Immaginate un edificio per uffici di quattro piani a Guangzhou a luglio. Il carico di raffreddamento sta aumenteo, ogni piano ha bisogno di aria fresca, eppure il tetto rimane silenzioso, senza ventole del condensatore che martellano. Ciò che rende tutto ciò possibile è un circuito d’acqua che si muove silenziosamente attraverso l’edificio. All'interno di ciascun piano locale tecnico, a pompa di calore ad acqua (WSHP) fa lo stesso lavoro di un condizionatore, ma con una differenza fondamentale: scambia calore con l'acqua, non con l'aria esterna.
La risposta diretta: una pompa di calore ad acqua è una macchina di refrigerazione che assorbe il calore da un circuito d'acqua in modalità riscaldamento o respinge il calore nello stesso circuito in modalità raffreddamento. Sposta il calore da un luogo all'altro invece di crearlo. Poiché il circuito dell’acqua rimane a una temperatura molto più stabile rispetto all’aria esterna, il compressore svolge meno lavoro e l’unità fornisce riscaldamento o raffreddamento più utili per ogni kilowatt di elettricità consumata.
La risposta breve: come una pompa di calore ad acqua sposta il calore
Tutte le pompe di calore, comprese le WSHP, funzionano secondo lo stesso ciclo di refrigerazione in quattro fasi: evaporare, comprimere, condensare, espandere . In modalità riscaldamento, il refrigerante liquido freddo entra nello scambiatore di calore lato acqua, assorbe calore dall'acqua e bolle trasformandosi in vapore a bassa pressione. Il compressore aspira il vapore e ne aumenta la pressione e la temperatura. Il gas caldo e ad alta pressione fluisce quindi nella batteria interna, dove si condensa nuovamente in liquido e rilascia calore nell'aria della stanza o in un sistema di riscaldamento idronico. Una valvola di espansione termica dosa il liquido nuovamente nell'evaporatore e il ciclo si ripete.
In modalità raffreddamento, una valvola di inversione a quattro vie inverte il flusso. La batteria interna diventa l'evaporatore e assorbe il calore dalla stanza, mentre lo scambiatore di calore lato acqua diventa il condensatore e scarica il calore nel circuito dell'acqua. Il risultato è quello una macchina può fornire sia il riscaldamento che il raffreddamento utilizzando un unico circuito idraulico .
I quattro componenti che fanno il lavoro
Il compressore
Il compressore 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.
La valvola di inversione a quattro vie
La valvola di inversione è ciò che differenzia una pompa di calore da un normale condizionatore. Quando la valvola si sposta, la direzione del flusso del refrigerante si inverte, scambiando le funzioni dell'evaporatore e del condensatore. Un piccolo solenoide pilota muove la bobina principale. In modalità riscaldamento, il gas caldo viene convogliato alla batteria interna; in modalità raffreddamento il gas caldo viene convogliato allo scambiatore di calore lato acqua.
Lo scambiatore di calore refrigerante-acqua
È da qui che il WSHP prende il nome. Invece di una batteria alettata e un ventilatore esterno, il WSHP utilizza uno scambiatore di calore a piastre saldobrasate o uno scambiatore di calore a fascio tubiero. L'acqua scorre su un lato della superficie di scambio termico; il refrigerante scorre dall'altro. Poiché l’acqua ha un coefficiente di trasferimento del calore molto più elevato rispetto all’aria, questo scambiatore può essere fisicamente più piccolo di una batteria ad aria pur spostando la stessa quantità di calore. Nei sistemi più grandi il lato acqua è spesso una costruzione a fascio tubiero, essenzialmente la stessa tecnologia del condensatore raffreddato ad acqua a fascio tubiero utilizzati negli impianti di refrigerazione industriale. La scelta del materiale del tubo è importante: i tubi in rame sono standard in molte unità commerciali, mentre i tubi in acciaio inossidabile sono preferiti per applicazioni aggressive o con acqua di mare.
Produttori di condensatori raffreddati ad acqua a guscio e tubo serie OEM / ODM KCWS, fabbrica In qualità di produttori cinesi di condensatori a guscio e tubo raffreddati ad acqua della serie KCWS e all'ingrosso di condensatori raffreddati ad acqua a guscio e tubo della serie KCWS... Visualizza il prodotto → Il dispositivo di espansione
Tra il condensatore e l'evaporatore, il dispositivo di espansione - solitamente una valvola di espansione termostatica (TXV) o una valvola di espansione elettronica (EEV) - abbassa la pressione del refrigerante e misura il flusso corretto nell'evaporatore. Un EEV risponde più rapidamente alle variazioni di carico e mantiene il surriscaldamento più limitato, migliorando l'efficienza a carico parziale. Ciò è importante in un sistema WSHP perché la temperatura dell'acqua in entrata cambia durante l'anno, quindi il dispositivo di espansione deve adattarsi continuamente.
Modalità di riscaldamento e modalità di raffreddamento: lo stesso ciclo al contrario
Modalità riscaldamento
In modalità riscaldamento, il circuito dell'acqua è la fonte di calore. Per la maggior parte dei progetti di circuiti commerciali, l'acqua entra nell'unità a circa Da 50°F a 68°F (da 10°C a 20°C) . Il refrigerante assorbe il calore da quell'acqua ed evapora. Il compressore quindi aumenta il gas a una temperatura sufficientemente elevata da consentire alla batteria interna di fornire aria calda di mandata, in genere da 32 °C a 40 °C (da 90 °F a 105 °F). Finché il circuito rimane al di sopra di circa 7°C (45°F), l'unità può mantenere il riscaldamento utile senza fare affidamento sul calore elettrico di riserva.
Modalità di raffreddamento
In modalità raffreddamento, il circuito diventa un dissipatore di calore. L'acqua del circuito di ritorno in genere si trova in mezzo 70°F e 90°F (da 21°C a 32°C) . La batteria interna assorbe il calore dalla stanza, il compressore aumenta la temperatura del refrigerante ben al di sopra della temperatura dell'acqua e lo scambiatore di calore refrigerante-acqua trasferisce il calore nel circuito. Quanto più calda è l'acqua del circuito, tanto più intenso sarà il funzionamento del compressore: ecco perché il controllo della torre di raffreddamento e il ripristino della temperatura dell'acqua sono parti così importanti di un impianto WSHP ben gestito.
Circuiti chiusi, circuiti aperti e circuiti di costruzione: da dove viene l'acqua?
I WSHP funzionano con diverse fonti d'acqua. La scelta influisce sia sull'efficienza che sui costi di installazione.
| Tipo di sistema | Fonte d'acqua | Temperatura tipica dell'acqua in entrata | Più adatto per |
|---|---|---|---|
| Anello di terra chiuso | Tubo interrato in HDPE con miscela acqua-glicole | Da 32°F a 70°F (da 0°C a 21°C) per stagione | Abitazioni ed edifici commerciali con terreno per pozzi |
| Circuito aperto (acqua di pozzo) | Acqua freatica pompata attraverso lo scambiatore di calore | Da 45°F a 60°F (da 7°C a 16°C) | Proprietà con acqua di pozzo pulita e affidabile e reiniezione o drenaggio approvati |
| Circuito edilizio con caldaia e torre di raffreddamento | Circuito idrico dell'edificio condiviso; la caldaia aggiunge calore, la torre lo respinge | Da 60°F a 90°F (da 16°C a 32°C) | Uffici multi-tenant, alberghi, edifici ad uso misto |
| Ansa del lago o del fiume | Circuito chiuso sommerso in acque libere | Da 35°F a 75°F (da 2°C a 24°C) | Edifici vicino a corpi idrici profondi |
La maggior parte delle grandi installazioni WSHP commerciali utilizzano un circuito di costruzione condiviso. Ciascuna unità interna è sufficientemente piccola da poter essere inserita in un controsoffitto o in un piccolo locale tecnico e tutte le unità attingono dallo stesso circuito idraulico a due tubi. Quando alcune zone necessitano di calore mentre altre necessitano di raffreddamento, il calore respinto dalle zone di raffreddamento viene assorbito dalle zone di riscaldamento, una funzione chiamata recupero di calore . Ciò può ridurre notevolmente l’energia di riscaldamento e raffreddamento simultanea, che è uno dei motivi principali per cui i proprietari di edifici scelgono i sistemi ad acqua.
Perché l'acqua batte l'aria: WSHP vs pompa di calore ad aria
Entrambi i sistemi utilizzano lo stesso ciclo di compressione del vapore. La differenza è il mezzo sul lato esterno. L'aria cambia temperatura con il tempo; l'acqua in un circuito chiuso rimane molto più stabile. Questa stabilità cambia l’intero quadro della performance.
| Aspetto | WSHP | Pompa di calore ad aria (ASHP) |
|---|---|---|
| Fonte/dissipatore di calore | Anello d'acqua, stabile tutto l'anno | Aria esterna, oscillazioni con il tempo |
| Prestazioni di riscaldamento | Si degrada lentamente al diminuire della temperatura del circuito | Il COP scende bruscamente in caso di gelo |
| Prestazioni di raffreddamento | Stabile anche nelle giornate molto calde | Cade a temperature ambiente superiori a circa 95°F (35°C) |
| Rumore | Tranquillo; nessun ventilatore esterno | Rumore della ventola del condensatore esterno |
| Spazio | Nessuna unità sul tetto; locale tecnico interno o spazio vuoto nel soffitto | Necessita di unità esterna e spazio libero attorno ad essa |
| Installazione | Più tubazioni; è necessaria l'infrastruttura del circuito idrico | Solitamente più semplice negli edifici ristrutturati |
| Manutenzione | Trattamento acqua, cura pompe e scambiatori | Pulizia della batteria e accesso al refrigerante all'aperto |
Perché l'acqua ha più di 3.000 volte la capacità termica volumetrica dell'aria , uno scambiatore di calore acqua-refrigerante può essere molto più piccolo di una batteria ad aria con lo stesso funzionamento. Per il compressore, il numero importante è l'aumento della temperatura. Con l'ingresso dell'acqua a 60°F nel riscaldamento invernale, il compressore aumenta il refrigerante da circa 50°F a 100°F – un aumento di 50°F. Un'unità con sorgente aria in condizioni di gelo potrebbe dover aumentare la temperatura del refrigerante da -10 °F a 100 °F – un aumento di 110 °F. Circa la metà della portanza significa circa il doppio del COP di riscaldamento. Questa relazione fisica è la vera ragione per cui i sistemi di approvvigionamento idrico garantiscono una migliore efficienza stagionale. Per vedere fino a che punto si estende lo stesso principio, guarda il gamma completa di condensatori ed evaporatori utilizzato nei moderni impianti idronici.
L'efficienza nei numeri: COP, EER e cosa aspettarsi
Il COP (coefficiente di prestazione) è il rapporto tra il riscaldamento o il raffreddamento utile e l'assorbimento elettrico. Un COP di 4,0 in riscaldamento significa che per ogni kW di elettricità consumata dal compressore, l'unità fornisce 4 kW di calore. L'EER (indice di efficienza energetica) è l'equivalente in raffreddamento, normalmente espresso in Btu per wattora.
Cosa può realisticamente aspettarsi un acquirente da un moderno WSHP?
- COP in riscaldamento compreso tra 3,5 e 5,5 per la maggior parte dei sistemi con fonte idrica, a seconda della temperatura dell'acqua in entrata.
- EER di raffreddamento compreso tra 14 e 22 Btu/W-h nei tipici circuiti commerciali.
- Migliori prestazioni a carico parziale, perché il compressore modula o esegue cicli meno in condizioni miti.
- Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti riferisce che le pompe di calore geotermiche e acqua-aria possono ridurre il consumo di energia di circa Dal 25 al 50%. rispetto alle pompe di calore ad aria in edifici simili (fonte: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, panoramica delle pompe di calore geotermiche).
| Temperatura dell'acqua in ingresso (modalità riscaldamento) | Intervallo COP tipico |
|---|---|
| 50°F (10°C) | da 4,2 a 5,5 |
| 60°F (16°C) | 4.0-5.0 |
| 21°C (70°F) | 3,5-4,2 |
Si noti la tendenza: l’acqua del circuito più fredda significa un COP inferiore, motivo per cui i circuiti di terra e l’acqua di pozzo – che rimangono più caldi in inverno rispetto all’aria esterna – producono una migliore efficienza invernale rispetto alle apparecchiature ad aria.
Cinque considerazioni di progettazione che determinano le prestazioni nel mondo reale
- Portata dell'acqua. Ogni unità necessita di un flusso sufficiente per trasportare il calore senza eccessiva energia della pompa. Le unità di fonte d'acqua commerciali sono comunemente specificate in Da 2,5 a 3 galloni USA al minuto per tonnellata di raffreddamento ; i sistemi più grandi utilizzano flussi inferiori con differenze di temperatura più elevate.
- Ingresso nell'intervallo di temperatura dell'acqua. Mantenere la temperatura del circuito entro i limiti del produttore, in genere Da 10°C a 35°C (da 50°F a 95°F) in raffreddamento and Da 45°F a 75°F (da 7°C a 24°C) in modalità riscaldamento — per proteggere il compressore e mantenere validi i valori di capacità.
- Qualità dell'acqua e incrostazioni. Gli scambiatori di calore a piastre hanno canali stretti; detriti, incrostazioni o crescita biologica possono ridurre rapidamente il trasferimento di calore e aumentare la pressione di condensazione. Utilizzare filtri, sistemi di trattamento dell'acqua e, in caso di acqua aggressiva, scambiatori di calore in acciaio inossidabile.
- Protezione antigelo. I circuiti di terra necessitano di una miscela acqua-glicole; i circuiti degli edifici in spazi non riscaldati necessitano di antigelo, tracciamento elettrico o di una procedura di drenaggio affidabile.
- Reset della temperatura del circuito. Controlla la temperatura del circuito in base alle condizioni esterne e alla domanda della zona. Aumentando la temperatura del circuito in raffreddamento, o abbassandola leggermente in riscaldamento, si riduce il sollevamento del compressore e si riduce il consumo di energia nell'intero impianto.
Abbinamento del circuito dell'acqua con la giusta attrezzatura di refrigerazione
Una pompa di calore ad acqua è un elemento di un sistema di refrigerazione idronico più ampio. Gli stessi principi ingegneristici – compressione affidabile, scambio di calore pulito lato acqua e controllo stabile del refrigerante – si applicano al resto dell’impianto. Per i team di progetto che assemblano la propria soluzione per sala impianti, la scelta del condensatore, del refrigeratore e dell'unità di condensazione decide se il circuito raggiungerà effettivamente l'efficienza di progettazione.
Sul lato del raffreddamento, un packaged refrigeratore raffreddato ad acqua è il modo standard per rimuovere il calore dal circuito quando l'edificio è dotato di una torre di raffreddamento. Sul lato dello scambio di calore, il condensatore raffreddato ad acqua a fascio tubiero trasferisce il calore tra il refrigerante e l'acqua su un'ampia superficie facile da pulire. Negli impianti con evaporatori a pompa, a unità condensante con pompa a barile fornisce il ricircolo necessario per mantenere stabile la fornitura di refrigerante sotto carichi variabili.
Produttori di unità condensanti per pompe a barile OEM/ODM KTB, fabbrica - Zhejiang Kaidi In qualità di produttori cinesi di unità condensanti per pompe a barilotto KTB e fabbrica all'ingrosso oem / odm di unità condensanti per pompe a barilotto KTB, Zhejiang Kaidi Re... Visualizza il prodotto → 
Fornitore di refrigeratori raffreddati ad acqua personalizzati, azienda Zhejiang Kaidi Refrigeration Equipment Co., Ltd. è un fornitore cinese di refrigeratori raffreddati ad acqua e refrigeratori raffreddati ad acqua personalizzati, che offre solu... Visualizza il prodotto → Se si sta progettando un impianto di conservazione frigorifera o di raffreddamento di processo, si applica la stessa logica di selezione quando scelta di un'unità condensante per applicazioni di conservazione a freddo . È inoltre necessario adattare l'apparecchiatura all'intervallo di temperatura del circuito, alla qualità dell'acqua e al profilo di carico parziale previsto: e ne vale la pena discutere tali parametri con un ingegnere applicativo prima di finalizzare il pacchetto.
Asporto pratico: il WSHP è efficiente quanto il resto dell'impianto idronico. Pompe sovradimensionate, acqua non trattata o una torre di raffreddamento sottodimensionata eroderanno rapidamente il vantaggio COP. Inizia con la progettazione del circuito, quindi seleziona il pacchetto di compressore e scambiatore di calore attorno ad esso.
Domande frequenti sulle pompe di calore ad acqua
Le pompe di calore ad acqua funzionano nei climi freddi?
SÌ. In modalità riscaldamento, un'unità acqua-aria può comunque fornire un COP di 3,0 o migliore con acqua in ingresso a 40° F (4° C), che è molto al di sopra della temperatura dell'aria invernale nella maggior parte delle regioni fredde. Il motivo per cui funziona ad Harbin, Minneapolis o Oslo è semplice: il circuito è sepolto sottoterra o prelevato dalle falde acquifere, quindi le temperature invernali dell’aria non toccano mai la fonte di calore.
Una pompa di calore ad acqua è uguale a una pompa di calore geotermica?
Non esattamente. Una pompa di calore geotermica o geotermica è un tipo di sistema di fonte idrica. Utilizza un circuito di terra chiuso o acqua di pozzo come fonte di calore e lavandino. Ma molti WSHP funzionano su un circuito di edificio con una torre di raffreddamento e una caldaia, senza alcun collegamento a terra. Tutte le pompe di calore geotermiche sono sistemi ad acqua; non tutte le pompe di calore ad acqua sono geotermiche.
Un circuito dell'acqua può riscaldare e raffreddare diverse zone contemporaneamente?
Sì, e questo è uno dei maggiori vantaggi di un sistema WSHP. Ogni unità interna decide autonomamente se riscaldare o raffrescare. Quando un ufficio necessita di raffreddamento e un altro di riscaldamento, il circuito trasferisce il calore dall'uno all'altro e la caldaia e la torre di raffreddamento fanno solo la differenza.
Di quale manutenzione ha bisogno una pompa di calore ad acqua?
Tre aree sono importanti: qualità dell'acqua, carica di refrigerante e pulizia del lato aria. Il circuito necessita di filtrazione e trattamento dell'acqua regolari per prevenire incrostazioni negli scambiatori di calore a piastre o a fascio tubiero; Le superfici dello scambiatore di calore dovrebbero essere ispezionate annualmente; inoltre, le batterie e i filtri interni necessitano dello stesso programma di pulizia di qualsiasi ventilconvettore. Poiché non è presente una ventola del condensatore esterno, i soliti problemi di corrosione e detriti delle unità esterne scompaiono per lo più.
Quanto dura una pompa di calore ad acqua?
Con un corretto trattamento dell'acqua, in genere serve un WSHP commerciale di qualità 20-25 anni e il circuito idrico stesso può durare 50 anni o più. Il circuito del refrigerante è sigillato e il compressore è protetto dalla temperatura stabile del circuito, a differenza delle unità roof top che sono soggette a cicli termici estremi. Molti proprietari ritengono che l'ubicazione interna dell'attrezzatura sia il vero vantaggio della vita: non vede mai neve, sale o sole estivo.
Come faccio a scegliere tra acqua-acqua e acqua-aria?
Le unità acqua-aria sono le più comuni negli edifici adibiti ad uffici perché condizionano gli spazi occupati direttamente attraverso le canalizzazioni. Le unità acqua-acqua vengono utilizzate quando l'edificio dispone di una distribuzione idronica (riscaldamento a pavimento, soffitti refrigerati o acqua di raffreddamento di processo) perché producono acqua riscaldata o refrigerata invece di aria calda. Per processi industriali come il raffreddamento laser o la lavorazione alimentare, l’architettura acqua-acqua è solitamente l’architettura corretta.
La linea di fondo
Una pompa di calore ad acqua è semplicemente una macchina di refrigerazione che utilizza un circuito d'acqua come fonte di calore e dissipatore. I componenti sono convenzionali, il ciclo è il ciclo standard a compressione di vapore e il vantaggio in termini di efficienza deriva quasi interamente dalla stabilità della temperatura dell'acqua. Che tu stia progettando una torre per uffici di 40 piani, un magazzino frigorifero o un sistema di raffreddamento di processo, il concetto WSHP è lo stesso e la scelta delle apparecchiature sul lato acqua, dagli scambiatori di calore a piastre ai condensatori a fascio tubiero, decide quanto bene quel concetto si comporta nel funzionamento reale.
