/охлаждение и существующая распределительная инфраструктура.

Заключение

Замена котла на тепловой насос воздушного источника - это не в первую очередь вопрос поиска теплового насоса с одинаковой мощностью в kW.

Настоящий инженерный вопрос:

Могут ли тепловой насос, гидроническая распределительная система и существующие теплоизлучатели работать вместе при требуемой температуре воды, скорости потока и проектной нагрузке?

Поэтому профессиональное модернизация начинается с расчета нагрузки здания, а затем выбор производительности теплового насоса, проверка терминала и гидравлический анализ.

Существующие катушки вентиляторов и системы напольного отопления часто могут быть сохранены, что может значительно сократить затраты на ремонт.температура воды, ΔT, скорость потока, падение давления трубы, производительность циркуляционного насоса и емкость терминала.

При правильном сочетании этих элементов преобразование гидронической системы на базе котла в тепловой насос воздух-вода может обеспечить эффективное отопление.охлаждение и долгосрочная экономия энергии без ненужной реконструкции всей распределительной системы.

Техническая примечание

Уравнения и примеры, приведенные выше, предназначены для предварительного понимания технического процесса.Местные прогнозные данные погоды, гидравлические расчеты и сертифицированные производителем теплового насоса/вентиляторной катушки данные о производительности.

Wotech Профессиональные решения для воздушных тепловых насосов

Для жилых, коммерческих и OEM-решений тепловых насосов воздух-вода, включая низкотемпературное отопление, вентиляторные катушки и подогрев на полу, посетите:

www.ecoheat-pump.com