Ein einschaltendes hydronisches Wärmepumpensystem kann einfach, effizient und kostengünstig sein, aber nur, wenn die hydraulischen Bedingungen innerhalb der Betriebsanforderungen der Wärmepumpe bleiben.
Bei echten Heiz- und Kühlprojekten kann eine Luft-Wasser-Wärmepumpe an verschiedene Arten von Endgeräten angeschlossen werden, darunter:
Fußbodenheizung
mit einer Leistung von mehr als 50 kW
mit einer Breite von nicht mehr als 15 mm
mit einer Breite von mehr als 20 mm
andere elektrische Heiz- oder Kühlgeräte
Diese Endgeräte arbeiten nicht immer gleichzeitig.
Wenn die Thermostate ihre eingestellten Werte erreichen, können sich die Zonenventile schließen. Die Steuerventile der Lüfterspulen können moduliert werden. Die Filter können schmutzig werden. Der Widerstand des Systems kann sich ändern.
Als Ergebnis,Der tatsächliche Wasserfluss durch die Wärmepumpe kann sich stark von der Konstruktionsdurchflussrate unterscheiden..
Dies ist eine der wichtigsten technischen Herausforderungen in einer direkt verbundenen oder einschaltenden Wärmepumpenanlage.
Jede hydronische Wärmepumpe ist unter bestimmten Betriebsbedingungen konzipiert und geprüft.
Dazu gehören in der Regel:
Außenlufttemperatur
Wassertemperatur eingeben
Ablasswassertemperatur
Wasserflussrate
Versorgungs-Rückwärme-Temperaturunterschied oder ΔT
Unter diesen ParameternWasserdurchfluss ist besonders wichtig für den Wärmetauscher am Wasser.
Die grundlegende Wärmeübertragung ist:
Q = ṁ × Cp × ΔT
Für wasserbasierte HVAC-Systeme kann dies auf folgende Weise vereinfacht werden:
Q ≈ 1,163 × V × ΔT
Wo:
Q= Wärmeübertragungskapazität, kW
V= Wasserdurchfluss, m3/h
ΔT= Wassertemperaturunterschied, K
Diese Gleichung erklärt, warum Wasserfluss und ΔT nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können.
Für eine bestimmte Wärmeübertragungsrate:
Niedrigerer Durchfluss → Höherer ΔT
und
Höherer Durchfluss → niedriger ΔT
Angenommen, eine Wärmepumpe ist so konstruiert, dass sie bei
Entwurfswasserdurchfluss = 4,0 m3/h
Wenn der tatsächliche Systemdurchfluss um 20% sinkt, wird der Durchfluss:
3.2 m3/h
Wenn die Wärmepumpe immer noch versucht, ungefähr die gleiche Menge an Energie zu übertragen, muss sich die Wasserseite ΔT erhöhen.
Zum Beispiel:
Konstruktionszustand
20 kW = 1,163 × 3,44 m3/h × 5 K
Falls der Durchfluss auf etwa 2,75 m3/h sinkt, während die Wärmeübertragung 20 kW bleibt:
ΔT ≈ 6,25 K
Das System beginnt sich daher von seinem ursprünglichen Konstruktionszustand zu entfernen.
Eine moderate Abweichung kann überschaubar sein.
Eine große Abweichung mag nicht sein.
Ein unzureichender Wasserfluss erhöht nicht nur die ΔT.
Es kann folgende Auswirkungen haben:
Leistung des Wärmetauschers
Kondensationsdruck des Kältemittels
Temperatur der Abdampfung des Kältemittels
Betriebsbedingungen des Kompressors
Ablassen der Wassertemperatur
Heiz- oder Kühlkapazität
COP/EER
Auftauchvorgang
Systemzuverlässigkeit
Die Folgen sind bei Heiz- und Kühlbetrieb unterschiedlich.
Während des Heizmodus überträgt das Kältemittel durch den Kondensator Wärme an das zirkulierende Wasser.
Wenn der Wasserstrom zu niedrig wird, kann das Wasser die Wärme aus dem Kühlmittelwärmetauscher nicht schnell genug entfernen.
Dies kann dazu führen, daß die Temperatur des ausgehenden Wassers rasch ansteigt.
Gleichzeitig können die Kondensationstemperatur und der Druck des Kältemittels steigen.
In schweren Fällen kann bei der Wärmepumpe Folgendes auftreten:
Hochdruckschutz
Übermäßige Entladetemperatur
Unstabile Abwassertemperatur
Kompressorzyklus
Verringerte Betriebseffizienz
Warmtewechsler-Schutzwarnsignale
Die genaue Reaktion hängt vom Kühlkreislauf der Wärmepumpe und der Steuerlogik ab.
Normaler Fluss
Wärmepumpe
↓
Ausreichender Wasserfluss
↓
Stabile Wärmeübertragung
↓
Stabiler Kondensationsdruck
↓
Normalbetrieb
Unzureichender Fluss
Wärmepumpe
↓
Verringerte Wassermenge
↓
Verringerte Wärmeentfernung
↓
Höhere Wasserseite ΔT
↓
Höhere Kondensationstemperatur/Druck
↓
Möglicher Schutz gegen Hochdruck
Deshalb ist es unerlässlich, den Mindestfluss zu halten.
Während des Kühlvorgangs entfernt die Wärmepumpe die Wärme aus dem zirkulierenden Wasser.
Der Wärmetauscher an der Wasserseite arbeitet nun als Verdampfer.
Wenn der Wasserstrom zu niedrig wird, kann die Wassertemperatur im Wärmetauscher übermäßig sinken.
Dies kann folgende Folgen haben:
Niedriger Wasserstrom → Niedrigere Verdunstungstemperatur → Gefahr von Gefrieren
Wenn der Zustand schwer wird, kann das Wasser im Plattenwärmetauscher einfrieren.
Durch die Ausdehnung des Eises kann der Wärmetauscher mechanisch beschädigt werden.
Dies ist ein ernster Fehler, denn ein beschädigter Plattenwärmetauscher kann Wasser in den Kältemittelkreislauf führen.
Daher müssen bei Kühlsystemen besonders sorgfältig berücksichtigt werden:
Mindestwasserdurchfluss
Schutz der Strömungsschalter
Schutz vor Wassertemperaturen
Antifrieschutz
Wasserqualität
Glykolkonzentration bei Bedarf
Pumpenbetriebslogik
Dies ist eines der wichtigsten Konzepte bei der Konzeption von Single-Loop-Systemen.
Während der Inbetriebnahme dürfen alle Endkreise offen sein.
Der Installateur misst das System und alles erscheint normal.
Zum Beispiel:
Entwurfsstrom der Wärmepumpe: 4,0 m3/h
Messung des Inbetriebnahmeflusses: 4,1 m3/h
Alles sieht richtig aus.
Aber was passiert, wenn das Gebäude wieder normal funktioniert?
Angenommen, das System enthält sechs Lüfter-Spule-Einheiten.
Bei voller Ladung:
FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = ausreichender Gesamtfluss
Später erreichen fünf Räume ihre Thermostat-Einstellungen.
Fünf Motorventile schließen.
Nur eine Lüfterspule bleibt aktiv.
Der hydraulische Widerstand des Systems ändert sich dramatisch.
Die Wärmepumpe kann nun weit weniger Wasser als den erforderlichen Mindestdurchfluss erhalten.
Das bedeutet:
Ein System, das während der Inbetriebnahme ordnungsgemäß funktioniert, funktioniert möglicherweise nicht unter Teillastbedingungen.
Dies ist besonders für Wechselrichterwärmepumpen wichtig, da Gebäude einen erheblichen Teil der Heizsaison mit Teillastbetrieb verbringen.
Verschiedene Endgeräte haben unterschiedliche hydraulische Eigenschaften.
Zum Beispiel:
Der Fluss wird durch:
Anzahl der aktiven Schleifen
Mehrfach-Balancierung
Rohrlänge
Rohrdurchmesser
Position des Aktoren
Mischventile
Thermostatsteuerung
Der Fluss kann sich ändern, wenn:
Zwei-Wege-Ventile schließen
Steuerventile modulieren
Die Zweige der Ventilatorspulen sind isoliert
Filter werden schmutzig.
Der Strom kann je nach folgenden Bedingungen variieren:
mit einer Leistung von mehr als 1000 W
Ausgleichsventile
Zonenventile
Differenzdruck
Daher sollte der Konstrukteur nicht nur dieKonstruktionszustand bei voller Last.
Das hydraulische System muß auch unterMindestlastbedingungen.
In einem direkt angeschlossenen System muss eine Umlaufpumpe möglicherweise den Druckwiderstand von
Wärmepumpe + Rohrleitung + Ventile + Filter + Gurt + Endgeräte
Der erforderliche Betriebspunkt der Pumpe beträgt daher:
Entwurfsströmungsrate + Gesamtdynamischer Kopf
Der Endwiderstand ist jedoch nicht unbedingt konstant.
Wenn sich die Ventile schließen, ändert sich die Systemwiderstandskurve.
Aus diesem Grund ist die einfache Auswahl einer "größeren Pumpe" nicht immer eine gute Lösung.
Eine übergroße Zirkulationspumpe kann folgende Ursachen haben:
Übermäßiger Durchfluss
Übermäßiger Differenzdruck
Strömungslärm
Probleme mit der Ventilautorität
Erhöhter Stromverbrauch der Pumpe
Verringertes System ΔT
Schlechte Kontrollstabilität
Ziel ist nicht, die größte Pumpe auszuwählen.
Ziel ist es, eine Pumpe auszuwählen, die im erwarteten hydraulischen Bereich ordnungsgemäß funktioniert.
Bei den meisten Luft-Wasser-Wärmepumpen ist ein Mindestdurchfluss angegeben.
Zum Beispiel:
Entwurfsstrom: 4,0 m3/h
Mindestdurchfluss: 2,5 m3/h
Der Systementwickler muss sicherstellen, dass der tatsächliche Wärmepumpenstrom nicht unter 2,5 m3/h sinkt, auch wenn mehrere Endzonen geschlossen sind.
Dies unterscheidet sich grundsätzlich von der einfachen Bestätigung, dass der Konstruktionsfluss bei voller Last verfügbar ist.
Eine gute hydraulische Konstruktion sollte daher zwei Fragen beantworten:
Kann das System bei maximaler Belastung den erforderlichen Entwurfsstrom liefern?
Kann das System den Mindeststrom der Wärmepumpe bei Mindestlast beibehalten?
Beide Bedingungen sind wichtig.
Um die Wärmepumpe zu schützen, wird üblicherweise ein Strömungsschalter eingebaut.
Sein Zweck ist einfach:
Ausreichender Stromfluss → Betrieb der Wärmepumpe erlaubt
Unzureichender Strom → Wärmepumpe eingestellt/geschützt
Das ist eine wichtige Sicherheitsvorrichtung.
Allerdings:
Ein Durchflussschalter schützt die Wärmepumpe vor einem schlechten hydraulischen Zustand; er korrigiert den hydraulischen Zustand nicht.
Diese Unterscheidung ist entscheidend.
Wenn die Wärmeventile den Wasserfluss kontinuierlich unter den Mindestbedarf reduzieren, kann der Durchflussschalter die Wärmepumpe wiederholt abstellen.
Die Ausrüstung wird geschützt, aber die Heizung funktioniert immer noch nicht richtig.
Daher sollten Strömungsschutz und hydraulisches Design niemals verwechselt werden.
Zwei-Wege-Ventile werden in modernen HVAC-Systemen weit verbreitet.
Wenn ein Raum Heizung benötigt:
Thermostat eingeschaltet → Ventil geöffnet → Wasserströme
Wenn der Raum den Setpoint erreicht:
Thermostat aus → Ventil schließt sich → Wasserfluss stoppt
Dies ermöglicht eine ausgezeichnete Kontrolle auf Raumebene.
In einem Einschlusssystem reduziert das Schließen mehrerer Zweiwegventile jedoch den Gesamtstrom des Systems.
Zum Beispiel:
6 offenen Zonen
→ 100% Design-Flow
→ Wärmepumpe funktioniert normal
3 offenen Zonen
→ Reduzierter Durchfluss
→ Die Wärmepumpe funktioniert möglicherweise noch normal
1 offene Zone
→ Sehr geringer Systemdurchfluss
→ Der Mindestdurchfluss der Wärmepumpe ist möglicherweise nicht erfüllt
Dies ist eine der häufigsten hydraulischen Herausforderungen in direkt verbundenen Mehrzonensystemen.
Eine mögliche Lösung ist eineUmgehungsventil mit Differenzdruck.
Die Umleitung ist zwischen den Versorgungs- und Rückleitungsanlagen installiert.
Bei offenen Endventilen:
Differenzdruck niedrig → Bypass geschlossen
Wasser fließt durch die Endgeräte.
Wenn sich die Endventile schließen:
Systemwiderstand ↑
Differenzdruck ↑
Das Bypassventil öffnet sich allmählich.
Ein Teil des Zufuhrwassers umgeht dann das Endsystem und kehrt direkt zur Wärmepumpe zurück.
Das hilft, die Durchblutung zu minimieren.
Wärmepumpenversorgung
↓
Schaltkreis
↓
Zurück
Aber wenn der Endfluss abnimmt:
Versorgung → Differentialdruckumgehung → Rückkehr
Dies kann dazu beitragen, den Mindeststrom der Wärmepumpe zu schützen.
Der Umleitungsstrom muss jedoch ordnungsgemäß konstruiert sein, da ein übermäßiges Umgehen die Rückwassertemperatur während der Heizung erhöhen und die nutzbare Wärmeversorgung des Gebäudes reduzieren kann.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Dreihand-Steuerventilen.
Im Gegensatz zu einem zweiseitigen Ventil, das den Wasserfluss einfach stoppt, kann eine dreiseitige Anordnung den Fluss durch einen Umleitungsweg umleiten.
Konzeptionell:
Ein Zimmer braucht Heizung
Versorgung → Terminal → Rückgabe
Ein Zimmer braucht keine Heizung
Versorgung → Umgehung → Rückkehr
Dadurch kann ein stabilerer primärer Durchblutungsfluss aufrechterhalten werden.
Drei-Wege-Ventile erzeugen jedoch auch einen kontinuierlichen Bypassfluss und können die Pumpenenergie erhöhen.
Daher sollte die Wahl zwischen Zwei- und Dreihandventilen eher auf der Grundlage der vollständigen hydraulischen Konstruktion als auf der Grundlage der Komponentenpräferenz erfolgen.
Durch Umlaufpumpen mit variabler Drehzahl kann die Effizienz des hydronischen Systems erheblich verbessert werden.
Zu den gängigen Steuerungsarten gehören:
Konstante Geschwindigkeit
Konstante Differenzdruck
Verhältnismäßiger Differenzdruck
Außensteuerung 0 ∼ 10 V
PWM-Steuerung
Wärmepumpen-Integrierte Drehzahlregelung
Wenn sich die Endventile schließen, kann eine Pump mit variabler Geschwindigkeit ihre Geschwindigkeit verringern.
Dies kann dazu beitragen:
Pumpenenergie
Differenzdruck
Strömungslärm
Ventilspannung
Die Pumpe darf jedoch die Drehzahl nicht so stark verringern, dass der Wärmepumpenstrom unter das erforderliche Minimum fällt.
Daher:
Variable Pumpenregelung ≠ unbegrenzte Durchflussminderung
Der Mindestdurchflussbedarf der Wärmepumpe bleibt die Regulierungsbeschränkung.
Durchflussprobleme werden nicht immer durch Steuerventile verursacht.
Ein schmutziger Y-Strainer oder ein magnetischer Schmutzseparator kann den Druckverlust des Systems allmählich erhöhen.
Die Progression kann wie folgt aussehen:
Rein Filter
↓
Normaler Druckabfall
↓
Normaler Fluss
Dann:
Verschmutzung
↓
Höherer Druckabfall
↓
Niedrigere Wassermenge
↓
Höhere ΔT
↓
Leistungsprobleme der Wärmepumpe
Deshalb sollten die Inbetriebnahme und Wartung Folgendes umfassen:
Durchflussmessung
Messung des Zufuhr-/Rückdruckes
Inspektion der Filter
Reinigung der Spülmaschine
Luftentfernung
Kontrollen der Wasserqualität
Ein System, das als neues ordnungsgemäß funktionierte, kann später aufgrund von Verschmutzung oder eingeschlossener Luft hydraulische Probleme haben.
Die Ansammlung in der Luft kann folgende Ursachen haben:
Verringerte Wirkungsdurchflussmenge
Kavitation der Pumpe
Geräusche
Ungleichmäßige Heizung
Lokalisierte Durchblutungsprobleme
Durchflussschalter-Alarme
Automatische Lüftungsöffnungen, Luftseparatoren, korrekter Systemdruck und ordnungsgemäße Inbetriebnahmeverfahren sind daher wichtige Bestandteile der hydraulischen Konstruktion einer Wärmepumpe.
Eine reversible Luft-Wasser-Wärmepumpe sollte nicht nur im Heizmodus hydraulisch bewertet werden.
Heizung und Kühlung stellen unterschiedliche Risiken dar.
Hauptsächliche Sorge bei unzureichendem Durchfluss:
Schlechte Wärmeabstoßung → Hohe Kondensationstemperatur/Druck
Hauptsächliche Sorge bei unzureichendem Durchfluss:
Übermäßige Wasserkühlung → Niedrige Verdunstungstemperatur → Gefahr des Einfrierens
Daher ist ein System, das für die Heizung geeignet ist, nicht automatisch für die Kühlung geeignet.
Dies ist besonders wichtig für Systeme, bei denen
mit einer Breite von nicht mehr als 15 mm
Kühlwasser-AHU
Strahlenkühlung
Prozesskühlung bei niedrigen Temperaturen
Vor der Inbetriebnahme einer einschaltenden Wärmepumpenanlage ist Folgendes zu überprüfen:
Wärmepumpe
✓ Entwurf des Wasserflusses
✓ Mindestdurchfluss
✓ Höchstzulässiger Durchfluss
✓ Mindestwasservolumen des Systems
✓ Heizung - Ablasswassertemperatur
✓ Abkühlungs-Wassertemperatur
Umlaufpumpe
✓ Entwurfsfluss
✓ Verfügbarer Kopf
✓ Steuerungsmodus
✓ Mindestgeschwindigkeit
✓ Pumpenkurve
Hydraulisches Netz
✓ Rohrdurchmesser
✓ Gesamtdruckverlust
✓ Widerstand der Ventile
✓ Filterwiderstand
✓ Abfall des Enddruckes
✓ Hydraulische Ausbalancierung
Terminalsteuerung
✓ Anzahl der Zonen
✓ Zwei- oder Dreihandventile
✓ Mindestzahl der offenen Schaltkreise
✓ Teillastdurchfluss
✓ Umgehungspflicht
Schutz
✓ Strömungsschalter
✓ Einfrierschutz
✓ Hochdruckschutz
✓ Automatische Lüftung
✓ Expansionsgefäß
✓ Sicherheitsventil
Das Wichtigste:
Überprüfen Sie das Hydrauliksystem bei maximaler und minimaler Belastung.
Bei einer Wärmepumpenanlage mit einem Schleife sind die Wärmepumpe und das Verteilnetz des Gebäudes hydraulisch verbunden.
Das bedeutet, dass jede Änderung an der Terminalseite die Wärmepumpe beeinflussen kann.
Ein Thermostat schließt ein Ventil.
↓
Systemwiderstand ändert sich.
↓
Der Wasserfluss ändert sich.
↓
Wärmepumpe ΔT ändert sich.
↓
Die Betriebsbedingungen der Kältemittel ändern sich.
↓
Kapazität, Effizienz und Zuverlässigkeit können sich ändern.
Deshalb kann das hydronische Design nicht von der Auswahl der Wärmepumpe getrennt werden.
Ein einschaltbares hydronisches Wärmepumpensystem kann eine einfache und hocheffiziente Lösung für die Heizung und Kühlung von Wohnungen und leichten Gewerbeanlagen bieten.
Aber ein erfolgreicher Betrieb hängt stark davon ab,Stabilität des Wasserflusses.
Der Konstrukteur muss nicht nur die Nennwärmepumpenkapazität berücksichtigen, sondern auch:
Entwurfsdurchfluss → Mindestdurchfluss → ΔT → Druckabfall → Pumpenwahl → Endwiderstand → Zonenkontrolle → Umgehungsstrategie → Systemschutz
Eine Wärmepumpe kann während der Inbetriebnahme vollkommen funktionieren, wenn alle Endgeräte offen sind, aber instabil werden, wenn das Gebäude zum Teillastbetrieb übergeht.
Daher ist eines der wichtigsten Prinzipien bei der Konstruktion von Wärmepumpensystemen:
Entwerfen Sie das hydraulische System nicht nur für die volle Last, sondern für den gesamten Betriebsbereich.
Die Erhaltung eines ausreichenden Wasserflusses durch die Wärmepumpe unter allen erwarteten Betriebsbedingungen ist fürEffizienz, Komfort, Zuverlässigkeit des Kompressors, Gefrierschutz und langfristige Systemleistung.
Der geringe Wasserdurchfluss erhöht die Temperaturdifferenz am Wasserrand und kann die Leistung des Wärmetauschers verringern.Schwere Niedrigflussbedingungen können zu hohem Kondensationsdruck und Schutzwarnungen beitragen.Im Kühlmodus kann ein unzureichender Durchfluss das Risiko von zu niedrigem Wasser und Verdunstung erhöhen.
Der Mindestdurchfluss stellt sicher, dass der Wärmetauscher auf der Wasserseite die benötigte Wärmeenergie ohne übermäßige Temperaturänderungen oder instabile Betriebsbedingungen des Kältemittels kontinuierlich übertragen kann.
Bei der Auswahl der Pumpe müssen sowohl der erforderliche Durchfluss als auch der Systemkopf berücksichtigt werden.Geräusche und Differenzdruck ohne Korrektur des zugrunde liegenden hydraulischen Konstruktionsproblems.
Das Schließen von Zonenventilen erhöht den hydraulischen Widerstand des Verteilersystems und entfernt parallele Durchflusswege.
Nein, ein Durchflussschalter ist vor allem eine Schutzvorrichtung, die die Wärmepumpe stoppen kann, wenn die Durchblutung unzureichend wird, aber sie korrigiert nicht die hydraulische Ursache für einen geringen Durchfluss.
Es kann in direkt angeschlossenen Systemen mit variablem Stromfluss nützlich sein, bei denen die Endventile geschlossen werden können und eine minimale Zirkulation durch die Wärmepumpe aufrechterhalten werden muss.Die Einstellung und der Umgehungsfluss sollten nicht willkürlich ausgewählt werden, sondern konstruiert werden.
Ja, aber der Konstrukteur muß dafür sorgen, daß der Mindestdurchfluss und das Wasservolumen der Wärmepumpe erfüllt bleiben, wenn nur eine kleine Anzahl von Zonen Heizung oder Kühlung benötigen.
Ein einschaltendes hydronisches Wärmepumpensystem kann einfach, effizient und kostengünstig sein, aber nur, wenn die hydraulischen Bedingungen innerhalb der Betriebsanforderungen der Wärmepumpe bleiben.
Bei echten Heiz- und Kühlprojekten kann eine Luft-Wasser-Wärmepumpe an verschiedene Arten von Endgeräten angeschlossen werden, darunter:
Fußbodenheizung
mit einer Leistung von mehr als 50 kW
mit einer Breite von nicht mehr als 15 mm
mit einer Breite von mehr als 20 mm
andere elektrische Heiz- oder Kühlgeräte
Diese Endgeräte arbeiten nicht immer gleichzeitig.
Wenn die Thermostate ihre eingestellten Werte erreichen, können sich die Zonenventile schließen. Die Steuerventile der Lüfterspulen können moduliert werden. Die Filter können schmutzig werden. Der Widerstand des Systems kann sich ändern.
Als Ergebnis,Der tatsächliche Wasserfluss durch die Wärmepumpe kann sich stark von der Konstruktionsdurchflussrate unterscheiden..
Dies ist eine der wichtigsten technischen Herausforderungen in einer direkt verbundenen oder einschaltenden Wärmepumpenanlage.
Jede hydronische Wärmepumpe ist unter bestimmten Betriebsbedingungen konzipiert und geprüft.
Dazu gehören in der Regel:
Außenlufttemperatur
Wassertemperatur eingeben
Ablasswassertemperatur
Wasserflussrate
Versorgungs-Rückwärme-Temperaturunterschied oder ΔT
Unter diesen ParameternWasserdurchfluss ist besonders wichtig für den Wärmetauscher am Wasser.
Die grundlegende Wärmeübertragung ist:
Q = ṁ × Cp × ΔT
Für wasserbasierte HVAC-Systeme kann dies auf folgende Weise vereinfacht werden:
Q ≈ 1,163 × V × ΔT
Wo:
Q= Wärmeübertragungskapazität, kW
V= Wasserdurchfluss, m3/h
ΔT= Wassertemperaturunterschied, K
Diese Gleichung erklärt, warum Wasserfluss und ΔT nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können.
Für eine bestimmte Wärmeübertragungsrate:
Niedrigerer Durchfluss → Höherer ΔT
und
Höherer Durchfluss → niedriger ΔT
Angenommen, eine Wärmepumpe ist so konstruiert, dass sie bei
Entwurfswasserdurchfluss = 4,0 m3/h
Wenn der tatsächliche Systemdurchfluss um 20% sinkt, wird der Durchfluss:
3.2 m3/h
Wenn die Wärmepumpe immer noch versucht, ungefähr die gleiche Menge an Energie zu übertragen, muss sich die Wasserseite ΔT erhöhen.
Zum Beispiel:
Konstruktionszustand
20 kW = 1,163 × 3,44 m3/h × 5 K
Falls der Durchfluss auf etwa 2,75 m3/h sinkt, während die Wärmeübertragung 20 kW bleibt:
ΔT ≈ 6,25 K
Das System beginnt sich daher von seinem ursprünglichen Konstruktionszustand zu entfernen.
Eine moderate Abweichung kann überschaubar sein.
Eine große Abweichung mag nicht sein.
Ein unzureichender Wasserfluss erhöht nicht nur die ΔT.
Es kann folgende Auswirkungen haben:
Leistung des Wärmetauschers
Kondensationsdruck des Kältemittels
Temperatur der Abdampfung des Kältemittels
Betriebsbedingungen des Kompressors
Ablassen der Wassertemperatur
Heiz- oder Kühlkapazität
COP/EER
Auftauchvorgang
Systemzuverlässigkeit
Die Folgen sind bei Heiz- und Kühlbetrieb unterschiedlich.
Während des Heizmodus überträgt das Kältemittel durch den Kondensator Wärme an das zirkulierende Wasser.
Wenn der Wasserstrom zu niedrig wird, kann das Wasser die Wärme aus dem Kühlmittelwärmetauscher nicht schnell genug entfernen.
Dies kann dazu führen, daß die Temperatur des ausgehenden Wassers rasch ansteigt.
Gleichzeitig können die Kondensationstemperatur und der Druck des Kältemittels steigen.
In schweren Fällen kann bei der Wärmepumpe Folgendes auftreten:
Hochdruckschutz
Übermäßige Entladetemperatur
Unstabile Abwassertemperatur
Kompressorzyklus
Verringerte Betriebseffizienz
Warmtewechsler-Schutzwarnsignale
Die genaue Reaktion hängt vom Kühlkreislauf der Wärmepumpe und der Steuerlogik ab.
Normaler Fluss
Wärmepumpe
↓
Ausreichender Wasserfluss
↓
Stabile Wärmeübertragung
↓
Stabiler Kondensationsdruck
↓
Normalbetrieb
Unzureichender Fluss
Wärmepumpe
↓
Verringerte Wassermenge
↓
Verringerte Wärmeentfernung
↓
Höhere Wasserseite ΔT
↓
Höhere Kondensationstemperatur/Druck
↓
Möglicher Schutz gegen Hochdruck
Deshalb ist es unerlässlich, den Mindestfluss zu halten.
Während des Kühlvorgangs entfernt die Wärmepumpe die Wärme aus dem zirkulierenden Wasser.
Der Wärmetauscher an der Wasserseite arbeitet nun als Verdampfer.
Wenn der Wasserstrom zu niedrig wird, kann die Wassertemperatur im Wärmetauscher übermäßig sinken.
Dies kann folgende Folgen haben:
Niedriger Wasserstrom → Niedrigere Verdunstungstemperatur → Gefahr von Gefrieren
Wenn der Zustand schwer wird, kann das Wasser im Plattenwärmetauscher einfrieren.
Durch die Ausdehnung des Eises kann der Wärmetauscher mechanisch beschädigt werden.
Dies ist ein ernster Fehler, denn ein beschädigter Plattenwärmetauscher kann Wasser in den Kältemittelkreislauf führen.
Daher müssen bei Kühlsystemen besonders sorgfältig berücksichtigt werden:
Mindestwasserdurchfluss
Schutz der Strömungsschalter
Schutz vor Wassertemperaturen
Antifrieschutz
Wasserqualität
Glykolkonzentration bei Bedarf
Pumpenbetriebslogik
Dies ist eines der wichtigsten Konzepte bei der Konzeption von Single-Loop-Systemen.
Während der Inbetriebnahme dürfen alle Endkreise offen sein.
Der Installateur misst das System und alles erscheint normal.
Zum Beispiel:
Entwurfsstrom der Wärmepumpe: 4,0 m3/h
Messung des Inbetriebnahmeflusses: 4,1 m3/h
Alles sieht richtig aus.
Aber was passiert, wenn das Gebäude wieder normal funktioniert?
Angenommen, das System enthält sechs Lüfter-Spule-Einheiten.
Bei voller Ladung:
FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = ausreichender Gesamtfluss
Später erreichen fünf Räume ihre Thermostat-Einstellungen.
Fünf Motorventile schließen.
Nur eine Lüfterspule bleibt aktiv.
Der hydraulische Widerstand des Systems ändert sich dramatisch.
Die Wärmepumpe kann nun weit weniger Wasser als den erforderlichen Mindestdurchfluss erhalten.
Das bedeutet:
Ein System, das während der Inbetriebnahme ordnungsgemäß funktioniert, funktioniert möglicherweise nicht unter Teillastbedingungen.
Dies ist besonders für Wechselrichterwärmepumpen wichtig, da Gebäude einen erheblichen Teil der Heizsaison mit Teillastbetrieb verbringen.
Verschiedene Endgeräte haben unterschiedliche hydraulische Eigenschaften.
Zum Beispiel:
Der Fluss wird durch:
Anzahl der aktiven Schleifen
Mehrfach-Balancierung
Rohrlänge
Rohrdurchmesser
Position des Aktoren
Mischventile
Thermostatsteuerung
Der Fluss kann sich ändern, wenn:
Zwei-Wege-Ventile schließen
Steuerventile modulieren
Die Zweige der Ventilatorspulen sind isoliert
Filter werden schmutzig.
Der Strom kann je nach folgenden Bedingungen variieren:
mit einer Leistung von mehr als 1000 W
Ausgleichsventile
Zonenventile
Differenzdruck
Daher sollte der Konstrukteur nicht nur dieKonstruktionszustand bei voller Last.
Das hydraulische System muß auch unterMindestlastbedingungen.
In einem direkt angeschlossenen System muss eine Umlaufpumpe möglicherweise den Druckwiderstand von
Wärmepumpe + Rohrleitung + Ventile + Filter + Gurt + Endgeräte
Der erforderliche Betriebspunkt der Pumpe beträgt daher:
Entwurfsströmungsrate + Gesamtdynamischer Kopf
Der Endwiderstand ist jedoch nicht unbedingt konstant.
Wenn sich die Ventile schließen, ändert sich die Systemwiderstandskurve.
Aus diesem Grund ist die einfache Auswahl einer "größeren Pumpe" nicht immer eine gute Lösung.
Eine übergroße Zirkulationspumpe kann folgende Ursachen haben:
Übermäßiger Durchfluss
Übermäßiger Differenzdruck
Strömungslärm
Probleme mit der Ventilautorität
Erhöhter Stromverbrauch der Pumpe
Verringertes System ΔT
Schlechte Kontrollstabilität
Ziel ist nicht, die größte Pumpe auszuwählen.
Ziel ist es, eine Pumpe auszuwählen, die im erwarteten hydraulischen Bereich ordnungsgemäß funktioniert.
Bei den meisten Luft-Wasser-Wärmepumpen ist ein Mindestdurchfluss angegeben.
Zum Beispiel:
Entwurfsstrom: 4,0 m3/h
Mindestdurchfluss: 2,5 m3/h
Der Systementwickler muss sicherstellen, dass der tatsächliche Wärmepumpenstrom nicht unter 2,5 m3/h sinkt, auch wenn mehrere Endzonen geschlossen sind.
Dies unterscheidet sich grundsätzlich von der einfachen Bestätigung, dass der Konstruktionsfluss bei voller Last verfügbar ist.
Eine gute hydraulische Konstruktion sollte daher zwei Fragen beantworten:
Kann das System bei maximaler Belastung den erforderlichen Entwurfsstrom liefern?
Kann das System den Mindeststrom der Wärmepumpe bei Mindestlast beibehalten?
Beide Bedingungen sind wichtig.
Um die Wärmepumpe zu schützen, wird üblicherweise ein Strömungsschalter eingebaut.
Sein Zweck ist einfach:
Ausreichender Stromfluss → Betrieb der Wärmepumpe erlaubt
Unzureichender Strom → Wärmepumpe eingestellt/geschützt
Das ist eine wichtige Sicherheitsvorrichtung.
Allerdings:
Ein Durchflussschalter schützt die Wärmepumpe vor einem schlechten hydraulischen Zustand; er korrigiert den hydraulischen Zustand nicht.
Diese Unterscheidung ist entscheidend.
Wenn die Wärmeventile den Wasserfluss kontinuierlich unter den Mindestbedarf reduzieren, kann der Durchflussschalter die Wärmepumpe wiederholt abstellen.
Die Ausrüstung wird geschützt, aber die Heizung funktioniert immer noch nicht richtig.
Daher sollten Strömungsschutz und hydraulisches Design niemals verwechselt werden.
Zwei-Wege-Ventile werden in modernen HVAC-Systemen weit verbreitet.
Wenn ein Raum Heizung benötigt:
Thermostat eingeschaltet → Ventil geöffnet → Wasserströme
Wenn der Raum den Setpoint erreicht:
Thermostat aus → Ventil schließt sich → Wasserfluss stoppt
Dies ermöglicht eine ausgezeichnete Kontrolle auf Raumebene.
In einem Einschlusssystem reduziert das Schließen mehrerer Zweiwegventile jedoch den Gesamtstrom des Systems.
Zum Beispiel:
6 offenen Zonen
→ 100% Design-Flow
→ Wärmepumpe funktioniert normal
3 offenen Zonen
→ Reduzierter Durchfluss
→ Die Wärmepumpe funktioniert möglicherweise noch normal
1 offene Zone
→ Sehr geringer Systemdurchfluss
→ Der Mindestdurchfluss der Wärmepumpe ist möglicherweise nicht erfüllt
Dies ist eine der häufigsten hydraulischen Herausforderungen in direkt verbundenen Mehrzonensystemen.
Eine mögliche Lösung ist eineUmgehungsventil mit Differenzdruck.
Die Umleitung ist zwischen den Versorgungs- und Rückleitungsanlagen installiert.
Bei offenen Endventilen:
Differenzdruck niedrig → Bypass geschlossen
Wasser fließt durch die Endgeräte.
Wenn sich die Endventile schließen:
Systemwiderstand ↑
Differenzdruck ↑
Das Bypassventil öffnet sich allmählich.
Ein Teil des Zufuhrwassers umgeht dann das Endsystem und kehrt direkt zur Wärmepumpe zurück.
Das hilft, die Durchblutung zu minimieren.
Wärmepumpenversorgung
↓
Schaltkreis
↓
Zurück
Aber wenn der Endfluss abnimmt:
Versorgung → Differentialdruckumgehung → Rückkehr
Dies kann dazu beitragen, den Mindeststrom der Wärmepumpe zu schützen.
Der Umleitungsstrom muss jedoch ordnungsgemäß konstruiert sein, da ein übermäßiges Umgehen die Rückwassertemperatur während der Heizung erhöhen und die nutzbare Wärmeversorgung des Gebäudes reduzieren kann.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Dreihand-Steuerventilen.
Im Gegensatz zu einem zweiseitigen Ventil, das den Wasserfluss einfach stoppt, kann eine dreiseitige Anordnung den Fluss durch einen Umleitungsweg umleiten.
Konzeptionell:
Ein Zimmer braucht Heizung
Versorgung → Terminal → Rückgabe
Ein Zimmer braucht keine Heizung
Versorgung → Umgehung → Rückkehr
Dadurch kann ein stabilerer primärer Durchblutungsfluss aufrechterhalten werden.
Drei-Wege-Ventile erzeugen jedoch auch einen kontinuierlichen Bypassfluss und können die Pumpenenergie erhöhen.
Daher sollte die Wahl zwischen Zwei- und Dreihandventilen eher auf der Grundlage der vollständigen hydraulischen Konstruktion als auf der Grundlage der Komponentenpräferenz erfolgen.
Durch Umlaufpumpen mit variabler Drehzahl kann die Effizienz des hydronischen Systems erheblich verbessert werden.
Zu den gängigen Steuerungsarten gehören:
Konstante Geschwindigkeit
Konstante Differenzdruck
Verhältnismäßiger Differenzdruck
Außensteuerung 0 ∼ 10 V
PWM-Steuerung
Wärmepumpen-Integrierte Drehzahlregelung
Wenn sich die Endventile schließen, kann eine Pump mit variabler Geschwindigkeit ihre Geschwindigkeit verringern.
Dies kann dazu beitragen:
Pumpenenergie
Differenzdruck
Strömungslärm
Ventilspannung
Die Pumpe darf jedoch die Drehzahl nicht so stark verringern, dass der Wärmepumpenstrom unter das erforderliche Minimum fällt.
Daher:
Variable Pumpenregelung ≠ unbegrenzte Durchflussminderung
Der Mindestdurchflussbedarf der Wärmepumpe bleibt die Regulierungsbeschränkung.
Durchflussprobleme werden nicht immer durch Steuerventile verursacht.
Ein schmutziger Y-Strainer oder ein magnetischer Schmutzseparator kann den Druckverlust des Systems allmählich erhöhen.
Die Progression kann wie folgt aussehen:
Rein Filter
↓
Normaler Druckabfall
↓
Normaler Fluss
Dann:
Verschmutzung
↓
Höherer Druckabfall
↓
Niedrigere Wassermenge
↓
Höhere ΔT
↓
Leistungsprobleme der Wärmepumpe
Deshalb sollten die Inbetriebnahme und Wartung Folgendes umfassen:
Durchflussmessung
Messung des Zufuhr-/Rückdruckes
Inspektion der Filter
Reinigung der Spülmaschine
Luftentfernung
Kontrollen der Wasserqualität
Ein System, das als neues ordnungsgemäß funktionierte, kann später aufgrund von Verschmutzung oder eingeschlossener Luft hydraulische Probleme haben.
Die Ansammlung in der Luft kann folgende Ursachen haben:
Verringerte Wirkungsdurchflussmenge
Kavitation der Pumpe
Geräusche
Ungleichmäßige Heizung
Lokalisierte Durchblutungsprobleme
Durchflussschalter-Alarme
Automatische Lüftungsöffnungen, Luftseparatoren, korrekter Systemdruck und ordnungsgemäße Inbetriebnahmeverfahren sind daher wichtige Bestandteile der hydraulischen Konstruktion einer Wärmepumpe.
Eine reversible Luft-Wasser-Wärmepumpe sollte nicht nur im Heizmodus hydraulisch bewertet werden.
Heizung und Kühlung stellen unterschiedliche Risiken dar.
Hauptsächliche Sorge bei unzureichendem Durchfluss:
Schlechte Wärmeabstoßung → Hohe Kondensationstemperatur/Druck
Hauptsächliche Sorge bei unzureichendem Durchfluss:
Übermäßige Wasserkühlung → Niedrige Verdunstungstemperatur → Gefahr des Einfrierens
Daher ist ein System, das für die Heizung geeignet ist, nicht automatisch für die Kühlung geeignet.
Dies ist besonders wichtig für Systeme, bei denen
mit einer Breite von nicht mehr als 15 mm
Kühlwasser-AHU
Strahlenkühlung
Prozesskühlung bei niedrigen Temperaturen
Vor der Inbetriebnahme einer einschaltenden Wärmepumpenanlage ist Folgendes zu überprüfen:
Wärmepumpe
✓ Entwurf des Wasserflusses
✓ Mindestdurchfluss
✓ Höchstzulässiger Durchfluss
✓ Mindestwasservolumen des Systems
✓ Heizung - Ablasswassertemperatur
✓ Abkühlungs-Wassertemperatur
Umlaufpumpe
✓ Entwurfsfluss
✓ Verfügbarer Kopf
✓ Steuerungsmodus
✓ Mindestgeschwindigkeit
✓ Pumpenkurve
Hydraulisches Netz
✓ Rohrdurchmesser
✓ Gesamtdruckverlust
✓ Widerstand der Ventile
✓ Filterwiderstand
✓ Abfall des Enddruckes
✓ Hydraulische Ausbalancierung
Terminalsteuerung
✓ Anzahl der Zonen
✓ Zwei- oder Dreihandventile
✓ Mindestzahl der offenen Schaltkreise
✓ Teillastdurchfluss
✓ Umgehungspflicht
Schutz
✓ Strömungsschalter
✓ Einfrierschutz
✓ Hochdruckschutz
✓ Automatische Lüftung
✓ Expansionsgefäß
✓ Sicherheitsventil
Das Wichtigste:
Überprüfen Sie das Hydrauliksystem bei maximaler und minimaler Belastung.
Bei einer Wärmepumpenanlage mit einem Schleife sind die Wärmepumpe und das Verteilnetz des Gebäudes hydraulisch verbunden.
Das bedeutet, dass jede Änderung an der Terminalseite die Wärmepumpe beeinflussen kann.
Ein Thermostat schließt ein Ventil.
↓
Systemwiderstand ändert sich.
↓
Der Wasserfluss ändert sich.
↓
Wärmepumpe ΔT ändert sich.
↓
Die Betriebsbedingungen der Kältemittel ändern sich.
↓
Kapazität, Effizienz und Zuverlässigkeit können sich ändern.
Deshalb kann das hydronische Design nicht von der Auswahl der Wärmepumpe getrennt werden.
Ein einschaltbares hydronisches Wärmepumpensystem kann eine einfache und hocheffiziente Lösung für die Heizung und Kühlung von Wohnungen und leichten Gewerbeanlagen bieten.
Aber ein erfolgreicher Betrieb hängt stark davon ab,Stabilität des Wasserflusses.
Der Konstrukteur muss nicht nur die Nennwärmepumpenkapazität berücksichtigen, sondern auch:
Entwurfsdurchfluss → Mindestdurchfluss → ΔT → Druckabfall → Pumpenwahl → Endwiderstand → Zonenkontrolle → Umgehungsstrategie → Systemschutz
Eine Wärmepumpe kann während der Inbetriebnahme vollkommen funktionieren, wenn alle Endgeräte offen sind, aber instabil werden, wenn das Gebäude zum Teillastbetrieb übergeht.
Daher ist eines der wichtigsten Prinzipien bei der Konstruktion von Wärmepumpensystemen:
Entwerfen Sie das hydraulische System nicht nur für die volle Last, sondern für den gesamten Betriebsbereich.
Die Erhaltung eines ausreichenden Wasserflusses durch die Wärmepumpe unter allen erwarteten Betriebsbedingungen ist fürEffizienz, Komfort, Zuverlässigkeit des Kompressors, Gefrierschutz und langfristige Systemleistung.
Der geringe Wasserdurchfluss erhöht die Temperaturdifferenz am Wasserrand und kann die Leistung des Wärmetauschers verringern.Schwere Niedrigflussbedingungen können zu hohem Kondensationsdruck und Schutzwarnungen beitragen.Im Kühlmodus kann ein unzureichender Durchfluss das Risiko von zu niedrigem Wasser und Verdunstung erhöhen.
Der Mindestdurchfluss stellt sicher, dass der Wärmetauscher auf der Wasserseite die benötigte Wärmeenergie ohne übermäßige Temperaturänderungen oder instabile Betriebsbedingungen des Kältemittels kontinuierlich übertragen kann.
Bei der Auswahl der Pumpe müssen sowohl der erforderliche Durchfluss als auch der Systemkopf berücksichtigt werden.Geräusche und Differenzdruck ohne Korrektur des zugrunde liegenden hydraulischen Konstruktionsproblems.
Das Schließen von Zonenventilen erhöht den hydraulischen Widerstand des Verteilersystems und entfernt parallele Durchflusswege.
Nein, ein Durchflussschalter ist vor allem eine Schutzvorrichtung, die die Wärmepumpe stoppen kann, wenn die Durchblutung unzureichend wird, aber sie korrigiert nicht die hydraulische Ursache für einen geringen Durchfluss.
Es kann in direkt angeschlossenen Systemen mit variablem Stromfluss nützlich sein, bei denen die Endventile geschlossen werden können und eine minimale Zirkulation durch die Wärmepumpe aufrechterhalten werden muss.Die Einstellung und der Umgehungsfluss sollten nicht willkürlich ausgewählt werden, sondern konstruiert werden.
Ja, aber der Konstrukteur muß dafür sorgen, daß der Mindestdurchfluss und das Wasservolumen der Wärmepumpe erfüllt bleiben, wenn nur eine kleine Anzahl von Zonen Heizung oder Kühlung benötigen.