هنگام طراحی یک سیستم پمپ گرما هوا به آب، یکی از مهمترین تصمیمات این است که چگونه پمپ گرما باید به صورت هیدرولیکی به ترمینال های گرمایش و خنک سازی ساختمان متصل شود.
برای نصب نسبتا ساده،سیستم هیدرونیک اولیه یا مستقیمبا این حال، هنگامی که یک پروژه شامل چندین نوع واحد پایانی مانند گرمایش کف، رادیاتورها و واحدهای فن کویل است، الزامات هیدرولیکی بسیار پیچیده تر می شوند.
اینجا جاییه کهسیستم هیدرونیکی ثانویه، معمولا با استفاده از یک مخزن بافنگ و دو پمپ گردش خون، به ویژه مفید می شود.
اما آیا هر نصب پمپ گرما به یک سیستم ثانویه نیاز دارد؟
نه لزوماً
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه ثبات هیدرولیکی بهتر، انعطاف پذیری بیشتر و شرایط عملیاتی پمپ حرارتی بهبود یافته را فراهم می کند. در عین حال، هزینه سیستم را افزایش می دهد،مصرف انرژی پمپ، پیچیدگی نصب و از دست دادن گرما بالقوه.
درک این تعادل ها برای طراحی یک سیستم پمپ حرارتی موثر با منبع هوا ضروری است.
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه معمولی مدار آب را به دو حلقه هیدرولیکی تقسیم می کند.
اولین حلقهمدار اولیه پمپ گرما:
پمپ گرما → مخزن بافر → پمپ گرما
حلقه دوممدار بار ساختمان:
مخزن بافر → پمپ گردش → ترمینال های گرمایش/برد → مخزن بافر
بنابراین مخزن بافر به عنوان اتصال مشترک بین منبع گرما و بار ساختمان عمل می کند.
بر خلاف یک سیستم مستقیم، پمپ گردش پمپ حرارتی لزوماً لازم نیست تمام جریان آب مورد نیاز سیستم توزیع ساختمان را تامین کند.
این یکی از مهم ترین تفاوت های بین طرح های هیدرونیک اولیه و ثانویه است.
پمپ حرارتی و ترمینال های ساختمان همیشه نیاز به جریان آب یکسان ندارند.
یک ساختمان مجهز به:
رادیاتورها
واحد های فن کویل
گرمایش کف
هر ترمینال ممکن است با دمای آب، تفاوت های دمایی (ΔT) ، نرخ جریان، شیرهای کنترل و برنامه های عملیاتی متفاوت کار کند.
به عنوان مثال، شرایط طراحی معمولی ممکن است تقریبا به این شکل باشد:
| ترمینال | دمای طبیعی آب تامین | ΔT معمولی |
|---|---|---|
| رادیاتور | 45-60°C یا بالاتر بسته به طراحی | 10 ¢20 K |
| گرمایش کف | 30°C تا 45°C | 5 ¢10 K |
| واحد فن کویل | بسته به حالت گرمایش/برد | حدود 5 هزار |
این ارقام مرجع طراحی هستند نه قوانین جهانی؛ مقادیر واقعی همیشه باید انتخاب ترمینال و محاسبه بار گرما پروژه را دنبال کنند.
مشکل مهندسی کلیدی ساده است:
جریان مورد نیاز پمپ گرما ممکن است برابر با جریان مورد نیاز سیستم ترمینال نباشد.
یک مدار هیدرونیکی ثانویه به جدا کردن این دو نیاز هیدرولیکی کمک می کند.
پمپ های حرارتی به طور معمول نیاز به حداقل جریان آب از طریق مبادله گرما دارند.
با این حال، در یک سیستم مستقیم، ترموستات اتاق، شیرهای منطقه ای، شیرهای رادیاتور ترموستاتیک یا شیرهای کنترل فن کویل ممکن است جریان سیستم را به طور مداوم تغییر دهند.
یک خانه با هشت منطقه گرمایش را تصور کنید.
وقتي که تمام هشت ناحيه باز باشند، جريان آب ممکن است کافي باشد.
اما وقتی شش منطقه به دمای تنظیم شده خود برسند و دریچه های خود را ببندند، تنها دو منطقه فعال باقی می مانند.
مقاومت سیستم به طور چشمگیری تغییر می کند و جریان از طریق پمپ گرما ممکن است در زیر محدوده کار توصیه شده باشد.
این می تواند به مشکلات مانند:
آژیرهای ناکافی جریان آب
تفاوت بیش از حد در دمای عرضه و بازگشت
فشار فشرده سازی بالا
ظرفیت گرمایش کاهش یافته
عملکرد ناپایدار کمپرسور
دوچرخه سواری مکرر
یک سیستم ثانویه این تعامل را کاهش می دهد زیرا پمپ گرما دارای حلقه گردش اختصاصی خود است.
پمپ گرما محیط هیدرولیکی قابل پیش بینی تری را حتی وقتی جریان ساختمان تغییر می کند، می بیند.
برای پمپ های حرارتی اینورتر، این می تواند به ویژه ارزشمند باشد زیرا شرایط آب پایدار به استراتژی نوسان کمپرسور کمک می کند تا به طور موثر کار کند.
یک سیستم گرمایش هیدرونیک مدرن ممکن است شامل چندین نوع ترمینال مختلف باشد.
به عنوان مثال:
پمپ گرما → مخزن بافری → رادیاتورها + اسپری های فن + گرمایش زیر زمین
این ترمینال ها به ندرت نیاز به جریان و دمای آب یکسان دارند.
گرمایش کف معمولاً در دمای آب نسبتاً پایین کار می کند، در حالی که رادیاتورهای سنتی ممکن است به دمای بسیار بالاتر نیاز داشته باشند.فن کویل ها می توانند در هر دو حالت گرم کردن و خنک کردن کار کنند و اغلب از ΔT نسبتا کوچک در طرف آب استفاده می کنند..
یک سیستم ثانویه ایجاد شاخه های توزیع جداگانه را با استفاده از:
پمپ های گردش مستقل
دریچه های مخلوط کننده
دریچه های منطقه ای
دسته های مختلف
کنترل دما
کنترل فشار دیفرانسیل
این امر انعطاف پذیری طراحی را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.
یکی از مهم ترین اجزای بسیاری از سیستم های پمپ حرارتی ثانویهمخزن بافر.
آب ظرفیت قابل توجهی برای ذخیره گرما دارد.
بنابراین یک مخزن بافر حجم آب کل سیستم هیدرونیک را افزایش می دهد و بی وقفه حرارتی را اضافه می کند.
انرژی حرارتی ذخیره شده را می توان با:
Q = m × Cp × ΔT
کجا:
ق= انرژی حرارتی ذخیره شده
m= جرم آب
Cp= ظرفیت حرارتي خاص آب
ΔT= تفاوت دمای قابل استفاده
برای محاسبات عملی HVAC:
یک لیتر آب برای هر تغییر درجه حرارت ۱ درجه سانتیگراد، تقریباً ۱.۱۶ وات ذخیره می کند.
بنابراین یک مخزن بافری 200 لیتری که در یک محدوده دمای قابل استفاده 5 K کار می کند، تقریباً:
200 × 1.16 × 5 ≈ 1.16 کیلووات ساعت
این به این معنی نیست که یک مخزن بافر یک منبع انرژی است.
فقط انرژی را برای مدتی ذخیره می کند و بعداً آزاد می کند.
این تفاوت مهم است.
چرخه کوتاه زمانی رخ می دهد که یک پمپ گرما راه اندازی شود، به سرعت به دمای مورد نظر خود برسد، متوقف شود و سپس کمی بعد از آن دوباره راه اندازی شود.
این اغلب زمانی رخ می دهد که:
حداقل خروجی پمپ گرما > تقاضای فعلی گرما ساختمان
به عنوان مثال فرض کنید یک پمپ حرارتی اینورتر می تواند به 5 کیلو وات کاهش یابد، اما ساختمان در حال حاضر تنها به 2 کیلو وات نیاز دارد.
بدون حجم آب کافی سیستم، دمای آب تامین می تواند به سرعت افزایش یابد.
کنترل کننده به دمای مورد نظر خود می رسد و کمپرسور را متوقف می کند.
ساختمان به جذب گرما ادامه می دهد، دمای آب کاهش می یابد، و کمپرسور دوباره شروع می شود.
نتیجه ممکن است:
شروع → توقف → شروع → توقف → شروع
چرخه های مکرر کمپرسور می تواند:
کاهش بهره وری فصلی
افزایش مصرف برق
شروع کمپرسور را افزایش دهید
افزایش فرسایش قطعات
باعث عدم ثبات دمای داخلی می شود
حجم اضافی آب از یک مخزن بافری با اندازه مناسب تغییرات دمای آب را کند می کند.
به جاي:
45°C → 50°C خیلی سریع
سیستم ممکن است زمان بیشتری برای رسیدن به حد کنترل داشته باشد.
این باعث می شود که پمپ گرما چرخه کار طولانی تری داشته باشد.
ساختمان ها به ندرت به صورت مستمر با 100 درصد نیاز به گرمایش کار می کنند.
به عنوان مثال، در بهار و پاییز، تنها بخشی از ساختمان ممکن است نیاز به گرمایش داشته باشد.
بعضی از اتاق ها ممکن است به دمای تعیین شده خود برسند در حالی که برخی دیگر هنوز نیاز به گرما دارند.
این یک وضعیت جریان متغیر ایجاد می کند.
یک مدار ثانویه به پمپ سمت ساختمان اجازه می دهد تا به این تقاضای در حال تغییر پاسخ دهد در حالی که مدار سمت پمپ گرما جریان مورد نیاز پمپ گرما را حفظ می کند.
این جدایی هیدرولیکی می تواند کنترل کل سیستم را آسان تر کند.
سیستم های ثانویه به ویژه زمانی مفید می شوند که پروژه شامل:
پمپ حرارتی + مخزن بافری + چندین منطقه گرمایش + اسپری های فن + رادیاتورها + گرمایش زیر کف
همچنین برای:
ساختمان های مسکونی بزرگ
هتل ها
ساختمان های تجاری
مدارس
ویلاهای دارای چندین منطقه گرمایش
پروژه های بازسازی
سیستم های رادیاتور هیبریدی/سیستم های گرمایش کف
سیستم های گرمایش و خنک سازی با چندین نوع ترمینال
در این پروژه ها، پیچیدگی هیدرولیکی اضافی اغلب با بهبود کنترل پذیری توجیه می شود.
یک سیستم ثانویه به طور خودکار کارآمدتر نیست.
این یک نقطه بحرانی است.
قطعات بیشتری می توانند مشکلات هیدرولیکی را حل کنند، اما هر قطعه اضافی نیز هزینه و از دست دادن انرژی بالقوه را وارد می کند.
یک سیستم مستقیم معمولی ممکن است با یک پمپ گردش اصلی کار کند.
یک سیستم ثانویه به طور معمول به حداقل دو مورد نیاز دارد:
پمپ 1:پمپ حرارتی ️ مخزن بافر
پمپ دوم:مخزن بافری
مناطق گرمایشی اضافی ممکن است حتی به پمپ های بیشتری نیاز داشته باشند.
هر پمپ گردش خون برق مصرف می کند.
بنابراین:
یک سیستم ثانویه می تواند ثبات عملکرد پمپ گرما را بهبود بخشد و همزمان مصرف برق کمکی را افزایش دهد.
بنابراین سیستم باید بر اساس کل مصرف انرژی فصلی ارزیابی شود، نه تنها COP پمپ گرما.
پمپ های گردش ECM با کارایی بالا با کنترل سرعت متغیر به طور کلی ترجیح می دهند.
در مقایسه با یک اتصال مستقیم ساده، یک سیستم ثانویه ممکن است نیاز به:
مخزن بافر
پمپ گردش اضافی
لوله هاي بيشتري
دریچه های عایق بیشتری
دریچه های چک
سنسورها
لوازم افزایشی
دریچه های مخلوط کننده
کنترل های اضافی
کار نصب بیشتر
این باعث افزایش هزینه اولیه پروژه می شود.
برای یک دستگاه مسکونی کوچک با یک حلقه گرمایش طبقه ساده، پیچیدگی اضافی ممکن است همیشه مزایای کافی را فراهم نکند.
با این حال، برای یک پروژه بزرگ چند منطقه ای، هزینه اضافی ممکن است توجیه شود.
یک مخزن بافری کاملا عایق نشده است.
همچنین لوله های اضافی، شیرها و لوازم مورد نیاز برای مدار ثانویه وجود ندارد.
بنابراین از دست دادن گرما می تواند از:
دیواره های مخزن بافر
لوله های توزیع
دریچه ها و وسایل
اجسام پمپ
اتاق های مکانیکی
عایق بندی خوب می تواند این خسارات را به حداقل برساند، اما نمی تواند آنها را به طور کامل از بین ببرد.
این امر به ویژه زمانی که مخزن بافر در یک فضای بدون شرایط نصب می شود، مهم است.
اضافه کردن یک مخزن بافر به طور خودکار یک سیستم خوب ایجاد نمی کند.
یک مشکل رایج زمانی رخ می دهد که جریان اولیه و ثانویه به طور نامناسب متعادل باشند.
بذار:
Vp = جریان پمپ گرما اولیه
Vs = جریان ساختمان ثانویه
اگر:
Vp > Vs
برخی از آب های گرم ممکن است مستقیما از طریق مخزن بافر به سمت پمپ گرما برگردند.
اگر:
نسبت به Vp
ممکن است کمی آب خنک تر به منبع ثانویه مخلوط شود.
این پدیده گاهی اوقات به عنوانمخلوط کردن هیدرولیک.
مخلوط کردن بیش از حد می تواند دمای آب تحویل داده شده به ترمینال ها را تغییر دهد و ممکن است باعث شود پمپ گرما در دمای بالاتر آب خارج شود.
از آنجا که کارایی پمپ گرما به طور کلی با افزایش دمای آب مورد نیاز کاهش می یابد، طراحی هیدرولیک ضعیف می تواند COP را کاهش دهد.
یک سیستم مستقیم نسبتا ساده است.
پمپ گرما دمای آب را کنترل می کند و یک مدار هیدرولیک اصلی را کنترل می کند.
یک سیستم ثانویه ممکن است شامل:
کنترل کننده پمپ گرما
پمپ گردش اولیه
پمپ گردش ثانویه
حسگر مخزن بافر
ترموستات اتاق
دریچه های منطقه ای
شیر مخلوط کننده
جبران خسارت آب و هوا
کنترل های فن کویل
کنترل های گرمایش کف
این اجزای باید به درستی با هم کار کنند.
منطق کنترل ضعیف می تواند شرایطی را ایجاد کند که پمپ ها به طور غیر ضروری کار می کنند یا پمپ گرما زمانی کار می کند که تقاضای واقعی گرمایش کم است.
بنابراین،استراتژی کنترل به اندازه طراحی هیدرولیک مهم است.
نه، نه
این یکی از رایج ترین تصورات غلط در طراحی پمپ گرما هوا به آب است.
یک مخزن بافر باید یک مشکل مهندسی خاص را حل کند.
ممکن است مفید باشد:
حجم آب سیستم کافی نیست
مناطق گرمایشی متعدد که اغلب باز و بسته می شوند
در غیر این صورت نمی توان حداقل جریان پمپ گرما را تضمین کرد
حداقل خروجی پمپ حرارتی بیش از نیاز به بار جزئی مکرر است
چندین نوع ترمینال نیاز به جداسازی هیدرولیک دارند
عملیات یخبندان نیاز به حجم آب کافی دارد
نیازهای جریان اولیه و ثانویه به طور قابل توجهی متفاوت است
با این حال، اگر سیستم در حال حاضر حجم آب کافی، جریان پایدار، منطقه بندی مناسب و نوسان پمپ گرما خوب را فراهم کند، یک مخزن بزرگ آب خنک ممکن است مزایای اضافی کمی داشته باشد.
تصور غلط دیگری که رایج است این است:
اگه 100 ليتر خوب باشه، 500 ليتر بهتره.
این لزوماً درست نیست.
یک مخزن بافری بزرگ می تواند:
افزایش هزینه سیستم
از دست دادن گرما را افزایش دهید
افزایش حجم آب سیستم به طور غیر ضروری
زمان گرم شدن را افزایش دهید
نیاز به فضای بیشتری برای نصب
کاهش واکنش کنترل
بنابراین اندازه مخزن بافر باید بر اساس عادت محاسبه شود.
حجم صحیح بستگی به عواملی دارد که عبارتند از:
ظرفیت پمپ گرما
حداقل ظرفیت تعدیل
حداقل زمان اجرا کمپرسور
حداقل نیاز به گرما در ساختمان
حجم آب سیستم
نوسان دمای مجاز
الزامات تخلیه یخ
حداقل الزامات تولید کننده برای حجم آب
یک رابطه مهندسی ساده عبارت است از:
V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
در صورتی که حجم مورد نیاز مربوط به عدم تعادل گرما باشد که باید در طول حداقل مدت کار مورد نظر جذب شود.
در طراحی عملی، الزامات هیدرولیکی سازنده پمپ گرما همیشه باید اولویت داشته باشند.
| فاکتور طراحی | سیستم اصلی / مستقیم | سیستم ثانویه |
|---|---|---|
| مدارهای هیدرولیکی | یکی | دو تا یا بیشتر |
| پمپ های اصلی | معمولاً يک نفر | معمولا دو تا یا بیشتر |
| مخزن بافر | اختیاری | شایع |
| هزینه نصب | پایین تر | بالاتر |
| پیچیدگی هیدرولیک | پایین تر | بالاتر |
| انعطاف پذیری چند منطقه ای | متوسط | بالا |
| تحمل جریان متغیر | حساس تر | بهتره |
| جاودانگی حرارتی | پایین تر | بالاتر |
| پیشگیری از چرخه کوتاه مدت | بستگی به حجم سیستم داره | به طور کلی راحت تر |
| مصرف برق پمپ | پایین تر | بالاتر |
| بهترین درخواست | سیستم های ساده | سیستم های پیچیده / چند منطقه ای |
هیچکدام از این دو طراحی به طور جهانی بهتر نیستند.
انتخاب درست بستگی به ساختمان و شرایط عملیاتی دارد.
به عنوان مثال یک خانه با یک پمپ گرما هوا به آب با:
منطقه A:گرمایش کف
منطقه ب:رادیاتورها
منطقه C:واحد های فن کویل
در طول زمستان، هر سه منطقه ممکن است کار کنند.
در آب و هوای معتدل، ممکن است فقط بخاری کف کف نیاز به گرما داشته باشد.
در تابستان، فقط کول های فن می توانند برای خنک کردن کار کنند.
بنابراین جریان سیستم در طول سال تغییر قابل توجهی دارد.
طراحی هیدرونیکی ثانویه می تواند پمپ گرما را قادر سازد تا جریان اولیه پایدار را حفظ کند در حالی که سیستم توزیع ثانویه به طور مستقل به تقاضای ساختمان پاسخ می دهد.
یک پیکربندی معمولی می تواند:
پمپ حرارتی منبع هوا
↓
پمپ گردش خون اصلی
↓
مخزن بافر
↓
پمپ ثانویه / دسته توزیع
↓
رادیاتورها + کول های فن + گرمایش زیر زمین
برای مدار حرارتی کف کف نیز ممکن است یک تنظیم مخلوط کننده مورد نیاز باشد اگر دمای مورد نیاز آن از دمای دیگر ترمینال ها پایین تر باشد.
به همین دلیل است که سیستم های هیدرونیکی ثانویه در پروژه های پمپ گرما پیچیده تر رایج هستند.
هدف از یک سیستم ثانویه این نیست که فقط یک مخزن بافر اضافه شود.
هدف اصلی آن مدیریت رابطه بین:
منبع گرما ️ جریان آب ️ ذخیره سازی حرارتی ️ بار ساختمان
یک سیستم به خوبی طراحی شده این چهار عنصر را در تعادل نگه می دارد.
اگر پمپ حرارتی حرارت بیشتری از آنچه ساختمان در حال حاضر مصرف می کند تولید کند، سیستم به ظرفیت حرارتی و منطق کنترل کافی برای جلوگیری از افزایش سریع دمای و خاموش شدن کمپرسور نیاز دارد.
اگر ساختمان نیاز به گرما بیشتر از آن باشد که پمپ گرما در حال حاضر تولید می کند، گرما ذخیره شده در سیستم می تواند به طور موقت سرعت کاهش دمای آب را کاهش دهد.
این بی وقفه حرارتی کمک می کند تا عدم تطابق بین خروجی فوری پمپ حرارتی و تقاضای ساختمان را صاف کند.
با این حال، ذخیره سازی حرارتی انرژی ایجاد نمی کند.
در نهایت:
گرما تولید شده توسط پمپ گرما = گرما تحویل داده شده به ساختمان + زیان سیستم ± تغییر در انرژی حرارتی ذخیره شده
این تعادل انرژی پایه و اساس طراحی پمپ حرارتی هیدرونیک است.
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه می تواند یک راه حل عالی باشد زمانی که یک پمپ حرارتی منبع هوا به یک ساختمان پیچیده با جریان آب متغیر، چندین منطقه گرمایش یا واحدهای پایانی مختلف خدمت می کند.
مزایای اصلی آن عبارتند از:
جریان ثابت پمپ گرما، جدایی هیدرولیکی، افزایش حجم آب سیستم، کاهش چرخه کوتاه و انعطاف پذیری بیشتر چند منطقه ای.
معایب اصلی آن عبارتند از:
هزینه های اولیه بالاتر، برق پمپ اضافی، پیچیدگی نصب بیشتر، از دست دادن گرما اضافی و امکان مخلوط هیدرولیک در صورت طراحی ضعیف سیستم.
بنابراین سوال مهندسی نباید این باشد:
آیا هر پمپ گرما باید یک مخزن بافر داشته باشد؟
يه سوال بهتر اينه که:
آیا این سیستم خاص نیاز به جداسازی هیدرولیکی یا جرم حرارتی اضافی برای حفظ عملکرد ثابت و کارآمد پمپ گرما دارد؟
این سوال منجر به طراحی بسیار بهتر HVAC می شود.
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه مدار پمپ گرما را از مدار توزیع ساختمان جدا می کند.این دو مدار به طور معمول از طریق یک مخزن بافری یا یک شکل دیگر از جدایی هیدرولیکی متصل می شوند.
یک پمپ جریان آب مورد نیاز را از طریق پمپ گرما حفظ می کند، در حالی که پمپ دوم به سمت پایانه های گرمایش یا خنک سازی ساختمان با توجه به نیازهای جریان خود تامین می کند.
نه به طور خودکار. می تواند چرخه های کوتاه را کاهش دهد و عملکرد را پایدار کند، که ممکن است عملکرد فصلی را در برخی از سیستم ها بهبود بخشد. با این حال، مخزن همچنین از دست دادن گرما را معرفی می کند،و یک پمپ اضافی مصرف برق.
بله. بسیاری از سیستم های به درستی طراحی شده می توانند بدون آن کار کنند، بشرطی که حداقل جریان، حداقل حجم آب، منطقه بندی، الزامات ذوب شدن و الزامات زمان کار کمپرسور برآورده شوند.
نه لزوماً. یک سیستم گرمایش طبقه ساده با جریان ثابت اغلب می تواند با اتصال مستقیم به خوبی کار کند.سیستم های ثانویه هنگامی که گرمایش کف با رادیاتورها ترکیب می شود ارزشمندتر می شوند، اسپری های فن، مناطق چندگانه، یا نیازهای متفاوت دمای آب.
یک مخزن بافری بیش از حد بزرگ می تواند بدون ارائه مزایای کارایی معنی دار، از دست دادن گرما، هزینه نصب، نیاز به فضا و زمان پاسخ سیستم را افزایش دهد.
هنگام طراحی یک سیستم پمپ گرما هوا به آب، یکی از مهمترین تصمیمات این است که چگونه پمپ گرما باید به صورت هیدرولیکی به ترمینال های گرمایش و خنک سازی ساختمان متصل شود.
برای نصب نسبتا ساده،سیستم هیدرونیک اولیه یا مستقیمبا این حال، هنگامی که یک پروژه شامل چندین نوع واحد پایانی مانند گرمایش کف، رادیاتورها و واحدهای فن کویل است، الزامات هیدرولیکی بسیار پیچیده تر می شوند.
اینجا جاییه کهسیستم هیدرونیکی ثانویه، معمولا با استفاده از یک مخزن بافنگ و دو پمپ گردش خون، به ویژه مفید می شود.
اما آیا هر نصب پمپ گرما به یک سیستم ثانویه نیاز دارد؟
نه لزوماً
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه ثبات هیدرولیکی بهتر، انعطاف پذیری بیشتر و شرایط عملیاتی پمپ حرارتی بهبود یافته را فراهم می کند. در عین حال، هزینه سیستم را افزایش می دهد،مصرف انرژی پمپ، پیچیدگی نصب و از دست دادن گرما بالقوه.
درک این تعادل ها برای طراحی یک سیستم پمپ حرارتی موثر با منبع هوا ضروری است.
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه معمولی مدار آب را به دو حلقه هیدرولیکی تقسیم می کند.
اولین حلقهمدار اولیه پمپ گرما:
پمپ گرما → مخزن بافر → پمپ گرما
حلقه دوممدار بار ساختمان:
مخزن بافر → پمپ گردش → ترمینال های گرمایش/برد → مخزن بافر
بنابراین مخزن بافر به عنوان اتصال مشترک بین منبع گرما و بار ساختمان عمل می کند.
بر خلاف یک سیستم مستقیم، پمپ گردش پمپ حرارتی لزوماً لازم نیست تمام جریان آب مورد نیاز سیستم توزیع ساختمان را تامین کند.
این یکی از مهم ترین تفاوت های بین طرح های هیدرونیک اولیه و ثانویه است.
پمپ حرارتی و ترمینال های ساختمان همیشه نیاز به جریان آب یکسان ندارند.
یک ساختمان مجهز به:
رادیاتورها
واحد های فن کویل
گرمایش کف
هر ترمینال ممکن است با دمای آب، تفاوت های دمایی (ΔT) ، نرخ جریان، شیرهای کنترل و برنامه های عملیاتی متفاوت کار کند.
به عنوان مثال، شرایط طراحی معمولی ممکن است تقریبا به این شکل باشد:
| ترمینال | دمای طبیعی آب تامین | ΔT معمولی |
|---|---|---|
| رادیاتور | 45-60°C یا بالاتر بسته به طراحی | 10 ¢20 K |
| گرمایش کف | 30°C تا 45°C | 5 ¢10 K |
| واحد فن کویل | بسته به حالت گرمایش/برد | حدود 5 هزار |
این ارقام مرجع طراحی هستند نه قوانین جهانی؛ مقادیر واقعی همیشه باید انتخاب ترمینال و محاسبه بار گرما پروژه را دنبال کنند.
مشکل مهندسی کلیدی ساده است:
جریان مورد نیاز پمپ گرما ممکن است برابر با جریان مورد نیاز سیستم ترمینال نباشد.
یک مدار هیدرونیکی ثانویه به جدا کردن این دو نیاز هیدرولیکی کمک می کند.
پمپ های حرارتی به طور معمول نیاز به حداقل جریان آب از طریق مبادله گرما دارند.
با این حال، در یک سیستم مستقیم، ترموستات اتاق، شیرهای منطقه ای، شیرهای رادیاتور ترموستاتیک یا شیرهای کنترل فن کویل ممکن است جریان سیستم را به طور مداوم تغییر دهند.
یک خانه با هشت منطقه گرمایش را تصور کنید.
وقتي که تمام هشت ناحيه باز باشند، جريان آب ممکن است کافي باشد.
اما وقتی شش منطقه به دمای تنظیم شده خود برسند و دریچه های خود را ببندند، تنها دو منطقه فعال باقی می مانند.
مقاومت سیستم به طور چشمگیری تغییر می کند و جریان از طریق پمپ گرما ممکن است در زیر محدوده کار توصیه شده باشد.
این می تواند به مشکلات مانند:
آژیرهای ناکافی جریان آب
تفاوت بیش از حد در دمای عرضه و بازگشت
فشار فشرده سازی بالا
ظرفیت گرمایش کاهش یافته
عملکرد ناپایدار کمپرسور
دوچرخه سواری مکرر
یک سیستم ثانویه این تعامل را کاهش می دهد زیرا پمپ گرما دارای حلقه گردش اختصاصی خود است.
پمپ گرما محیط هیدرولیکی قابل پیش بینی تری را حتی وقتی جریان ساختمان تغییر می کند، می بیند.
برای پمپ های حرارتی اینورتر، این می تواند به ویژه ارزشمند باشد زیرا شرایط آب پایدار به استراتژی نوسان کمپرسور کمک می کند تا به طور موثر کار کند.
یک سیستم گرمایش هیدرونیک مدرن ممکن است شامل چندین نوع ترمینال مختلف باشد.
به عنوان مثال:
پمپ گرما → مخزن بافری → رادیاتورها + اسپری های فن + گرمایش زیر زمین
این ترمینال ها به ندرت نیاز به جریان و دمای آب یکسان دارند.
گرمایش کف معمولاً در دمای آب نسبتاً پایین کار می کند، در حالی که رادیاتورهای سنتی ممکن است به دمای بسیار بالاتر نیاز داشته باشند.فن کویل ها می توانند در هر دو حالت گرم کردن و خنک کردن کار کنند و اغلب از ΔT نسبتا کوچک در طرف آب استفاده می کنند..
یک سیستم ثانویه ایجاد شاخه های توزیع جداگانه را با استفاده از:
پمپ های گردش مستقل
دریچه های مخلوط کننده
دریچه های منطقه ای
دسته های مختلف
کنترل دما
کنترل فشار دیفرانسیل
این امر انعطاف پذیری طراحی را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.
یکی از مهم ترین اجزای بسیاری از سیستم های پمپ حرارتی ثانویهمخزن بافر.
آب ظرفیت قابل توجهی برای ذخیره گرما دارد.
بنابراین یک مخزن بافر حجم آب کل سیستم هیدرونیک را افزایش می دهد و بی وقفه حرارتی را اضافه می کند.
انرژی حرارتی ذخیره شده را می توان با:
Q = m × Cp × ΔT
کجا:
ق= انرژی حرارتی ذخیره شده
m= جرم آب
Cp= ظرفیت حرارتي خاص آب
ΔT= تفاوت دمای قابل استفاده
برای محاسبات عملی HVAC:
یک لیتر آب برای هر تغییر درجه حرارت ۱ درجه سانتیگراد، تقریباً ۱.۱۶ وات ذخیره می کند.
بنابراین یک مخزن بافری 200 لیتری که در یک محدوده دمای قابل استفاده 5 K کار می کند، تقریباً:
200 × 1.16 × 5 ≈ 1.16 کیلووات ساعت
این به این معنی نیست که یک مخزن بافر یک منبع انرژی است.
فقط انرژی را برای مدتی ذخیره می کند و بعداً آزاد می کند.
این تفاوت مهم است.
چرخه کوتاه زمانی رخ می دهد که یک پمپ گرما راه اندازی شود، به سرعت به دمای مورد نظر خود برسد، متوقف شود و سپس کمی بعد از آن دوباره راه اندازی شود.
این اغلب زمانی رخ می دهد که:
حداقل خروجی پمپ گرما > تقاضای فعلی گرما ساختمان
به عنوان مثال فرض کنید یک پمپ حرارتی اینورتر می تواند به 5 کیلو وات کاهش یابد، اما ساختمان در حال حاضر تنها به 2 کیلو وات نیاز دارد.
بدون حجم آب کافی سیستم، دمای آب تامین می تواند به سرعت افزایش یابد.
کنترل کننده به دمای مورد نظر خود می رسد و کمپرسور را متوقف می کند.
ساختمان به جذب گرما ادامه می دهد، دمای آب کاهش می یابد، و کمپرسور دوباره شروع می شود.
نتیجه ممکن است:
شروع → توقف → شروع → توقف → شروع
چرخه های مکرر کمپرسور می تواند:
کاهش بهره وری فصلی
افزایش مصرف برق
شروع کمپرسور را افزایش دهید
افزایش فرسایش قطعات
باعث عدم ثبات دمای داخلی می شود
حجم اضافی آب از یک مخزن بافری با اندازه مناسب تغییرات دمای آب را کند می کند.
به جاي:
45°C → 50°C خیلی سریع
سیستم ممکن است زمان بیشتری برای رسیدن به حد کنترل داشته باشد.
این باعث می شود که پمپ گرما چرخه کار طولانی تری داشته باشد.
ساختمان ها به ندرت به صورت مستمر با 100 درصد نیاز به گرمایش کار می کنند.
به عنوان مثال، در بهار و پاییز، تنها بخشی از ساختمان ممکن است نیاز به گرمایش داشته باشد.
بعضی از اتاق ها ممکن است به دمای تعیین شده خود برسند در حالی که برخی دیگر هنوز نیاز به گرما دارند.
این یک وضعیت جریان متغیر ایجاد می کند.
یک مدار ثانویه به پمپ سمت ساختمان اجازه می دهد تا به این تقاضای در حال تغییر پاسخ دهد در حالی که مدار سمت پمپ گرما جریان مورد نیاز پمپ گرما را حفظ می کند.
این جدایی هیدرولیکی می تواند کنترل کل سیستم را آسان تر کند.
سیستم های ثانویه به ویژه زمانی مفید می شوند که پروژه شامل:
پمپ حرارتی + مخزن بافری + چندین منطقه گرمایش + اسپری های فن + رادیاتورها + گرمایش زیر کف
همچنین برای:
ساختمان های مسکونی بزرگ
هتل ها
ساختمان های تجاری
مدارس
ویلاهای دارای چندین منطقه گرمایش
پروژه های بازسازی
سیستم های رادیاتور هیبریدی/سیستم های گرمایش کف
سیستم های گرمایش و خنک سازی با چندین نوع ترمینال
در این پروژه ها، پیچیدگی هیدرولیکی اضافی اغلب با بهبود کنترل پذیری توجیه می شود.
یک سیستم ثانویه به طور خودکار کارآمدتر نیست.
این یک نقطه بحرانی است.
قطعات بیشتری می توانند مشکلات هیدرولیکی را حل کنند، اما هر قطعه اضافی نیز هزینه و از دست دادن انرژی بالقوه را وارد می کند.
یک سیستم مستقیم معمولی ممکن است با یک پمپ گردش اصلی کار کند.
یک سیستم ثانویه به طور معمول به حداقل دو مورد نیاز دارد:
پمپ 1:پمپ حرارتی ️ مخزن بافر
پمپ دوم:مخزن بافری
مناطق گرمایشی اضافی ممکن است حتی به پمپ های بیشتری نیاز داشته باشند.
هر پمپ گردش خون برق مصرف می کند.
بنابراین:
یک سیستم ثانویه می تواند ثبات عملکرد پمپ گرما را بهبود بخشد و همزمان مصرف برق کمکی را افزایش دهد.
بنابراین سیستم باید بر اساس کل مصرف انرژی فصلی ارزیابی شود، نه تنها COP پمپ گرما.
پمپ های گردش ECM با کارایی بالا با کنترل سرعت متغیر به طور کلی ترجیح می دهند.
در مقایسه با یک اتصال مستقیم ساده، یک سیستم ثانویه ممکن است نیاز به:
مخزن بافر
پمپ گردش اضافی
لوله هاي بيشتري
دریچه های عایق بیشتری
دریچه های چک
سنسورها
لوازم افزایشی
دریچه های مخلوط کننده
کنترل های اضافی
کار نصب بیشتر
این باعث افزایش هزینه اولیه پروژه می شود.
برای یک دستگاه مسکونی کوچک با یک حلقه گرمایش طبقه ساده، پیچیدگی اضافی ممکن است همیشه مزایای کافی را فراهم نکند.
با این حال، برای یک پروژه بزرگ چند منطقه ای، هزینه اضافی ممکن است توجیه شود.
یک مخزن بافری کاملا عایق نشده است.
همچنین لوله های اضافی، شیرها و لوازم مورد نیاز برای مدار ثانویه وجود ندارد.
بنابراین از دست دادن گرما می تواند از:
دیواره های مخزن بافر
لوله های توزیع
دریچه ها و وسایل
اجسام پمپ
اتاق های مکانیکی
عایق بندی خوب می تواند این خسارات را به حداقل برساند، اما نمی تواند آنها را به طور کامل از بین ببرد.
این امر به ویژه زمانی که مخزن بافر در یک فضای بدون شرایط نصب می شود، مهم است.
اضافه کردن یک مخزن بافر به طور خودکار یک سیستم خوب ایجاد نمی کند.
یک مشکل رایج زمانی رخ می دهد که جریان اولیه و ثانویه به طور نامناسب متعادل باشند.
بذار:
Vp = جریان پمپ گرما اولیه
Vs = جریان ساختمان ثانویه
اگر:
Vp > Vs
برخی از آب های گرم ممکن است مستقیما از طریق مخزن بافر به سمت پمپ گرما برگردند.
اگر:
نسبت به Vp
ممکن است کمی آب خنک تر به منبع ثانویه مخلوط شود.
این پدیده گاهی اوقات به عنوانمخلوط کردن هیدرولیک.
مخلوط کردن بیش از حد می تواند دمای آب تحویل داده شده به ترمینال ها را تغییر دهد و ممکن است باعث شود پمپ گرما در دمای بالاتر آب خارج شود.
از آنجا که کارایی پمپ گرما به طور کلی با افزایش دمای آب مورد نیاز کاهش می یابد، طراحی هیدرولیک ضعیف می تواند COP را کاهش دهد.
یک سیستم مستقیم نسبتا ساده است.
پمپ گرما دمای آب را کنترل می کند و یک مدار هیدرولیک اصلی را کنترل می کند.
یک سیستم ثانویه ممکن است شامل:
کنترل کننده پمپ گرما
پمپ گردش اولیه
پمپ گردش ثانویه
حسگر مخزن بافر
ترموستات اتاق
دریچه های منطقه ای
شیر مخلوط کننده
جبران خسارت آب و هوا
کنترل های فن کویل
کنترل های گرمایش کف
این اجزای باید به درستی با هم کار کنند.
منطق کنترل ضعیف می تواند شرایطی را ایجاد کند که پمپ ها به طور غیر ضروری کار می کنند یا پمپ گرما زمانی کار می کند که تقاضای واقعی گرمایش کم است.
بنابراین،استراتژی کنترل به اندازه طراحی هیدرولیک مهم است.
نه، نه
این یکی از رایج ترین تصورات غلط در طراحی پمپ گرما هوا به آب است.
یک مخزن بافر باید یک مشکل مهندسی خاص را حل کند.
ممکن است مفید باشد:
حجم آب سیستم کافی نیست
مناطق گرمایشی متعدد که اغلب باز و بسته می شوند
در غیر این صورت نمی توان حداقل جریان پمپ گرما را تضمین کرد
حداقل خروجی پمپ حرارتی بیش از نیاز به بار جزئی مکرر است
چندین نوع ترمینال نیاز به جداسازی هیدرولیک دارند
عملیات یخبندان نیاز به حجم آب کافی دارد
نیازهای جریان اولیه و ثانویه به طور قابل توجهی متفاوت است
با این حال، اگر سیستم در حال حاضر حجم آب کافی، جریان پایدار، منطقه بندی مناسب و نوسان پمپ گرما خوب را فراهم کند، یک مخزن بزرگ آب خنک ممکن است مزایای اضافی کمی داشته باشد.
تصور غلط دیگری که رایج است این است:
اگه 100 ليتر خوب باشه، 500 ليتر بهتره.
این لزوماً درست نیست.
یک مخزن بافری بزرگ می تواند:
افزایش هزینه سیستم
از دست دادن گرما را افزایش دهید
افزایش حجم آب سیستم به طور غیر ضروری
زمان گرم شدن را افزایش دهید
نیاز به فضای بیشتری برای نصب
کاهش واکنش کنترل
بنابراین اندازه مخزن بافر باید بر اساس عادت محاسبه شود.
حجم صحیح بستگی به عواملی دارد که عبارتند از:
ظرفیت پمپ گرما
حداقل ظرفیت تعدیل
حداقل زمان اجرا کمپرسور
حداقل نیاز به گرما در ساختمان
حجم آب سیستم
نوسان دمای مجاز
الزامات تخلیه یخ
حداقل الزامات تولید کننده برای حجم آب
یک رابطه مهندسی ساده عبارت است از:
V ≈ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
در صورتی که حجم مورد نیاز مربوط به عدم تعادل گرما باشد که باید در طول حداقل مدت کار مورد نظر جذب شود.
در طراحی عملی، الزامات هیدرولیکی سازنده پمپ گرما همیشه باید اولویت داشته باشند.
| فاکتور طراحی | سیستم اصلی / مستقیم | سیستم ثانویه |
|---|---|---|
| مدارهای هیدرولیکی | یکی | دو تا یا بیشتر |
| پمپ های اصلی | معمولاً يک نفر | معمولا دو تا یا بیشتر |
| مخزن بافر | اختیاری | شایع |
| هزینه نصب | پایین تر | بالاتر |
| پیچیدگی هیدرولیک | پایین تر | بالاتر |
| انعطاف پذیری چند منطقه ای | متوسط | بالا |
| تحمل جریان متغیر | حساس تر | بهتره |
| جاودانگی حرارتی | پایین تر | بالاتر |
| پیشگیری از چرخه کوتاه مدت | بستگی به حجم سیستم داره | به طور کلی راحت تر |
| مصرف برق پمپ | پایین تر | بالاتر |
| بهترین درخواست | سیستم های ساده | سیستم های پیچیده / چند منطقه ای |
هیچکدام از این دو طراحی به طور جهانی بهتر نیستند.
انتخاب درست بستگی به ساختمان و شرایط عملیاتی دارد.
به عنوان مثال یک خانه با یک پمپ گرما هوا به آب با:
منطقه A:گرمایش کف
منطقه ب:رادیاتورها
منطقه C:واحد های فن کویل
در طول زمستان، هر سه منطقه ممکن است کار کنند.
در آب و هوای معتدل، ممکن است فقط بخاری کف کف نیاز به گرما داشته باشد.
در تابستان، فقط کول های فن می توانند برای خنک کردن کار کنند.
بنابراین جریان سیستم در طول سال تغییر قابل توجهی دارد.
طراحی هیدرونیکی ثانویه می تواند پمپ گرما را قادر سازد تا جریان اولیه پایدار را حفظ کند در حالی که سیستم توزیع ثانویه به طور مستقل به تقاضای ساختمان پاسخ می دهد.
یک پیکربندی معمولی می تواند:
پمپ حرارتی منبع هوا
↓
پمپ گردش خون اصلی
↓
مخزن بافر
↓
پمپ ثانویه / دسته توزیع
↓
رادیاتورها + کول های فن + گرمایش زیر زمین
برای مدار حرارتی کف کف نیز ممکن است یک تنظیم مخلوط کننده مورد نیاز باشد اگر دمای مورد نیاز آن از دمای دیگر ترمینال ها پایین تر باشد.
به همین دلیل است که سیستم های هیدرونیکی ثانویه در پروژه های پمپ گرما پیچیده تر رایج هستند.
هدف از یک سیستم ثانویه این نیست که فقط یک مخزن بافر اضافه شود.
هدف اصلی آن مدیریت رابطه بین:
منبع گرما ️ جریان آب ️ ذخیره سازی حرارتی ️ بار ساختمان
یک سیستم به خوبی طراحی شده این چهار عنصر را در تعادل نگه می دارد.
اگر پمپ حرارتی حرارت بیشتری از آنچه ساختمان در حال حاضر مصرف می کند تولید کند، سیستم به ظرفیت حرارتی و منطق کنترل کافی برای جلوگیری از افزایش سریع دمای و خاموش شدن کمپرسور نیاز دارد.
اگر ساختمان نیاز به گرما بیشتر از آن باشد که پمپ گرما در حال حاضر تولید می کند، گرما ذخیره شده در سیستم می تواند به طور موقت سرعت کاهش دمای آب را کاهش دهد.
این بی وقفه حرارتی کمک می کند تا عدم تطابق بین خروجی فوری پمپ حرارتی و تقاضای ساختمان را صاف کند.
با این حال، ذخیره سازی حرارتی انرژی ایجاد نمی کند.
در نهایت:
گرما تولید شده توسط پمپ گرما = گرما تحویل داده شده به ساختمان + زیان سیستم ± تغییر در انرژی حرارتی ذخیره شده
این تعادل انرژی پایه و اساس طراحی پمپ حرارتی هیدرونیک است.
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه می تواند یک راه حل عالی باشد زمانی که یک پمپ حرارتی منبع هوا به یک ساختمان پیچیده با جریان آب متغیر، چندین منطقه گرمایش یا واحدهای پایانی مختلف خدمت می کند.
مزایای اصلی آن عبارتند از:
جریان ثابت پمپ گرما، جدایی هیدرولیکی، افزایش حجم آب سیستم، کاهش چرخه کوتاه و انعطاف پذیری بیشتر چند منطقه ای.
معایب اصلی آن عبارتند از:
هزینه های اولیه بالاتر، برق پمپ اضافی، پیچیدگی نصب بیشتر، از دست دادن گرما اضافی و امکان مخلوط هیدرولیک در صورت طراحی ضعیف سیستم.
بنابراین سوال مهندسی نباید این باشد:
آیا هر پمپ گرما باید یک مخزن بافر داشته باشد؟
يه سوال بهتر اينه که:
آیا این سیستم خاص نیاز به جداسازی هیدرولیکی یا جرم حرارتی اضافی برای حفظ عملکرد ثابت و کارآمد پمپ گرما دارد؟
این سوال منجر به طراحی بسیار بهتر HVAC می شود.
یک سیستم هیدرونیکی ثانویه مدار پمپ گرما را از مدار توزیع ساختمان جدا می کند.این دو مدار به طور معمول از طریق یک مخزن بافری یا یک شکل دیگر از جدایی هیدرولیکی متصل می شوند.
یک پمپ جریان آب مورد نیاز را از طریق پمپ گرما حفظ می کند، در حالی که پمپ دوم به سمت پایانه های گرمایش یا خنک سازی ساختمان با توجه به نیازهای جریان خود تامین می کند.
نه به طور خودکار. می تواند چرخه های کوتاه را کاهش دهد و عملکرد را پایدار کند، که ممکن است عملکرد فصلی را در برخی از سیستم ها بهبود بخشد. با این حال، مخزن همچنین از دست دادن گرما را معرفی می کند،و یک پمپ اضافی مصرف برق.
بله. بسیاری از سیستم های به درستی طراحی شده می توانند بدون آن کار کنند، بشرطی که حداقل جریان، حداقل حجم آب، منطقه بندی، الزامات ذوب شدن و الزامات زمان کار کمپرسور برآورده شوند.
نه لزوماً. یک سیستم گرمایش طبقه ساده با جریان ثابت اغلب می تواند با اتصال مستقیم به خوبی کار کند.سیستم های ثانویه هنگامی که گرمایش کف با رادیاتورها ترکیب می شود ارزشمندتر می شوند، اسپری های فن، مناطق چندگانه، یا نیازهای متفاوت دمای آب.
یک مخزن بافری بیش از حد بزرگ می تواند بدون ارائه مزایای کارایی معنی دار، از دست دادن گرما، هزینه نصب، نیاز به فضا و زمان پاسخ سیستم را افزایش دهد.