ГВП від теплового насоса: розрахунок

1. ємнісні водонагрівачі
2. Температура і гігієна
3. Розрахунок потреби в ГВП
4. Визначення максимальної витрати
5. Спрощений підхід
6. приклад розрахунку
7. Вас може зацікавити:

Р. Василенко

Системи з тепловими насосами особливо ефективні при змінному навантаженні гарячого водопостачання. Завдяки цьому вони широко використовуються при модернізації систем теплопостачання. Розглянемо приклади розрахунку таких систем

Приготування гарячої води за допомогою теплових насосів може здійснюватися з різних видів схем і проводитися як паралельно з опаленням, так і окремо. При цьому, як правило, необхідне застосування накопичувальних ємностей .

У моновалентному режимі (рис. 1) тепловий насос, як єдине джерело тепла, покриває всю навантаження гарячого водопостачання. Щоб мати можливість отримати температуру ГВП в ємнісному накопичувачі рівну 60 ° C, тепловий насос повинен мати температуру подачі 70 ° C.

Мал. 1. моновалентна режим нагріву води

При застосуванні моноенергетичного режиму (рис. 2) тепловий насос також є єдиним джерелом тепла для нагреваГВС до номінальних 60 ° C, але максимальну температуру подачі забезпечує електронагрівальна вставка в ємнісному накопичувачі. Це найбільш ефективний спосіб нагріву гарячої води. Тут же враховуються витрати електроенергії і на циркуляцію ГВС.

Мал. 2. моноенергетичного режим нагріву води

У бівалентному режимі (рис. 3) тепловий насос несе основне навантаження по нагріванню води, а другий теплогенератор покриває тільки пікові навантаження. Ця схема дуже ефективна при нерівномірному навантаженні ГВП. Однак тут високі капіталовкладення і витрати на обслуговування додаткового теплогенератора. Один з найбільш ефективних варіантів застосування теплових насосів в наш час - використання насосів тип «повітря / вода» для систем з великою витратою гарячої води протягом доби, а також для тих систем, де графік споживання гарячої води змінюється в різні дні протягом тижня або навіть всього року. Наприклад, дитячий сад, школа або офісний будинок. У таких системах гаряча вода витрачається в робочі дні, а у вихідні дні споживання води мінімальний ілівообще відсутня. При цьому тепловий насос слід вибирати такий потужності, щоб в теплу пору року він забезпечував необхідний расходгорячей води на 100%, а в опалювальний період, при низьких зовнішніх температурах, коли потужність і ефективність роботи теплового насоса знижуються, він працював для попереднього нагріву гарячої води.

Мал. 3. Бівалентний режим

При проектуванні подібних систем, для їх ефективної та економічної роботи, дуже важливо враховувати залежність коефіцієнта ефективності теплового насоса СОР від температури подачі. Чим вище температура подачі теплового насоса, тим нижче у нього коефіцієнт ефективності СОР. Наприклад, при температурі зовнішнього повітря + 20 ° С і подачі + 35 ° С, коефіцієнт СОР теплового насоса складає близько 4, а при подачі + 65 ° С - приблизно 2,7.

Можна побудувати просту систему з тепловим насосом, який працює на нагрів бака запасу гарячої води з підтримкою в ньому постійної температури, наприклад, + 50 ° С. При цьому тепловий насос буде працювати з постійно високою температурою подачі і відповідно, з мінімальною ефективністю - з коефіцієнтом СОР близько 2,7. Або можна побудувати іншу систему, більш ефективну з точки зору роботи теплового насоса. Наприклад, система для дитячого садка, де добова витрата гарячої води становить 4000 л. Можна встановити баки запасу гарячої води витрати води, до необхідної температури, а споживання води буде проходити протягом дня без підмішування холодної води. Таким чином, середнє значення коефіцієнта СОР за час розігріву баків від + 10 ° С до + 55 ° С складе приблизно 3,5.

ємнісні водонагрівачі

ємнісний водонагрівач повинен відповідати певним вимогам, щоб працювати з тепловим насосом: потужність гріє змійовика у водонагрівачі і поверхня його теплообміну повинні точно відповідати потужності теплового насоса.

Так як теплові насоси працюють з більш низькою температурою подачі, ніж традиційні котли, то і теплопередача на гріє змійовику водонагрівача через невеликої різниці температур також буде менше.

Встановлено, що для передачі одного кіловата потужності площа теплообміників повинна становити не менше 0,25 м2. У теплових насосів типу «повітря / вода» без регулювання потужності компресора, максимальна теплова потужність буде влітку, коли будуть максимальні температури зовнішнього повітря. Крім того, повинна бути забезпечена можливість передачі великої кількості тепла в період максимального водорозбору.

Спіральний теплообмінник не володіємо до верхньої частини накопичувальної ємності, тому що низька температура подачі теплового насоса здатна дещо остудити верхню частину обсягу з максимальною температурою, яку забезпечує другий теплогенератор або електронагрівальна вставка.

У компактних теплових насосах поверхню теплообмінника і обсяг накопичувальної ємності вже оптимально підібрані, щоб спростити процес проектування.

Якщо є необхідність у великих витратах гарячого водопостачання або застосовуються теплові насоси великої потужності - доцільно використовувати ємнісні накопичувачі з зовнішніми теплообмінниками (рис. 4).

Мал. 4. Система з тепловим насосом і ємнісним накопичувачем із зовнішнім теплообмінником

Для експлуатації ємнісного накопичувача разом з тепловими насосами розроблені так звані завантажувальні трубки. При їх використанні швидкість подачі гарячої води в обсяг накопичувальної ємності сповільнюється, що дозволяє здійснювати пошарове завантаження ламінарним потоком. Це необхідно, тому що випарник теплового насоса працює з малим перепадом температур.

Температура і гігієна

При проектуванні внутрішніх систем ГВП з гігієнічних міркувань потрібно дотримуватися основна вимога: ємності запасу гарячої води повинні бути якомога менше для даної системи, щоб забезпечувався постійний повний витрата гарячої води. Чим менше об'єм накопичувальних ємностей, тим більш продуктивними повинні бути теплогенератори.

Сучасні опалювальні пристрої з великим модуляційним діапазоном потужності дозволяють дотримати ці умови і підібрати оптимальні пристрої без великих інвестиційних витрат.

При обмеженою потужності теплового насоса пікові навантаження будуть покриватися теплом з ємнісних накопичувачів, тому необхідно дотримати ці необхідні умови експлуатації при проектуванні.

Робочий документ DVGW-W551 визначає різні гігієнічні аспекти установок малої та великої потужності. До установок малої потужності відносять обладнання для індивідуальних будинків і котеджів з об'ємом накопичувальної ємності близько 400 л і об'ємом теплоносія в системі внутрішніх сполучних магістралей між ємнісним накопичувачем і джерелом тепла не більше 3 л.
Багатоквартирні будинки, офісні приміщення та муніципальні об'єкти відносяться до установок великої потужності, з об'ємом ємностей понад 400 л і водосодержаніем в кожної сполучної магістралі більше 3 л.

Приписи норм Євросоюзу вимагають дотримання для установок великої потужності рівня температури не менше 60 ° C в накопичувачі ГВС. Температура обратки в циркуляційному контурі повинна бути не менше 55 ° C. Для установок малої потужності мається на увазі підтримка температури на виході 60 ° C. Теплові насоси стандартного виконання, що працюють на звичайному хладагенте, досягають максимальної температури подачі між 55 ° C та 65 ° C. При максимальній температурі подачі 55 ° C температура ГВП становить 48 ° C, а при температурі подачі 65 ° C - максимум 58 ° C. Для задоволення гігієнічних вимог температура ГВП багатоквартирних будинків повинна бути на виході з накопичувача не менше 60 ° C. Це можна здійснити за допомогою бівалентної схеми (другого джерела тепла) або спеціальними тепловими насосами з температурою подачі 75 ° C або прямим електричним нагрівом.

Розрахунок потреби в ГВП

Для оцінки потреби в європейській практиці існує кілька підходів. Для житлового сектора розрахунок проводиться згідно німецького будівельного стандарту DIN 4708, ч. 2. З огляду на санітарно-побутове оснащення квартир в багатоквартирному будинку або кількість індивідуальних котеджів, а також кількість проживаючих і можливість одночасного відкриття точок водорозбору, визначається споживчий індекс N. Цей показник, поряд з продуктивністю котла і вихідний характеристикою NL накопичувача визначає основу проектування гарячого водопостачання об'єкта.

Однак треба враховувати, що, наприклад, NL гарячого водопостачання за допомогою теплових насосів відрізняється від аналогічного показателятрадіціонних опалювальних котлів.

Тому, в першу чергу, необхідно звертати увагу на такі важливі чинники, як: добова витрата води, максимальний (піковий) витрата, можливі втрати і теплова продуктивність обраного теплового насоса для режимів опалення та ГВП.

Потужність приготування гарячої води повинна забезпечувати пріоритет ГВП перед режимом опалення. Для визначення повного навантаження теплопостачання необхідно, в першу чергу, розрахувати опалювальне навантаження. Після цього визначають реальне навантаження в період максимального водорозбору з урахуванням одночасного відкриття точок водорозбору. Для європейського споживача ці норми представлені в EN 15450, глава E, на прикладі родини з трьох осіб. З урахуванням величини максимального навантаження ГВП визначають пікову продуктивність теплогенератора і максимальний обсяг накопичувальної ємності. Приблизно встановлюється показник щодобового потреби в гарячому водопостачанні на 1 людину рівний 1,45 кВт · год. При розрахунку температури подачі 60 ° C це відповідає 25 літрам на людину щодня. Залежить водоразбор і від потреб, на які витрачається гаряча вода (табл. 1), а також часу доби (табл. 2).

Таблиця 1. Витрати ГВС і їх співвідношення (згідно EN 15450)

Таблиця 2. Середня витрата на 1 сім'ю (без ванни, 100 літрів при 60 ° C)

Визначення максимальної витрати

Загальна потреба в необхідної енергії за використовуваний період QDPB (кВт ∙ год) визначається так:

QDPB = NNE ∙ QDPBNNE,

де QDPBNNE - потреба в одиниці енергії за обраний період в кВт ∙ год; NNE - кількість користувачів з однаковим споживанням.
Виходячи із загальної потреби в енергії, розраховується кількість енергії безпосередньо для нагріву питної води (енергії для ГВП) для використовуваного періоду VDP (л):

де СW - питома теплоємність (для води дорівнює 1,163 Вт ∙ год / кг ∙ K); tsoll - задана температура гарячої води; tcw - температура холодної води.

При розрахунку споживання енергії необхідно також враховувати втрати тепла через теплоізоляцію і від підмішування холодної води.

Втрати розсіюванням через теплоізоляцію вказані в технічній документації накопичувальної ємності.

Як правило, величину втрат при підмішуванні холодної води і зниження корисного об'єму накопичувальної ємності приймають в межах 15-20% від номінального обсягу ємності.

Таким чином, мінімальний обсяг накопичувальної ємності VSp-хв (л) розраховується за формулою:

VSp-хв = VDP ⋅ 1,15,

де 1,15 - 15% втрати при перемішуванні з холодною водою.

Наступним кроком є ​​розрахунок необхідної потужності теплового насоса для гарячого водопостачання QWP (кВт). Цей розрахунок є необхідним для визначення навантаження ГВП за обраний період водорозбору.

де VSp - обсяг накопичувальної ємності (л); Taufh - час розігріву ємнісного водонагрівача.

Якщо час розігріву водонагрівача невелике, то необхідно, виходячи з максимальної продуктивності теплового насоса, визначити наступне: збільшувати обсяг накопичувальної ємності або використовувати додатковий теплогенератор? Другий варіант є більш привабливим, особливо для багатоквартирних будинків з великими піками водорозборів, ніж збільшення первинної потужності теплового насоса, що веде за собою підвищення інвестиційних витрат.

При визначенні максимальних періодів водорозбору проводиться розрахунок потужності теплового насоса для ГВП QWP (кВт), виходячи не тільки з номінальною навантаження протягом дня, але і з урахуванням пікового поправочного числа.

QWP> QDPT⋅NNE.

де NNE - поправочний число періоду максимального водорозбору; QDPT - потужність денного споживання в кВт.

Таким чином, етапи оцінки включають:

1. установка профілю навантаження;
2. установка потреби в енергії для найтривалішого періоду;
3. розрахунок теоретичного обсягу накопичувальної ємності для найтривалішого періоду;
4. визначення реального обсягу з урахуванням тепловтрат через ізоляцію і з підмішування;
5. визначення необхідної потужності теплового насоса на опалення;
6. перевірка відповідності потужності насоса періоду максимального водорозбору.

Спрощений підхід

Для котеджів зі стандартним санітарним обладнанням розрахунок потужності теплового насоса можна провести за спрощеною схемою: на 1 людину щодня приймається 25 л (60 ° C). Згідно мінімального обсягу розраховується температура подачі. Таким чином, обсяг накопичувача (загальний) в літрах:

VSp = Vtsoll.

Необхідний обсяг ГВС при tsoll (л):

де VDP60 - необхідний обсяг ГВС при 60 ° C в літрах.

приклад розрахунку

Для прикладу візьмемо будинок, де є 6 точок водорозбору. Період максимальної витрати енергії припадає з 20:30 до 21:30 годин - в цей час кожна точка споживає 4,445 кВт ∙ год енергії для гарячого водопостачання. Ці дані будемо враховувати при проектуванні: QDPBNE = 4,445 кВт ∙ год; NNE = 6; QDPB = 6 ⋅ 4,445 = 26,67 кВт ∙ год.

Потреба в первинній енергії для обраного періоду становить 26,67 кВт ∙ год; cw = 0,001163 кВт ∙ год / кг ⋅ K; tsoll = 60 ° C; tcw = 10 ° C.
На підставі цього:

Потреба в кількості питної води для ГВС для обраного періоду становить 459 л.

З огляду на 15% втрати при підмішування, розраховуємо необхідний мінімальний обсяг накопичувальної ємності:

VSp-хв = 459 л ⋅ 1,15 = 528 л.

На підставі проведених розрахунків можна запропонувати два варіанти компоновки систем.

Варіант №1 на увазі застосування накопичувача з внутрішнім теплообмінником (рис. 5). В даному випадку використовуються 2 накопичувальні ємності, по 390 л кожна. Згідно з технічним паспортом втрати через теплоізоляцію становлять 2,78 кВт / 24 год. Ці накопичувальні ємності припускають можливість отримання необхідних 60 ° C на виході за допомогою електронагрівальної вставки у верхній частині накопичувальної ємності.

Для розрахунку візьмемо період водорозбору між 9 і 19 годинами: Taufh = 11,5 годин.

Таким чином, необхідна теплова потужність споживання в зазначений період розраховується за формулою:

Цей показник становить 3,94 кВт.

Порівняємо його з середньодобовим споживанням QDPT = 11,445 кВт ∙ год / 24 год.

Тобто 3,94 кВт> 2,86 кВт.

У варіанті №2 можна використовувати бак із зовнішнім теплообмінником (рис. 6). Тут використовується 750-літрова накопичувальна ємність. Згідно технічного паспорта, теплові втрати становлять 3,2 кВт / 24 год.
Температура на виході з накопичувальної ємності такого обсягу повинна бути не менше 60 ° C по гігієнічним вимогам. Тому необхідний догрів другим теплогенератором або Теном.

Мал. 6. Накопичувальна ємність із зовнішнім теплообмінником

Спрощений розрахунок проводиться виходячи з кількості користувачів. Наприклад, на котедж, в якому проживають 4 людини необхідно: 4 людини ⋅ 25 л ⋅ 2 = 200 л (60 ° C).

Виходячи з цього:

Таким чином, при 50 ° C обсяг накопичувальної ємності дорівнює 250 л.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm . Підписуйтесь!

Вас може зацікавити:

Вам також може сподобатися

Замовлення було відправлено, з Вами зв'яжеться наш менеджер.