Wyobraź sobie czteropiętrowy biurowiec w Kantonie w lipcu. Obciążenie chłodnicze rośnie, każde piętro potrzebuje chłodnego powietrza, a mimo to na dachu pozostaje cicho — nie słychać pracy wentylatorów skraplacza. Umożliwia to pętla wody, która cicho przepływa przez budynek. W każdym pomieszczeniu technicznym na piętrze, a wodna pompa ciepła (WSHP) działa tak samo jak klimatyzator, ale z jedną zasadniczą różnicą: wymienia ciepło z wodą, a nie z powietrzem zewnętrznym.
Bezpośrednia odpowiedź: wodna pompa ciepła to maszyna chłodnicza, która absorbuje ciepło z rurociągu obiegu wody w trybie ogrzewania lub odrzuca ciepło do tej samej pętli w trybie chłodzenia. Zamiast wytwarzać ciepło, przenosi ciepło z jednego miejsca do drugiego. Ponieważ obieg wodny utrzymuje znacznie stabilniejszą temperaturę niż powietrze zewnętrzne, sprężarka pracuje mniej, a urządzenie zapewnia bardziej użyteczne ogrzewanie lub chłodzenie na każdy kilowat zużytej energii elektrycznej.
Krótka odpowiedź: w jaki sposób wodna pompa ciepła przenosi ciepło
Wszystkie pompy ciepła, w tym WSHP, działają w tym samym czteroetapowym cyklu chłodniczym: odparować, skompresować, skraplić, rozszerzyć . W trybie ogrzewania zimny, ciekły czynnik chłodniczy wpływa do wymiennika ciepła po stronie wody, pochłania ciepło z wody i wrze, tworząc parę pod niskim ciśnieniem. Sprężarka zasysa tę parę i podnosi jej ciśnienie i temperaturę. Gorący gaz pod wysokim ciśnieniem przepływa następnie do wężownicy wewnętrznej, gdzie skrapla się z powrotem w ciecz i uwalnia ciepło do powietrza w pomieszczeniu lub do hydraulicznego systemu grzewczego. Termiczny zawór rozprężny odmierza ciecz z powrotem do parownika i cykl się powtarza.
W trybie chłodzenia czterodrogowy zawór odwracający odwraca przepływ. Wężownica wewnętrzna staje się parownikiem i pochłania ciepło z pomieszczenia, podczas gdy wymiennik ciepła po stronie wodnej staje się skraplaczem i zrzuca to ciepło do pętli wodnej. Rezultatem jest to jedna maszyna może zapewnić zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie przy użyciu jednego obiegu wody .
Cztery komponenty, które wykonują pracę
Sprężarka
Sprężarka is the heart of the system. It raises refrigerant pressure and temperature so that heat can be released at a useful temperature on the indoor side. Small packaged WSHPs typically use rotary or scroll compressors; larger commercial systems use screw compressors or multi-compressor parallel arrangements. A scroll compressor has fewer moving parts than a reciprocating type and handles partial loads well, which is why scroll units dominate packaged WSHPs. In large plants, screw compressors provide high reliability and good efficiency under continuous duty.
Zawór przełączający czterodrogowy
Zawór przełączający odróżnia pompę ciepła od zwykłego klimatyzatora. Kiedy zawór się przesuwa, kierunek przepływu czynnika chłodniczego odwraca się, zamieniając zadania parownika i skraplacza. Mały pilot elektromagnetyczny porusza główną szpulą. W trybie ogrzewania gorący gaz kierowany jest do wężownicy wewnętrznej; w trybie chłodzenia gorący gaz kierowany jest do wymiennika ciepła po stronie wodnej.
Wymiennik ciepła czynnik chłodniczy-woda
To tutaj WSHP zyskało swoją nazwę. Zamiast wężownicy żebrowanej i wentylatora zewnętrznego, WSHP wykorzystuje lutowany płytowy wymiennik ciepła lub wymiennik płaszczowo-rurowy. Woda przepływa po jednej stronie powierzchni wymiany ciepła; czynnik chłodniczy przepływa z drugiej strony. Ponieważ woda ma znacznie wyższy współczynnik przenikania ciepła niż powietrze, wymiennik ten może być fizycznie mniejszy niż wężownica powietrzna, a jednocześnie przenosić tę samą ilość ciepła. W większych systemach strona wodna jest często konstrukcją płaszczowo-rurową i wykorzystuje zasadniczo tę samą technologię co układ skraplacz płaszczowo-rurowy chłodzony wodą stosowane w przemysłowych instalacjach chłodniczych. Wybór materiału rur ma znaczenie: rury miedziane są stiardem w wielu jednostkach komercyjnych, natomiast rury ze stali nierdzewnej są preferowane w zastosowaniach agresywnych lub w wodzie morskiej.
Producenci skraplaczy chłodzonych wodą z serii OEM / ODM KCWS, fabryka Jako chińscy producenci płaszczowo-rurowych skraplaczy chłodzonych wodą serii KCWS i hurtownia skraplaczy chłodzonych wodą płaszczowo-rurowych serii KCWS... Zobacz produkt → Urządzenie rozszerzające
Pomiędzy skraplaczem a parownikiem urządzenie rozprężne — zwykle termostatyczny zawór rozprężny (TXV) lub elektroniczny zawór rozprężny (EEV) — obniża ciśnienie czynnika chłodniczego i odmierza prawidłowy przepływ do parownika. EEV szybciej reaguje na zmiany obciążenia i utrzymuje większą szczelność przegrzania, co poprawia wydajność przy częściowym obciążeniu. Ma to znaczenie w systemie WSHP, ponieważ temperatury wody wpływającej zmieniają się w ciągu roku, więc urządzenie rozprężne musi się stale dostosowywać.
Tryb ogrzewania i tryb chłodzenia: ten sam cykl w odwrotnej kolejności
Tryb ogrzewania
W trybie ogrzewania źródłem ciepła jest obieg wodny. W przypadku większości komercyjnych projektów pętli woda wpływa do urządzenia w temperaturze ok 50°F do 68°F (10°C do 20°C) . Czynnik chłodniczy pochłania ciepło z tej wody i odparowuje. Następnie sprężarka podnosi temperaturę gazu do wystarczająco wysokiej, aby wężownica wewnętrzna mogła dostarczać ciepłe powietrze nawiewane — zazwyczaj od 32°C do 40°C (90°F do 105°F). Dopóki w pętli utrzymuje się temperatura powyżej około 45°F (7°C), urządzenie może utrzymywać użyteczne ogrzewanie bez konieczności korzystania z elektrycznego źródła ciepła.
Tryb chłodzenia
W trybie chłodzenia pętla staje się radiatorem. Woda z pętli powrotnej zwykle znajduje się pomiędzy 70°F i 90°F (21°C do 32°C) . Wężownica wewnętrzna pochłania ciepło z pomieszczenia, sprężarka podnosi temperaturę czynnika chłodniczego znacznie powyżej temperatury wody, a wymiennik ciepła czynnik chłodniczy-woda przekazuje to ciepło do pętli. Im cieplejsza woda w pętli, tym ciężej musi pracować sprężarka — dlatego sterowanie wieżą chłodniczą i resetowanie temperatury wody są tak ważnymi elementami dobrze zarządzanej instalacji WSHP.
Pętla zamknięta, otwarta i pętla budowlana: skąd bierze się woda?
WSHP współpracują z kilkoma źródłami wody. Wybór wpływa zarówno na wydajność, jak i koszt instalacji.
| Typ systemu | Źródło wody | Typowa temperatura wody wpływającej | Najlepiej nadaje się do |
|---|---|---|---|
| Zamknięta pętla masy | Zakopana rura HDPE z mieszaniną wody i glikolu | Od 32°F do 70°F (0°C do 21°C) w zależności od pory roku | Domy i budynki komercyjne z gruntami pod odwierty |
| Otwarty obieg (woda ze studni) | Woda gruntowa pompowana przez wymiennik ciepła | 45°F do 60°F (7°C do 16°C) | Nieruchomości z czystą, niezawodną wodą studniową i zatwierdzonym zatłaczaniem lub drenażem |
| Budynek pętli z kotłem i wieżą chłodniczą | Wspólny obieg wody w budynku; kocioł dodaje ciepło, wieża odrzuca ciepło | 60°F do 90°F (16°C do 32°C) | Biura dla wielu najemców, hotele, budynki wielofunkcyjne |
| Pętla jeziora lub rzeki | Zanurzona pętla zamknięta w otwartej wodzie | 35°F do 75°F (2°C do 24°C) | Budynki w pobliżu zbiorników głębinowych |
Większość dużych komercyjnych instalacji WSHP wykorzystuje wspólną pętlę budynku. Każda jednostka wewnętrzna jest wystarczająco mała, aby zmieścić się w pustej przestrzeni pod sufitem lub w małym pomieszczeniu technicznym, a wszystkie jednostki pobierają wodę z tego samego dwururowego obiegu wody. Kiedy niektóre strefy potrzebują ciepła, a inne chłodzenia, ciepło oddawane przez strefy chłodzenia jest pochłaniane przez strefy grzewcze — jest to funkcja tzw. odzysk ciepła . Może to znacznie zmniejszyć jednoczesne zużycie energii do ogrzewania i chłodzenia, co jest jednym z głównych powodów, dla których właściciele budynków wybierają systemy wykorzystujące wodę.
Dlaczego woda pokonuje powietrze: WSHP kontra powietrzna pompa ciepła
Obydwa systemy korzystają z tego samego cyklu sprężania pary. Różnica polega na medium po stronie zewnętrznej. Powietrze zmienia temperaturę w zależności od pogody; woda w zamkniętej pętli pozostaje znacznie bardziej stabilna. Ta stabilność zmienia cały obraz wydajności.
| Aspekt | WSHP | Powietrzna pompa ciepła (ASHP) |
|---|---|---|
| Źródło/uchwyt ciepła | Obieg wodny, stabilny przez cały rok | Powietrze na zewnątrz, huśtawki w zależności od pogody |
| Wydajność grzewcza | Rozkłada się powoli wraz ze spadkiem temperatury pętli | COP gwałtownie spada podczas mroźnej pogody |
| Wydajność chłodzenia | Stabilny nawet w bardzo upalne dni | Spada w temperaturze otoczenia powyżej około 95°F (35°C) |
| Hałas | Cichy; brak wentylatora zewnętrznego | Hałas wentylatora skraplacza zewnętrznego |
| Przestrzeń | Brak jednostki dachowej; pomieszczenie z roślinami wewnętrznymi lub pusta przestrzeń pod sufitem | Wymaga jednostki zewnętrznej i wolnego miejsca wokół niej |
| Instalacja | Więcej rurociągów; wymagana infrastruktura pętli wodnej | Zwykle prostsze w budynkach modernizowanych |
| Konserwacja | Uzdatnianie wody, pielęgnacja pomp i wymienników | Czyszczenie wężownicy i dostęp czynnika chłodniczego na zewnątrz |
Ponieważ woda ma ponad 3000 razy większa od objętościowej pojemności cieplnej powietrza wymiennik ciepła woda-czynnik chłodniczy może być znacznie mniejszy niż wężownica powietrzna o tej samej wydajności. W przypadku sprężarki ważną liczbą jest wzrost temperatury. Gdy woda wpływa do 60°F podczas ogrzewania zimowego, sprężarka podnosi temperaturę czynnika chłodniczego z około 50°F do 100°F – co oznacza wzrost o 50°F. Jednostka źródła powietrza podczas mroźnej pogody może wymagać podniesienia temperatury czynnika chłodniczego z -10°F do 100°F – czyli wysokość podnoszenia 110°F. Mniej więcej połowa wzrostu oznacza mniej więcej dwukrotność COP ogrzewania. Ta fizyczna zależność jest prawdziwym powodem, dla którego systemy źródła wody zapewniają lepszą efektywność sezonową. Aby zobaczyć, jak daleko sięga ta sama zasada, spójrz na pełna gama skraplaczy i parowników stosowane w nowoczesnych elektrowniach wodnych.
Wydajność w liczbach: COP, EER i czego się spodziewać
COP (współczynnik wydajności) to stosunek użytecznego ogrzewania lub chłodzenia do poboru energii elektrycznej. Współczynnik COP wynoszący 4,0 w trybie ogrzewania oznacza, że na każdy 1 kW energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę urządzenie dostarcza 4 kW ciepła. EER (współczynnik efektywności energetycznej) to ekwiwalent chłodzenia, zwykle wyrażany w Btu na watogodzinę.
Czego realnie może oczekiwać kupujący od nowoczesnego WSHP?
- COP ogrzewania pomiędzy 3,5 a 5,5 dla większości systemów źródła wody, w zależności od temperatury wody wpływającej.
- EER chłodzenia od 14 do 22 Btu/W-h w typowych pętlach komercyjnych.
- Lepsza wydajność przy częściowym obciążeniu, ponieważ sprężarka moduluje lub cykli rzadziej w łagodnych warunkach.
- Departament Energii Stanów Zjednoczonych podaje, że geotermalne pompy ciepła i pompy ciepła typu woda-powietrze mogą zmniejszyć zużycie energii o około 25 do 50 procent w porównaniu z powietrznymi pompami ciepła w podobnych budynkach (źródło: Departament Energii USA, przegląd geotermalnych pomp ciepła).
| Temperatura wody wpływającej (tryb ogrzewania) | Typowy zakres COP |
|---|---|
| 50°F (10°C) | 4,2 do 5,5 |
| 60°F (16°C) | 4,0 do 5,0 |
| 70°F (21°C) | 3,5 do 4,2 |
Zwróć uwagę na trend: zimniejsza woda w obiegu oznacza niższy współczynnik COP, dlatego pętle gruntowe i woda ze studni – które zimą pozostają cieplejsze niż powietrze zewnętrzne – zapewniają lepszą wydajność w zimie niż urządzenia zasilane powietrzem.
Pięć czynników projektowych decydujących o wydajności w świecie rzeczywistym
- Natężenie przepływu wody. Każda jednostka potrzebuje wystarczającego przepływu, aby przenosić ciepło bez nadmiernej energii pompy. Komercyjne źródła wody są powszechnie określane pod adresem 2,5 do 3 galonów amerykańskich na minutę na tonę chłodzenia ; większe systemy wykorzystują mniejsze przepływy przy większych różnicach temperatur.
- Wejście do zakresu temperatury wody. Utrzymuj temperatury pętli w granicach producenta – zazwyczaj 50°F do 95°F (10°C do 35°C) w trybie chłodzenia and 45°F do 75°F (7°C do 24°C) podczas ogrzewania — aby chronić sprężarkę i zachować ważność znamionowych wydajności.
- Jakość wody i zanieczyszczenie. Płytowe wymienniki ciepła mają wąskie kanały; Zanieczyszczenia, kamień lub narośl biologiczna mogą szybko zmniejszyć przenoszenie ciepła i zwiększyć ciśnienie skraplania. Stosuj filtry siatkowe, uzdatniacze wody i — w przypadku wody agresywnej — wymienniki ciepła ze stali nierdzewnej.
- Ochrona przed zamarzaniem. Pętle uziemiające wymagają mieszanki wody i glikolu; pętle budowlane w nieogrzewanych pomieszczeniach wymagają środka zapobiegającego zamarzaniu, przewodów grzejnych lub niezawodnej procedury odprowadzania wody.
- Reset temperatury pętli. Kontroluj temperaturę pętli w oparciu o warunki zewnętrzne i zapotrzebowanie strefy. Podniesienie temperatury pętli w trybie chłodzenia lub nieznaczne obniżenie jej w trybie ogrzewania zmniejsza wznios sprężarki i zmniejsza zużycie energii w całej instalacji.
Dopasowanie pętli wodnej do odpowiedniego sprzętu chłodniczego
Wodna pompa ciepła jest jednym z elementów większego wodnego układu chłodniczego. Te same zasady inżynieryjne — niezawodne sprężanie, czysta wymiana ciepła po stronie wody i stabilna kontrola czynnika chłodniczego — obowiązują w pozostałej części instalacji. W przypadku zespołów projektowych montujących własne rozwiązanie w pomieszczeniu technologicznym wybór skraplacza, agregatu chłodniczego i agregatu skraplającego decyduje o tym, czy pętla rzeczywiście osiągnie swoją projektowaną wydajność.
Po stronie chłodzenia opakowanie agregat chłodniczy chłodzony wodą to standardowy sposób usuwania ciepła z pętli, gdy budynek posiada wieżę chłodniczą. Po stronie wymiany ciepła, chłodzony wodą skraplacz płaszczowo-rurowy przekazuje ciepło pomiędzy czynnikiem chłodniczym a wodą na dużej, łatwej do czyszczenia powierzchni. W zakładach wyposażonych w wyparki zasilane pompą a agregat skraplający z pompą beczkową zapewnia recyrkulację potrzebną do utrzymania stabilnego dopływu czynnika chłodniczego przy zmieniającym się obciążeniu.
Producenci agregatów skraplających z pompą beczkową OEM / ODM KTB, fabryka - Zhejiang Kaidi Jako chińscy producenci agregatów skraplających z pompą beczkową KTB i hurtownia agregatów skraplających z pompą beczkową KTB oem/odm, Zhejiang Kaidi Re... Zobacz produkt → 
Dostawca niestandardowych agregatów chłodzonych wodą, firma Zhejiang Kaidi Refrigeration Equipment Co., Ltd. jest chińskim dostawcą agregatów chłodzonych wodą i niestandardowymi agregatami chłodzonymi wodą, oferującymi rozwiązania... Zobacz produkt → Jeśli projektujesz chłodnię lub instalację chłodzenia procesowego, obowiązuje ta sama logika wyboru wybór agregatu skraplającego do zastosowań chłodniczych . Trzeba także dopasować sprzęt do zakresu temperatur pętli, jakości wody i oczekiwanego profilu obciążenia częściowego – a warto omówienie tych parametrów z inżynierem aplikacji zanim sfinalizujesz pakiet.
Praktyczne dania na wynos: WSHP jest tak samo wydajny jak reszta instalacji wodnej. Zbyt duże pompy, nieuzdatniona woda lub zbyt mała wieża chłodnicza szybko zmniejszą przewagę COP. Zacznij od projektu pętli, a następnie wybierz wokół niej pakiet sprężarki i wymiennika ciepła.
Często zadawane pytania dotyczące wodnych pomp ciepła
Czy wodne pompy ciepła działają w zimnym klimacie?
Tak. W trybie ogrzewania jednostka woda-powietrze może nadal zapewniać współczynnik COP na poziomie 3,0 lub lepszy przy temperaturze wody wpływającej do 40°F (4°C), czyli znacznie powyżej temperatur powietrza zimowego w większości zimnych regionów. Powód, dla którego działa w Harbinie, Minneapolis czy Oslo, jest prosty: pętla jest zakopana pod ziemią lub pobierana z wód gruntowych, więc zimowe temperatury powietrza nigdy nie dotykają źródła ciepła.
Czy wodna pompa ciepła to to samo, co geotermalna pompa ciepła?
Nie dokładnie. Jednym z typów systemów wykorzystujących wodę jest geotermalna lub gruntowa pompa ciepła. Jako źródło ciepła i pochłaniacz wykorzystuje zamkniętą pętlę uziemienia lub wodę ze studni. Jednak wiele oczyszczalni ścieków działa w pętli budynku z wieżą chłodniczą i kotłem – bez żadnego połączenia z masą. Wszystkie geotermalne pompy ciepła to systemy wykorzystujące wodę; nie wszystkie wodne pompy ciepła są geotermalne.
Czy jeden obieg wodny może jednocześnie ogrzewać i chłodzić różne strefy?
Tak i to jest jedna z największych zalet systemu WSHP. Każda jednostka wewnętrzna samodzielnie decyduje, czy ma grzać, czy chłodzić. Kiedy jedno biuro potrzebuje chłodzenia, a drugie ogrzewania, pętla przekazuje ciepło z jednego do drugiego, a kocioł i wieża chłodnicza tylko uzupełniają różnicę.
Jakiej konserwacji wymaga wodna pompa ciepła?
Liczą się trzy obszary: jakość wody, ilość czynnika chłodniczego i czystość powietrza. Obieg wymaga regularnej filtracji i uzdatniania wody, aby zapobiec zabrudzeniu płytowych lub płaszczowo-rurowych wymienników ciepła; powierzchnie wymienników ciepła należy sprawdzać raz w roku; oraz wymienniki i filtry wewnętrzne wymagają takiego samego harmonogramu czyszczenia, jak każdy klimakonwektor. Ponieważ nie ma wentylatora skraplacza zewnętrznego, typowe problemy związane z korozją i zanieczyszczeniami jednostek zewnętrznych w większości znikają.
Jak długo wytrzymuje wodna pompa ciepła?
Przy prawidłowym uzdatnianiu wody zazwyczaj służy wysokiej jakości komercyjny WSHP 20 do 25 lat , a sama pętla wodna może trwać 50 lat lub dłużej. Obieg czynnika chłodniczego jest uszczelniony, a sprężarka jest chroniona przez stabilną temperaturę w pętli — w przeciwieństwie do urządzeń dachowych, które poddawane są ekstremalnym cyklom termicznym. Wielu właścicieli uważa, że umieszczenie sprzętu w pomieszczeniu jest prawdziwą zaletą na całe życie: nigdy nie widzi śniegu, soli ani letniego słońca.
Jak wybrać pomiędzy wodą a wodą i powietrzem?
Jednostki wodno-powietrzne są najczęściej spotykane w budynkach biurowych, ponieważ klimatyzują zajmowane przestrzenie bezpośrednio poprzez kanały. Jednostki typu woda-woda stosuje się, gdy w budynku znajduje się instalacja wodna — ogrzewanie podłogowe, sufity chłodzące lub woda chłodząca do celów technologicznych — ponieważ zamiast ciepłego powietrza wytwarzają one podgrzaną lub schłodzoną wodę. W procesach przemysłowych, takich jak chłodzenie laserowe lub przetwarzanie żywności, właściwą architekturą jest zazwyczaj woda-woda.
Konkluzja
Wodna pompa ciepła to po prostu maszyna chłodnicza, która wykorzystuje pętlę wodną jako źródło ciepła i pochłaniacz. Komponenty są konwencjonalne, cykl jest standardowym cyklem sprężania pary, a przewaga w zakresie wydajności wynika prawie wyłącznie ze stabilności temperatury wody. Niezależnie od tego, czy projektujesz 40-piętrowy wieżowiec biurowy, chłodnię magazynową czy system chłodzenia procesowego, koncepcja WSHP jest taka sama – a wybór sprzętu po stronie wody, od płytowych wymienników ciepła po skraplacze płaszczowo-rurowe, decyduje o tym, jak dobrze ta koncepcja sprawdzi się w rzeczywistej pracy.
