Представьте себе четырехэтажное офисное здание в Гуанчжоу в июле. Потребность в охлаждении растет, каждому этажу нужен прохладный воздух, а крыша остается тихой — вентиляторы конденсатора не стучат. Это становится возможным благодаря водной петле, бесшумно движущейся по зданию. Внутри каждого этажа имеется тепловой насос с источником воды (WSHP) выполняет ту же работу, что и кондиционер, но с одним существенным отличием: он обменивается теплом с водой, а не с наружным воздухом.
Прямой ответ: Тепловой насос с источником воды — это холодильная машина, которая поглощает тепло из контура водопроводной воды в режиме нагрева или отводит тепло в тот же контур в режиме охлаждения. Он перемещает тепло из одного места в другое, а не создает его. Поскольку температура водяного контура остается гораздо более стабильной, чем температура наружного воздуха, компрессор выполняет меньше работы, и агрегат обеспечивает более полезный нагрев или охлаждение на каждый киловатт потребляемой электроэнергии.
Короткий ответ: как тепловой насос с водяным источником перемещает тепло
Все тепловые насосы, включая WSHP, работают по одному и тому же четырехступенчатому циклу охлаждения: испаряться, сжиматься, конденсироваться, расширяться . В режиме нагрева холодный жидкий хладагент поступает в водяной теплообменник, поглощает тепло воды и превращается в пар низкого давления. Компрессор втягивает этот пар и повышает его давление и температуру. Горячий газ под высоким давлением затем поступает во внутренний змеевик, где снова конденсируется в жидкость и выделяет тепло в воздух помещения или в водяную систему отопления. Терморасширительный клапан дозирует жидкость обратно в испаритель, и цикл повторяется.
В режиме охлаждения четырехходовой реверсивный клапан меняет поток. Внутренний змеевик становится испарителем и поглощает тепло из помещения, а теплообменник на стороне воды становится конденсатором и сбрасывает это тепло в водяной контур. В результате одна машина может обеспечивать как нагрев, так и охлаждение, используя один водяной контур. .
Четыре компонента, которые делают работу
Компрессор
Компрессор 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.
Четырехходовой реверсивный клапан
Реверсивный клапан – это то, что отличает тепловой насос от обычного кондиционера. Когда клапан смещается, направление потока хладагента меняется на противоположное, меняя местами обязанности испарителя и конденсатора. Небольшой пилотный соленоид перемещает главную катушку. В режиме обогрева горячий газ подается во внутренний змеевик; в режиме охлаждения горячий газ направляется в теплообменник со стороны воды.
Теплообменник хладагент-вода
Именно здесь WSHP получил свое название. Вместо оребренного змеевика и наружного вентилятора в WSHP используется паяный пластинчатый теплообменник или кожухотрубный теплообменник. Вода течет по одной стороне поверхности теплопередачи; хладагент течет с другой. Поскольку вода имеет гораздо более высокий коэффициент теплопередачи, чем воздух, этот теплообменник может быть физически меньше воздушного змеевика, передавая при этом такое же количество тепла. В более крупных системах водяная сторона часто представляет собой кожухотрубную конструкцию, по существу, по той же технологии, что и кожухотрубный конденсатор с водяным охлаждением используется в промышленных холодильных установках. Выбор материала трубок имеет значение: медные трубы являются стандартными для многих коммерческих установок, тогда как трубы из нержавеющей стали предпочтительнее для агрессивной или морской воды.
OEM/ODM серии KCWS Производители кожухотрубных конденсаторов с водяным охлаждением, завод Как китайский производитель кожухотрубных конденсаторов с водяным охлаждением серии KCWS и оптовая продажа кожухотрубных конденсаторов с водяным охлаждением серии KCWS... Посмотреть продукт → Устройство расширения
Между конденсатором и испарителем расширительное устройство — обычно термостатический расширительный клапан (TXV) или электронный расширительный клапан (EEV) — сбрасывает давление хладагента и измеряет правильный поток в испаритель. EEV быстрее реагирует на изменения нагрузки и более устойчиво удерживает перегрев, что повышает эффективность при частичной нагрузке. Это важно для системы WSHP, поскольку температура поступающей воды меняется в течение года, поэтому расширительное устройство должно постоянно адаптироваться.
Режим нагрева и режим охлаждения: один и тот же цикл в обратном порядке
Режим отопления
В режиме отопления источником тепла является водяной контур. Для большинства коммерческих конструкций контуров вода поступает в агрегат при температуре около От 50°F до 68°F (от 10°C до 20°C) . Хладагент поглощает тепло из этой воды и испаряется. Затем компрессор поднимает газ до температуры, достаточно высокой для того, чтобы внутренний змеевик мог подавать теплый приточный воздух — обычно от 90°F до 105°F (от 32°C до 40°C). Пока температура в контуре остается выше примерно 45°F (7°C), устройство может поддерживать полезный нагрев, не полагаясь на резервное электрическое отопление.
Режим охлаждения
В режиме охлаждения контур становится радиатором. Вода в возвратном контуре обычно находится между 70°F и 90°F (от 21°C до 32°C) . Внутренний змеевик поглощает тепло из помещения, компрессор поднимает температуру хладагента значительно выше температуры воды, а теплообменник хладагент-вода передает это тепло в контур. Чем теплее вода в контуре, тем тяжелее должен работать компрессор — именно поэтому управление градирней и сброс температуры воды являются такими важными частями хорошо управляемой станции WSHP.
Замкнутый, разомкнутый и строительный циклы: откуда берется вода?
WSHP работают с несколькими источниками воды. Выбор влияет как на эффективность, так и на стоимость установки.
| Тип системы | Источник воды | Типичная температура воды на входе | Лучше всего подходит для |
|---|---|---|---|
| Замкнутый контур заземления | Заглубленная труба из ПНД с водно-гликолевой смесью | От 32°F до 70°F (от 0°C до 21°C) в зависимости от сезона | Дома и коммерческие постройки с землей под скважины |
| Открытый цикл (колодцевая вода) | Грунтовые воды прокачиваются через теплообменник | От 45°F до 60°F (от 7°C до 16°C) | Недвижимость с чистой, надежной колодезной водой и одобренной обратной закачкой или дренажем. |
| Контур здания с котлом и градирней | Общий контур водоснабжения здания; котел добавляет тепло, башня отводит тепло | От 60°F до 90°F (от 16°C до 32°C) | Многоквартирные офисы, гостиницы, многофункциональные здания |
| Озеро или речная петля | Погружной замкнутый контур в открытой воде | От 35°F до 75°F (от 2°C до 24°C) | Здания возле глубоких водоемов |
В большинстве крупных коммерческих установок WSHP используется общий контур здания. Каждый внутренний блок достаточно мал, чтобы поместиться в потолочном пространстве или небольшом техническом помещении, и все блоки получают воду из одного и того же двухтрубного контура. Когда одним зонам требуется тепло, а другим — охлаждение, тепло, отводимое зонами охлаждения, поглощается зонами нагрева — эта функция называется рекуперация тепла . Это может значительно сократить одновременное потребление энергии для отопления и охлаждения, что является одной из основных причин, по которой владельцы зданий выбирают системы водоснабжения.
Почему вода лучше воздуха: WSHP против теплового насоса с воздушным источником
Обе системы используют один и тот же цикл сжатия пара. Разница заключается в среде на внешней стороне. Температура воздуха меняется в зависимости от погоды; вода в замкнутом контуре остается гораздо более стабильной. Эта стабильность меняет всю картину производительности.
| Аспект | WSHP | Воздушный тепловой насос (ВТН) |
|---|---|---|
| Источник/поглотитель тепла | Водяной контур, стабильный круглый год | Наружный воздух, колебания погоды |
| Производительность нагрева | Медленно ухудшается при падении температуры контура | КПД резко падает в морозную погоду |
| Производительность охлаждения | Стабилен даже в очень жаркие дни | Падает при температуре окружающей среды выше 95°F (35°C) |
| Шум | Тихо; нет наружного вентилятора | Шум вентилятора конденсатора наружного блока |
| Космос | Нет блока на крыше; Комната для растений в помещении или пустота в потолке | Нужен наружный блок и свободное пространство вокруг него. |
| Установка | Больше труб; необходима инфраструктура водяного контура | Обычно проще в модернизированных зданиях |
| Техническое обслуживание | Водоочистка, уход за насосами и теплообменниками | Очистка змеевика и доступ хладагента снаружи |
Потому что вода имеет более чем в 3000 раз превышает объемную теплоемкость воздуха , теплообменник вода-хладагент может быть намного меньше, чем воздушный змеевик с той же нагрузкой. Для компрессора важным показателем является подъем температуры. При входе воды с температурой 60°F при зимнем отоплении компрессор поднимает температуру хладагента примерно с 50°F до 100°F — подъем на 50°F. В морозную погоду блоку с источником воздуха может потребоваться поднять температуру хладагента с -10°F до 100°F — подъем на 110°F. Примерно половина подъема означает примерно удвоенный КПД нагрева. Эта физическая взаимосвязь является настоящей причиной, по которой системы водоснабжения обеспечивают лучшую сезонную эффективность. Чтобы увидеть, насколько далеко распространяется тот же принцип, взгляните на полный ассортимент конденсаторов и испарителей используется в современных гидравлических установках.
Эффективность в цифрах: COP, EER и чего ожидать
COP (коэффициент производительности) — это отношение полезного нагрева или охлаждения к потребляемой электроэнергии. Коэффициент COP 4,0 при отоплении означает, что на каждый 1 кВт электроэнергии, потребляемой компрессором, агрегат выдает 4 кВт тепла. EER (коэффициент энергоэффективности) — это эквивалент охлаждения, обычно выражаемый в БТЕ на ватт-час.
Чего реально ожидать покупателю от современного WSHP?
- Коэффициент нагрева от 3,5 до 5,5 для большинства водоисточникных систем в зависимости от температуры поступающей воды.
- Эффективность охлаждения EER от 14 до 22 БТЕ/Втч в типичных коммерческих циклах.
- Лучшая производительность при частичной нагрузке, поскольку компрессор меньше модулирует или циклически работает в мягких условиях.
- Министерство энергетики США сообщает, что геотермальные и водовоздушные тепловые насосы могут снизить потребление энергии примерно от 25 до 50 процентов по сравнению с воздушными тепловыми насосами в аналогичных зданиях (источник: Министерство энергетики США, обзор геотермальных тепловых насосов).
| Ввод температуры воды (режим отопления) | Типичный диапазон КПД |
|---|---|
| 50°Ф (10°С) | от 4,2 до 5,5 |
| 60°Ф (16°С) | от 4,0 до 5,0 |
| 70°Ф (21°С) | от 3,5 до 4,2 |
Обратите внимание на тенденцию: более холодная вода в контуре означает более низкий COP, поэтому грунтовые контуры и колодезная вода, которые зимой остаются теплее, чем наружный воздух, обеспечивают лучшую зимнюю эффективность, чем оборудование с воздушным источником.
Пять конструктивных соображений, определяющих производительность в реальных условиях
- Скорость потока воды. Каждому агрегату необходим достаточный расход для передачи тепла без чрезмерной энергии насоса. Коммерческие водоисточники обычно обозначаются по адресу: От 2,5 до 3 галлонов США в минуту на тонну охлаждения ; более крупные системы используют меньшие потоки с более высокими перепадами температур.
- Ввод диапазона температуры воды. Поддерживайте температуру контура в пределах ограничений производителя — обычно От 50°F до 95°F (от 10°C до 35°C) при охлаждении и От 45°F до 75°F (от 7°C до 24°C) при обогреве — для защиты компрессора и сохранения действительных номинальных мощностей.
- Качество воды и загрязнение. Пластинчатые теплообменники имеют узкие каналы; мусор, накипь или биологический рост могут быстро снизить теплопередачу и повысить давление конденсации. Используйте сетчатые фильтры, водоподготовку и — для агрессивной воды — теплообменники из нержавеющей стали.
- Защита от замерзания. Для контуров заземления требуется водно-гликолевая смесь; контуры зданий в неотапливаемых помещениях требуют антифриза, обогрева или надежной процедуры дренажа.
- Сброс температуры контура. Контролируйте температуру контура в зависимости от внешних условий и требований зоны. Повышение температуры контура при охлаждении или небольшое понижение при обогреве снижает подъемную силу компрессора и сокращает потребление энергии по всей установке.
Подбор водяного контура подходящего холодильного оборудования
Водяной тепловой насос является одним из элементов более крупной гидравлической холодильной системы. Те же инженерные принципы — надежное сжатие, теплообмен на стороне чистой воды и стабильный контроль хладагента — применимы и к остальной части установки. Для проектных групп, собирающих собственное решение для машинного помещения, выбор конденсатора, чиллера и конденсаторного агрегата решает, действительно ли контур достигнет проектной эффективности.
Что касается охлаждения, упакованный чиллер с водяным охлаждением – это стандартный способ отвода тепла из контура, если в здании установлена градирня. Со стороны теплообмена кожухотрубный конденсатор с водяным охлаждением передает тепло между хладагентом и водой по большой, легко очищаемой поверхности. На установках с насосными испарителями Конденсаторный блок бочкового насоса обеспечивает рециркуляцию, необходимую для поддержания стабильной подачи хладагента при изменяющихся нагрузках.
OEM/ODM KTB Бочковые насосы Производители конденсаторных установок, Фабрика - Чжэцзян Кайди Являясь китайским производителем и оптовой продажей конденсаторных установок с бочковыми насосами KTB, завод OEM/ODM, компания Zhejiang Kaidi Re... Посмотреть продукт → 
Поставщик чиллеров с водяным охлаждением на заказ, Компания Компания Zhejiang Kaidi Hydraulic Equipment Co., Ltd. является китайским поставщиком чиллеров с водяным охлаждением и изготовленными на заказ чиллерами с водяным охлаждением, предлагая решения... Посмотреть продукт → Если вы проектируете холодильное хранилище или технологическую холодильную установку, та же логика выбора применяется, когда выбор конденсаторного агрегата для холодильного хранения . Вам также необходимо подобрать оборудование в соответствии с диапазоном температур контура, качеством воды и ожидаемым профилем частичной нагрузки — и это того стоит. обсуждение этих параметров с инженером по применению прежде чем завершить пакет.
Практический вывод: WSHP столь же эффективен, как и остальная часть гидравлической установки. Насосы слишком большой мощности, неочищенная вода или градирня недостаточного размера быстро сведут на нет преимущество COP. Начните с проектирования контура, затем выберите компрессор и теплообменник вокруг него.
Часто задаваемые вопросы о тепловых насосах с источником воды
Работают ли тепловые насосы с источником воды в холодном климате?
Да. В режиме обогрева водовоздушный агрегат по-прежнему может обеспечивать КПД 3,0 или выше при температуре поступающей воды 40°F (4°C), что намного выше зимних температур воздуха в большинстве холодных регионов. Причина, по которой это работает в Харбине, Миннеаполисе или Осло, проста: контур закопан под землей или извлекается из грунтовых вод, поэтому зимние температуры воздуха никогда не касаются источника тепла.
Является ли тепловой насос с источником воды тем же, что и геотермальный тепловой насос?
Не совсем. Геотермальный или геотермальный тепловой насос является одним из типов системы водоснабжения. В качестве источника и стока тепла он использует замкнутый контур заземления или колодезную воду. Но многие WSHP работают по контуру здания с градирней и котлом — вообще без заземления. Все геотермальные тепловые насосы представляют собой системы с источником воды; не все водные тепловые насосы являются геотермальными.
Может ли один водяной контур одновременно нагревать и охлаждать разные зоны?
Да, и это одно из самых больших преимуществ системы WSHP. Каждый внутренний блок самостоятельно решает, нагревать или охлаждать. Когда один офис нуждается в охлаждении, а другой в обогреве, контур передает тепло от одного к другому, а котел и градирня лишь компенсируют разницу.
Какое обслуживание требует водяной тепловой насос?
Имеют значение три аспекта: качество воды, заправка хладагента и чистота воздуха. Контур требует регулярной фильтрации и очистки воды для предотвращения загрязнения пластинчатых или кожухотрубных теплообменников; поверхности теплообменника следует проверять ежегодно; а внутренние теплообменники и фильтры требуют того же графика очистки, что и любой фанкойл. Поскольку вентилятор наружного конденсатора отсутствует, обычные проблемы наружных блоков с коррозией и мусором практически исчезают.
Как долго прослужит водяной тепловой насос?
При правильной очистке воды качественная коммерческая установка WSHP обычно служит от 20 до 25 лет , а сам водяной контур может прослужить 50 и более лет. Контур хладагента герметичен, а компрессор защищен стабильной температурой контура — в отличие от агрегатов, устанавливаемых на крыше, которые страдают от экстремальных температурных циклов. Многие владельцы считают, что размещение оборудования в помещении является настоящим преимуществом на всю жизнь: здесь никогда не видно снега, соли или летнего солнца.
Как выбрать между водой-водой и водой-воздухом?
Установки типа «вода-воздух» наиболее распространены в офисных зданиях, поскольку они кондиционируют жилые помещения непосредственно через воздуховоды. Установки «вода-вода» используются, когда в здании есть гидравлическое распределение — полы с подогревом, охлаждающие потолки или технологическая охлаждающая вода — поскольку они производят нагретую или охлажденную воду вместо теплого воздуха. Для промышленных процессов, таких как лазерное охлаждение или обработка пищевых продуктов, обычно оптимальной архитектурой является технология «вода-вода».
Итог
Водяной тепловой насос — это просто холодильная машина, которая использует водяной контур в качестве источника тепла и поглотителя. Компоненты являются традиционными, цикл представляет собой стандартный цикл сжатия пара, а преимущество в эффективности почти полностью достигается за счет стабильности температуры воды. Независимо от того, проектируете ли вы 40-этажное офисное здание, холодильный склад или технологическую систему охлаждения, концепция WSHP одинакова, а выбор оборудования на стороне воды, от пластинчатых теплообменников до кожухотрубных конденсаторов, определяет, насколько хорошо эта концепция работает в реальной эксплуатации.
