يمكن أن يكون نظام مضخة الحرارة الهيدرونية ذات الحلقة الواحدة بسيطًا وفعالًا وفعالًا من حيث التكلفة ولكن فقط عندما تظل الظروف الهيدروليكية ضمن متطلبات تشغيل مضخة الحرارة.
في مشاريع التدفئة والتبريد الحقيقية، يمكن توصيل مضخة حرارة من الهواء إلى الماء بأنواع مختلفة من الوحدات النهائية، بما في ذلك:
التدفئة الأرضية
أجهزة التبريد
وحدات لفائف المروحة
لفائف وحدة معالجة الهواء
محطات التدفئة أو التبريد المائية الأخرى
هذه المحطات لا تعمل دائما في وقت واحد.
عندما تصل الحرارة إلى نقاطها المحددة ، قد تغلق صمامات المنطقة. قد تتغير صمامات التحكم في ملفات المروحة. قد تصبح المرشحات قذرة. قد تتغير مقاومة النظام.
ونتيجة لذلكيمكن أن يكون تدفق الماء الفعلي من خلال مضخة الحرارة مختلفًا جدًا عن معدل تدفق التصميم.
هذا هو أحد أهم التحديات الهندسية في نظام مضخة الحرارة المتصلة مباشرة أو الحلقة الواحدة.
يتم تصميم كل مضخة حرارة هيدرونيكية واختبارها في ظروف تشغيل محددة.
هذه تتضمن عادة:
درجة حرارة الهواء الخارجي
إدخال درجة حرارة الماء
درجة حرارة الماء
معدل تدفق الماء
فرق درجة حرارة الإمداد والعودة، أو ΔT
من بين هذه المعاييرمعدل تدفق المياه مهم بشكل خاص للمبادل الحراري على جانب المياه.
علاقة نقل الحرارة الأساسية هي:
Q = ṁ × Cp × ΔT
بالنسبة لأنظمة HVAC المعتمدة على المياه ، يمكن تبسيط ذلك إلى:
Q ≈ 1.163 × V × ΔT
حيث:
ق= قدرة نقل الحرارة، كيلوواط
V= معدل تدفق المياه، م3/ساعة
ΔT= فرق درجة حرارة الماء، K
تشرح هذه المعادلة لماذا لا يمكن النظر في تدفق المياه و ΔT بشكل مستقل.
بالنسبة لمعدل نقل الحرارة معين:
تدفق أقل → ΔT أعلى
و
تدفق أعلى → ΔT أقل
لنفترض أن مضخة الحرارة مصممة للعمل عند:
تدفق المياه المصمم = 4.0 م3/س
إذا انخفض تدفق النظام الفعلي بنسبة 20٪ ، يصبح التدفق:
3.2 م3/ساعة
إذا كانت مضخة الحرارة لا تزال تحاول نقل نفس الكمية تقريبًا من الطاقة ، يجب أن يزداد ΔT على الجانب المائي.
على سبيل المثال
حالة التصميم
20 كيلوواط = 1.163 × 3.44 م3/س × 5 كيلوواط
إذا انخفض التدفق إلى حوالي 2.75 م 3 / ساعة مع بقاء نقل الحرارة 20 كيلوواط:
ΔT ≈ 6.25 K
لذلك يبدأ النظام في الابتعاد عن حالته الأصلية
الانحراف المتوسط قد يكون قابلاً للإدارة.
ربما لا يكون هناك انحراف كبير
تدفق المياه غير الكافي يزيد من ΔT.
يمكن أن يؤثر على:
أداء المبادل الحراري
ضغط التكثيف في المبرد
درجة حرارة تبخر المبرد
ظروف تشغيل الضاغط
ترك استقرار درجة حرارة الماء
قدرة التدفئة أو التبريد
COP/EER
عملية إزالة الجليد
موثوقية النظام
العواقب مختلفة في عملية التدفئة والتبريد.
أثناء وضع التسخين ، ينقل المبرد الحرارة إلى الماء المتداول من خلال المكثف.
إذا أصبح تدفق المياه منخفضًا جدًا ، فلن يتمكن الماء من إزالة الحرارة من مبادل الحرارة الجانبي للمبرد بسرعة كافية.
هذا يمكن أن يسبب ارتفاع درجة حرارة الماء الخارجي بسرعة.
في نفس الوقت، قد تزداد درجة حرارة وتكثيف المبرد والضغط.
في الحالات الشديدة ، قد تظهر مضخة الحرارة:
حماية الضغط العالي
درجة حرارة التفريغ المفرطة
درجة حرارة المياه غير المستقرة عند الخروج
دورة الضاغط
انخفاض كفاءة التشغيل
إنذارات حماية المبادل الحراري
الإجابة الدقيقة تعتمد على دائرة التبريد في مضخة الحرارة ومنطق التحكم.
التدفق الطبيعي
مضخة الحرارة
↓
تدفق المياه الكافي
↓
نقل الحرارة المستقر
↓
ضغط التكثيف المستقر
↓
التشغيل الطبيعي
تدفق غير كاف
مضخة الحرارة
↓
انخفاض تدفق المياه
↓
خفض إزالة الحرارة
↓
أعلى ΔT الجانب المائي
↓
ارتفاع درجة حرارة الضغط
↓
الحماية المحتملة من الضغط العالي
هذا هو السبب في الحفاظ على الحد الأدنى من التدفق أمر ضروري.
أثناء عملية التبريد ، تقوم مضخة الحرارة بإزالة الحرارة من المياه الدائرة.
مُبادل الحرارة الجانبي للماء يعمل الآن كمبخر.
إذا أصبح تدفق المياه منخفضًا جدًا ، فقد تنخفض درجة حرارة المياه داخل مبادل الحرارة بشكل مفرط.
هذا يمكن أن يؤدي إلى:
تدفق المياه المنخفضة درجة حرارة التبخر المنخفضة خطر التجمد
إذا أصبحت الحالة شديدة، قد يتجمد الماء داخل مقايض الحرارة الصفيح.
التوسع الجليدي يمكن أن يضر مُبادل الحرارة ميكانيكياً.
هذا فشل خطير لأن مبادلة الحرارة المعطوبة قد تسمح للماء بالدخول إلى دائرة المبرد.
ولذلك، فإن أنظمة التبريد تتطلب النظر بعناية خاصة في:
الحد الأدنى لتدفق الماء
حماية مفتاح التدفق
حماية درجة حرارة الماء
حماية مضادة للتجمد
جودة المياه
تركيز الجليكول عند الحاجة
منطق تشغيل المضخة
هذا هو واحد من أهم المفاهيم في تصميم نظام حلقة واحدة.
أثناء التشغيل ، يمكن أن تكون جميع دوائر المحطة مفتوحة.
يقوم المثبت بقياس النظام وكل شيء يبدو طبيعياً
على سبيل المثال
تدفق مصمم لمضخة الحرارة: 4.0 م3/س
التدفق القياسي للتشغيل: 4.1 م3/س
كل شيء يبدو صحيحاً
لكن ماذا يحدث بعد أن يبدأ المبنى بالعمل بشكل طبيعي؟
لنفترض أن النظام يحتوي على ستة وحدات مروحة.
عند الحمل الكامل:
وفقًا لـ FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = التدفق الكلي الكافي
بعد ذلك، خمس غرف تصل إلى نقاط تحديد الحرارة الخاصة بها.
خمسة صمامات محركية تغلق
لم يبق سوى مروحة واحدة
المقاومة الهيدروليكية للنظام تتغير بشكل كبير
مضخة الحرارة قد تتلقى الآن أقل بكثير من الحد الأدنى المطلوب من تدفق المياه.
هذا يعني:
النظام الذي يعمل بشكل صحيح أثناء التشغيل قد لا يعمل بشكل صحيح في ظروف الحمل الجزئي.
هذا مهم بشكل خاص لمضخات الحرارة المستبدلة لأن المباني تقضي نسبة كبيرة من موسم التدفئة تعمل تحت حمولة جزئية.
المحطات المختلفة لها خصائص هيدروليكية مختلفة.
على سبيل المثال
التدفق يتأثر:
عدد الحلقات النشطة
الموازنة المتعددة
طول الأنابيب
قطر الأنابيب
موقع جهاز التشغيل
صمامات الخلط
التحكم في الحرارة
يمكن أن يتغير التدفق عندما:
الصمامات ذات الاتجاهين تغلق
صمامات التحكم تتغير
فروع لفائف المروحة معزولة
تصبح المرشحات قذرة
يمكن أن يختلف التدفق حسب:
صمامات المبردات الحرارية
صمامات التوازن
صمامات المنطقة
ضغط التفاضل
لذلك يجب على المصمم أن لا يحسب فقطحالة التصميم عند الحمل الكامل.
يجب أيضا تقييم النظام الهيدروليكيظروف الحد الأدنى للحمل.
في نظام متصل مباشرة ، قد تحتاج مضخة الدورة الدموية الواحدة إلى التغلب على مقاومة الضغط من:
مضخة الحرارة + أنابيب + صمامات + مرشحات + مجموعة + وحدات الطرف
وبالتالي فإن نقطة عمل المضخة المطلوبة هي:
معدل تدفق التصميم + الرأس الديناميكي الكلي
ومع ذلك، فإن المقاومة النهائية ليست دائماً.
عندما تغلق الصمامات، يتغير منحنى مقاومة النظام.
هذا هو السبب في أن مجرد اختيار مضخة أكبر ليس دائما حلا جيدا.
مضخة الدورة الدموية الكبيرة قد تسبب:
التدفق المفرط
ضغط التفاضل المفرط
ضوضاء التدفق
مشاكل سلطة الصمام
زيادة استهلاك الكهرباء في المضخة
النظام المقلص ΔT
ضعف استقرار التحكم
الهدف ليس اختيار أكبر مضخة.
الهدف هو اختيار مضخة يمكن أن تعمل بشكل صحيح عبر النطاق الهيدروليكي المتوقع.
معظم مضخات الحرارة من الهواء إلى الماء تحدد الحد الأدنى من تدفق المياه المسموح به.
على سبيل المثال
تدفق التصميم: 4.0 م3/س
الحد الأدنى للجريان المسموح به: 2.5 م3/س
يجب أن يضمن مصمم النظام أن تدفق مضخة الحرارة الفعلي لا ينخفض إلى أقل من 2.5 م 3 / ساعة حتى عندما تكون مناطق نهاية متعددة مغلقة.
هذا يختلف أساسا عن مجرد تأكيد أن تدفق التصميم متاح في الحمل الكامل.
لذلك يجب أن يجيب تصميم هيدروليك جيد على سؤالين:
هل يمكن للنظام توفير تدفق التصميم المطلوب عند الحد الأقصى للحمل؟
هل النظام لا يزال قادر على الحفاظ على الحد الأدنى من تدفق مضخة الحرارة المطلوبة في الحد الأدنى من الحمل؟
كلا الشرطين مهمان
عادة ما يتم تثبيت مفتاح تدفق لحماية مضخة الحرارة.
هدفه بسيط:
التدفق الكافي → مضخة الحرارة مسموح لها بالعمل
التدفق غير الكافي → مضخة الحرارة أوقفت/محمية
هذا جهاز أمان مهم
ومع ذلك:
يقوم مفتاح التدفق بحماية مضخة الحرارة من حالة هيدروليكية سيئة؛ فهو لا يصحح الحالة الهيدروليكية.
هذا التمييز حاسم.
إذا كانت الصمامات النهائية تقلل باستمرار من تدفق المياه إلى أقل من الحد الأدنى المطلوب ، فقد يوقف مفتاح التدفق مضخة الحرارة بشكل متكرر.
يتم حماية المعدات ولكن نظام التدفئة لا يزال لا يعمل بشكل صحيح.
لذلك، لا ينبغي أبداً الخلط بين حماية التدفق والتصميم الهيدروليكي.
الصمامات ذات الاتجاهين تستخدم على نطاق واسع في أنظمة HVAC الحديثة.
عندما تحتاج الغرفة إلى التدفئة:
جهاز التحكم الحراري ON → صمام يفتح → تدفقات المياه
عندما تصل الغرفة إلى نقطة الإعداد
الترمستات مغلق → الصمام يغلق → توقف تدفق المياه
هذا يوفر تحكم ممتاز على مستوى الغرفة.
ومع ذلك ، في نظام حلقة واحدة ، فإن إغلاق صمامات متعددة ثنائية الاتجاه يقلل من تدفق النظام الكلي.
على سبيل المثال
6 مناطق مفتوحة
→ 100% تدفق التصميم
→ مضخة الحرارة تعمل بشكل طبيعي
3 مناطق مفتوحة
→ انخفاض التدفق
→ مضخة الحرارة قد لا تزال تعمل بشكل طبيعي
1 منطقة مفتوحة
→ تدفق النظام المنخفض جداً
→ قد لا يتم تلبية الحد الأدنى لتدفق مضخة الحرارة
هذه واحدة من أكثر التحديات الهيدروليكية شيوعاً في الأنظمة المتعددة المناطق المرتبطة مباشرة.
واحد من الحلول الممكنة هوصمام المراوغة للضغط التفاضلي.
يتم تثبيت الالتفاف بين أنابيب الإمداد والعودة.
عندما تكون الصمامات النهائية مفتوحة:
ضغط التفاضل منخفض
الماء يتدفق من خلال المحطات
عندما تغلق الصمامات النهائية:
مقاومة النظام ↑
الضغط التفاضلي ↑
صمام الإبحار يفتح تدريجيا
جزء من مياه الإمداد بعد ذلك يتجاوز النظام النهائي ويعود مباشرة إلى مضخة الحرارة.
هذا يساعد على الحفاظ على الحد الأدنى من الدورة الدموية.
إمدادات مضخات الحرارة
↓
الدائرة النهائية
↓
العودة
لكن عندما ينخفض التدفق النهائي
الإمداد → اختصار الضغط التفاضلي → العودة
هذا يمكن أن يساعد على حماية الحد الأدنى من تدفق مضخة الحرارة.
ومع ذلك ، يجب تصميم تدفق التحايل بشكل صحيح لأن التحايل المفرط يمكن أن يزيد من درجة حرارة مياه العودة أثناء التدفئة ويقلل من توصيل الحرارة المفيدة إلى المبنى.
طريقة أخرى هي استخدام صمامات التحكم ثلاثية الاتجاه.
على عكس الصمام ذو الاتجاهين الذي يمنع تدفق المياه ببساطة، يمكن أن يعيد ترتيب الصمام ذو الاتجاه الثلاثي توجيه التدفق من خلال مسار التجاوز.
من الناحية المفهومية:
الغرفة تحتاج إلى تسخين
الإمداد → المحطة → العودة
الغرفة لا تحتاج إلى تسخين
الإمداد → الإجتياز → العودة
هذا يمكن أن يحافظ على تدفق الدورة الدموية الأساسية أكثر استقراراً.
ومع ذلك ، فإن الصمامات ثلاثية الاتجاه تخلق أيضًا تدفقًا متواصلًا للانتقال ويمكن أن تزيد من طاقة الضخ.
لذلك، يجب أن يستند الاختيار بين الصمامات ثنائية الاتجاه والصمامات الثلاثية الاتجاه إلى التصميم الهيدروليكي الكامل بدلاً من تفضيل المكونات.
مضخات الدورة الدموية ذات السرعة المتغيرة يمكن أن تحسن بكثير من كفاءة النظام الهيدروكي.
أنماط التحكم الشائعة تشمل:
سرعة ثابتة
الضغط التفاضلي الثابت
الضغط التفاضلي النسبي
جهاز التحكم الخارجي 010 فولت
تحكم PWM
نظام التحكم في سرعة متغيرة متكامل بمضخة الحرارة
عندما تغلق الصمامات النهائية ، يمكن لمضخة ذات سرعة متغيرة أن تقلل من سرعتها.
هذا يمكن أن يقلل من:
طاقة الضخ
ضغط التفاضل
ضوضاء التدفق
ضغط الصمام
ومع ذلك، يجب أن لا تقلل المضخة من السرعة لدرجة أن تدفق مضخة الحرارة يقع تحت الحد الأدنى المطلوب.
لذلك:
تحكم المضخة المتغير ≠ خفض التدفق غير المحدود
لا يزال الحد الأدنى لمتطلبات تدفق مضخة الحرارة هو القيود الحاكمة.
مشاكل التدفق ليست دائماً بسبب صمامات التحكم
يمكن أن يزيد تدريجياً انخفاض ضغط النظام من خلال فحص Y أو فاصل التراب المغناطيسي.
قد تبدو التطورات مثل:
مرشح نظيف
↓
انخفاض ضغط طبيعي
↓
التدفق الطبيعي
ثم:
تراكم التراب
↓
انخفاض ضغط أعلى
↓
تدفق المياه السفلي
↓
ΔT أعلى
↓
مشاكل في أداء مضخة الحرارة
لهذا السبب يجب أن تشمل التشغيل والصيانة:
قياس التدفق
قياس ضغط الإمداد / العودة
فحص المرشحات
تنظيف المكنسة
إزالة الهواء
فحص جودة المياه
النظام الذي يعمل بشكل صحيح عندما كان جديداً يمكن أن يصاب بمشاكل هيدروليكية لاحقاً بسبب التلوث أو الهواء المحاصر.
التراكم في الهواء يمكن أن يسبب:
انخفاض التدفق الفعلي
غطاء المضخة
الضوضاء
التدفئة غير المتساوية
مشاكل الدورة الدموية المحلية
إنذارات مفاتيح التدفق
لذلك فإن فتحات الهواء التلقائية ومفصلات الهواء وضغط النظام الصحيح وإجراءات التشغيل المناسبة هي أجزاء مهمة من التصميم الهيدروليكي لمضخة الحرارة.
لا ينبغي تقييم مضخة حرارة من الهواء إلى المياه القابلة للإرجاع هيدروليكياً فقط في وضع التدفئة.
التدفئة والتبريد يخلقان مخاطر مختلفة.
القلق الرئيسي مع تدفق غير كاف:
رفض الحرارة الضعيف → درجة حرارة / ضغط التكثيف العالية
القلق الرئيسي مع تدفق غير كاف:
تبريد المياه المفرط → درجة حرارة التبخر المنخفضة → خطر التجمد
ولذلك، فإن النظام المقبول للتدفئة ليس آمنا تلقائيا للتبريد.
هذا مهم بشكل خاص للأنظمة التي تستخدم:
ملفات المروحة
أجهزة AHU للمياه المبردة
تبريد الإشعاع
تبريد العملية منخفضة الحرارة
قبل تشغيل نظام مضخة الحرارة ذات الحلقة الواحدة، تحقق من ما يلي:
مضخة الحرارة
✓ تصميم تدفق الماء
✓ الحد الأدنى للسير
✓ الحد الأقصى للسير
✓ الحد الأدنى لحجم المياه في النظام
✓ درجة حرارة التسخين والماء
✓ تبريد درجة حرارة المياه
مضخة الدورة الدموية
✓ تدفق التصميم
✓ الرأس المتاح
✓ وضع التحكم
✓ الحد الأدنى للسرعة
✓ منحنى المضخة
الشبكة الهيدروليكية
✓ قطر الأنابيب
✓ انخفاض الضغط الكلي
✓ مقاومة الصمام
✓ مقاومة الفلتر
✓ انخفاض في ضغط الحافة
✓ التوازن الهيدروليكي
تحكم المحطة
عدد المناطق
✓ صمامات ثنائية أو ثلاثية الاتجاه
✓ الحد الأدنى من الدوائر المفتوحة
✓ تدفق الحمل الجزئي
✓ متطلبات الإغلاق
الحماية
✓ مفتاح التدفق
✓ حماية من التجميد
✓ حماية الضغط العالي
✓ فتحة هواء تلقائية
✓ وعاء التوسع
✓ صمام الأمان
الأهم:
التحقق من النظام الهيدروليكي عند الحمل القصوى والحمل الأدنى.
بالنسبة لنظام مضخة الحرارة ذات الحلقة الواحدة ، يتم توصيل مضخة الحرارة وشبكة توزيع المبنى هيدروليكياً.
هذا يعني أن كل تغيير على جانب المحطة يمكن أن يؤثر على مضخة الحرارة.
جهاز تحكم الحرارة يغلق صمام
↓
تغيرات مقاومة النظام
↓
التغيرات في تدفق المياه.
↓
تغيرات مضخة الحرارة ΔT.
↓
تغير ظروف تشغيل التبريد
↓
القدرة والكفاءة والموثوقية قد تتغير.
لهذا السبب لا يمكن فصل التصميم الهيدروكي عن اختيار مضخة الحرارة.
يمكن أن يوفر نظام مضخة الحرارة الهيدرونية ذات الحلقة الواحدة حلًا بسيطًا وفعالًا للغاية للتدفئة والتبريد للمساكن والتجارة الخفيفة.
لكن نجاح العملية يعتمد بشكل كبير علىاستقرار تدفق الماء.
يجب على المصمم النظر ليس فقط في قدرة مضخة الحرارة الاسمية ولكن أيضا:
تدفق التصميم → الحد الأدنى للتدفق → ΔT → انخفاض الضغط → اختيار المضخة → المقاومة النهائية → التحكم في المنطقة → استراتيجية التحايل → حماية النظام
قد تعمل مضخة الحرارة بشكل مثالي عندما تكون كل محطة مفتوحة أثناء التشغيل ولكنها تصبح غير مستقرة عندما يدخل المبنى في تشغيل الحمل الجزئي.
ولذلك فإن أحد أهم المبادئ في تصميم نظام مضخة الحرارة هو:
لا تصمم فقط للحمل الكامل. تصميم النظام الهيدروليكي لمدى العمل بأكمله.
الحفاظ على تدفق المياه الكافي من خلال مضخة الحرارة في جميع ظروف التشغيل المتوقعة أمر ضروريالكفاءة والراحة وموثوقية الضاغط وحماية التجمد وأداء النظام على المدى الطويل.
انخفاض تدفق المياه يزيد من فرق درجة الحرارة على الجانب المائي ويمكن أن يقلل من أداء المبادل الحراري.قد تساهم ظروف تدفق منخفضة شديدة في ارتفاع ضغط التكثيف والأنذارات الحمايةفي وضع التبريد ، يمكن أن يزيد التدفق غير الكافي من خطر انخفاض المياه وتبخر درجات الحرارة بشكل مفرط.
الحد الأدنى من التدفق يضمن أن المبادل الحراري على جانب الماء يمكن أن ينقل باستمرار الطاقة الحرارية المطلوبة دون تغيرات درجة الحرارة المفرطة أو ظروف تشغيل المبرد غير المستقرة.
ليس بالضرورة. يجب أن يضع اختيار المضخة في اعتبار كل من التدفق المطلوب ورأس النظام. المضخة ذات الحجم الكبير يمكن أن تزيد من استهلاك الطاقة،الضوضاء والضغط التفاضلي دون تصحيح مشكلة التصميم الهيدروليكية الكامنة.
يزيد إغلاق صمامات المنطقة الثنائية الاتجاه من المقاومة الهيدروليكية لنظام التوزيع ويزيل مسارات التدفق المتوازية. مع إغلاق المزيد من المناطق ، يمكن أن ينخفض تدفق النظام الإجمالي بشكل كبير.
لا، مفاتيح التدفق هي أساسا جهاز حماية. يمكنها إيقاف مضخة الحرارة عندما تصبح الدورة الدموية غير كافية، لكنها لا تصحح السبب الهيدروليكي لخفض التدفق.
قد يكون مفيداً في الأنظمة ذات التدفق المتغير المرتبطة مباشرة حيث يمكن إغلاق صمامات الطرف ويجب الحفاظ على الحد الأدنى من الدورة الدموية من خلال مضخة الحرارة.يجب أن يتم هندسة إعدادها وتدفق التحايل بدلا من اختيار تعسفيا.
نعم، ولكن يجب على المصمم التأكد من أن الحد الأدنى من تدفق مضخة الحرارة ومتطلبات حجم المياه تبقى مفيداً عندما يكون عدد قليل فقط من المناطق تتطلب التدفئة أو التبريد.
يمكن أن يكون نظام مضخة الحرارة الهيدرونية ذات الحلقة الواحدة بسيطًا وفعالًا وفعالًا من حيث التكلفة ولكن فقط عندما تظل الظروف الهيدروليكية ضمن متطلبات تشغيل مضخة الحرارة.
في مشاريع التدفئة والتبريد الحقيقية، يمكن توصيل مضخة حرارة من الهواء إلى الماء بأنواع مختلفة من الوحدات النهائية، بما في ذلك:
التدفئة الأرضية
أجهزة التبريد
وحدات لفائف المروحة
لفائف وحدة معالجة الهواء
محطات التدفئة أو التبريد المائية الأخرى
هذه المحطات لا تعمل دائما في وقت واحد.
عندما تصل الحرارة إلى نقاطها المحددة ، قد تغلق صمامات المنطقة. قد تتغير صمامات التحكم في ملفات المروحة. قد تصبح المرشحات قذرة. قد تتغير مقاومة النظام.
ونتيجة لذلكيمكن أن يكون تدفق الماء الفعلي من خلال مضخة الحرارة مختلفًا جدًا عن معدل تدفق التصميم.
هذا هو أحد أهم التحديات الهندسية في نظام مضخة الحرارة المتصلة مباشرة أو الحلقة الواحدة.
يتم تصميم كل مضخة حرارة هيدرونيكية واختبارها في ظروف تشغيل محددة.
هذه تتضمن عادة:
درجة حرارة الهواء الخارجي
إدخال درجة حرارة الماء
درجة حرارة الماء
معدل تدفق الماء
فرق درجة حرارة الإمداد والعودة، أو ΔT
من بين هذه المعاييرمعدل تدفق المياه مهم بشكل خاص للمبادل الحراري على جانب المياه.
علاقة نقل الحرارة الأساسية هي:
Q = ṁ × Cp × ΔT
بالنسبة لأنظمة HVAC المعتمدة على المياه ، يمكن تبسيط ذلك إلى:
Q ≈ 1.163 × V × ΔT
حيث:
ق= قدرة نقل الحرارة، كيلوواط
V= معدل تدفق المياه، م3/ساعة
ΔT= فرق درجة حرارة الماء، K
تشرح هذه المعادلة لماذا لا يمكن النظر في تدفق المياه و ΔT بشكل مستقل.
بالنسبة لمعدل نقل الحرارة معين:
تدفق أقل → ΔT أعلى
و
تدفق أعلى → ΔT أقل
لنفترض أن مضخة الحرارة مصممة للعمل عند:
تدفق المياه المصمم = 4.0 م3/س
إذا انخفض تدفق النظام الفعلي بنسبة 20٪ ، يصبح التدفق:
3.2 م3/ساعة
إذا كانت مضخة الحرارة لا تزال تحاول نقل نفس الكمية تقريبًا من الطاقة ، يجب أن يزداد ΔT على الجانب المائي.
على سبيل المثال
حالة التصميم
20 كيلوواط = 1.163 × 3.44 م3/س × 5 كيلوواط
إذا انخفض التدفق إلى حوالي 2.75 م 3 / ساعة مع بقاء نقل الحرارة 20 كيلوواط:
ΔT ≈ 6.25 K
لذلك يبدأ النظام في الابتعاد عن حالته الأصلية
الانحراف المتوسط قد يكون قابلاً للإدارة.
ربما لا يكون هناك انحراف كبير
تدفق المياه غير الكافي يزيد من ΔT.
يمكن أن يؤثر على:
أداء المبادل الحراري
ضغط التكثيف في المبرد
درجة حرارة تبخر المبرد
ظروف تشغيل الضاغط
ترك استقرار درجة حرارة الماء
قدرة التدفئة أو التبريد
COP/EER
عملية إزالة الجليد
موثوقية النظام
العواقب مختلفة في عملية التدفئة والتبريد.
أثناء وضع التسخين ، ينقل المبرد الحرارة إلى الماء المتداول من خلال المكثف.
إذا أصبح تدفق المياه منخفضًا جدًا ، فلن يتمكن الماء من إزالة الحرارة من مبادل الحرارة الجانبي للمبرد بسرعة كافية.
هذا يمكن أن يسبب ارتفاع درجة حرارة الماء الخارجي بسرعة.
في نفس الوقت، قد تزداد درجة حرارة وتكثيف المبرد والضغط.
في الحالات الشديدة ، قد تظهر مضخة الحرارة:
حماية الضغط العالي
درجة حرارة التفريغ المفرطة
درجة حرارة المياه غير المستقرة عند الخروج
دورة الضاغط
انخفاض كفاءة التشغيل
إنذارات حماية المبادل الحراري
الإجابة الدقيقة تعتمد على دائرة التبريد في مضخة الحرارة ومنطق التحكم.
التدفق الطبيعي
مضخة الحرارة
↓
تدفق المياه الكافي
↓
نقل الحرارة المستقر
↓
ضغط التكثيف المستقر
↓
التشغيل الطبيعي
تدفق غير كاف
مضخة الحرارة
↓
انخفاض تدفق المياه
↓
خفض إزالة الحرارة
↓
أعلى ΔT الجانب المائي
↓
ارتفاع درجة حرارة الضغط
↓
الحماية المحتملة من الضغط العالي
هذا هو السبب في الحفاظ على الحد الأدنى من التدفق أمر ضروري.
أثناء عملية التبريد ، تقوم مضخة الحرارة بإزالة الحرارة من المياه الدائرة.
مُبادل الحرارة الجانبي للماء يعمل الآن كمبخر.
إذا أصبح تدفق المياه منخفضًا جدًا ، فقد تنخفض درجة حرارة المياه داخل مبادل الحرارة بشكل مفرط.
هذا يمكن أن يؤدي إلى:
تدفق المياه المنخفضة درجة حرارة التبخر المنخفضة خطر التجمد
إذا أصبحت الحالة شديدة، قد يتجمد الماء داخل مقايض الحرارة الصفيح.
التوسع الجليدي يمكن أن يضر مُبادل الحرارة ميكانيكياً.
هذا فشل خطير لأن مبادلة الحرارة المعطوبة قد تسمح للماء بالدخول إلى دائرة المبرد.
ولذلك، فإن أنظمة التبريد تتطلب النظر بعناية خاصة في:
الحد الأدنى لتدفق الماء
حماية مفتاح التدفق
حماية درجة حرارة الماء
حماية مضادة للتجمد
جودة المياه
تركيز الجليكول عند الحاجة
منطق تشغيل المضخة
هذا هو واحد من أهم المفاهيم في تصميم نظام حلقة واحدة.
أثناء التشغيل ، يمكن أن تكون جميع دوائر المحطة مفتوحة.
يقوم المثبت بقياس النظام وكل شيء يبدو طبيعياً
على سبيل المثال
تدفق مصمم لمضخة الحرارة: 4.0 م3/س
التدفق القياسي للتشغيل: 4.1 م3/س
كل شيء يبدو صحيحاً
لكن ماذا يحدث بعد أن يبدأ المبنى بالعمل بشكل طبيعي؟
لنفترض أن النظام يحتوي على ستة وحدات مروحة.
عند الحمل الكامل:
وفقًا لـ FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = التدفق الكلي الكافي
بعد ذلك، خمس غرف تصل إلى نقاط تحديد الحرارة الخاصة بها.
خمسة صمامات محركية تغلق
لم يبق سوى مروحة واحدة
المقاومة الهيدروليكية للنظام تتغير بشكل كبير
مضخة الحرارة قد تتلقى الآن أقل بكثير من الحد الأدنى المطلوب من تدفق المياه.
هذا يعني:
النظام الذي يعمل بشكل صحيح أثناء التشغيل قد لا يعمل بشكل صحيح في ظروف الحمل الجزئي.
هذا مهم بشكل خاص لمضخات الحرارة المستبدلة لأن المباني تقضي نسبة كبيرة من موسم التدفئة تعمل تحت حمولة جزئية.
المحطات المختلفة لها خصائص هيدروليكية مختلفة.
على سبيل المثال
التدفق يتأثر:
عدد الحلقات النشطة
الموازنة المتعددة
طول الأنابيب
قطر الأنابيب
موقع جهاز التشغيل
صمامات الخلط
التحكم في الحرارة
يمكن أن يتغير التدفق عندما:
الصمامات ذات الاتجاهين تغلق
صمامات التحكم تتغير
فروع لفائف المروحة معزولة
تصبح المرشحات قذرة
يمكن أن يختلف التدفق حسب:
صمامات المبردات الحرارية
صمامات التوازن
صمامات المنطقة
ضغط التفاضل
لذلك يجب على المصمم أن لا يحسب فقطحالة التصميم عند الحمل الكامل.
يجب أيضا تقييم النظام الهيدروليكيظروف الحد الأدنى للحمل.
في نظام متصل مباشرة ، قد تحتاج مضخة الدورة الدموية الواحدة إلى التغلب على مقاومة الضغط من:
مضخة الحرارة + أنابيب + صمامات + مرشحات + مجموعة + وحدات الطرف
وبالتالي فإن نقطة عمل المضخة المطلوبة هي:
معدل تدفق التصميم + الرأس الديناميكي الكلي
ومع ذلك، فإن المقاومة النهائية ليست دائماً.
عندما تغلق الصمامات، يتغير منحنى مقاومة النظام.
هذا هو السبب في أن مجرد اختيار مضخة أكبر ليس دائما حلا جيدا.
مضخة الدورة الدموية الكبيرة قد تسبب:
التدفق المفرط
ضغط التفاضل المفرط
ضوضاء التدفق
مشاكل سلطة الصمام
زيادة استهلاك الكهرباء في المضخة
النظام المقلص ΔT
ضعف استقرار التحكم
الهدف ليس اختيار أكبر مضخة.
الهدف هو اختيار مضخة يمكن أن تعمل بشكل صحيح عبر النطاق الهيدروليكي المتوقع.
معظم مضخات الحرارة من الهواء إلى الماء تحدد الحد الأدنى من تدفق المياه المسموح به.
على سبيل المثال
تدفق التصميم: 4.0 م3/س
الحد الأدنى للجريان المسموح به: 2.5 م3/س
يجب أن يضمن مصمم النظام أن تدفق مضخة الحرارة الفعلي لا ينخفض إلى أقل من 2.5 م 3 / ساعة حتى عندما تكون مناطق نهاية متعددة مغلقة.
هذا يختلف أساسا عن مجرد تأكيد أن تدفق التصميم متاح في الحمل الكامل.
لذلك يجب أن يجيب تصميم هيدروليك جيد على سؤالين:
هل يمكن للنظام توفير تدفق التصميم المطلوب عند الحد الأقصى للحمل؟
هل النظام لا يزال قادر على الحفاظ على الحد الأدنى من تدفق مضخة الحرارة المطلوبة في الحد الأدنى من الحمل؟
كلا الشرطين مهمان
عادة ما يتم تثبيت مفتاح تدفق لحماية مضخة الحرارة.
هدفه بسيط:
التدفق الكافي → مضخة الحرارة مسموح لها بالعمل
التدفق غير الكافي → مضخة الحرارة أوقفت/محمية
هذا جهاز أمان مهم
ومع ذلك:
يقوم مفتاح التدفق بحماية مضخة الحرارة من حالة هيدروليكية سيئة؛ فهو لا يصحح الحالة الهيدروليكية.
هذا التمييز حاسم.
إذا كانت الصمامات النهائية تقلل باستمرار من تدفق المياه إلى أقل من الحد الأدنى المطلوب ، فقد يوقف مفتاح التدفق مضخة الحرارة بشكل متكرر.
يتم حماية المعدات ولكن نظام التدفئة لا يزال لا يعمل بشكل صحيح.
لذلك، لا ينبغي أبداً الخلط بين حماية التدفق والتصميم الهيدروليكي.
الصمامات ذات الاتجاهين تستخدم على نطاق واسع في أنظمة HVAC الحديثة.
عندما تحتاج الغرفة إلى التدفئة:
جهاز التحكم الحراري ON → صمام يفتح → تدفقات المياه
عندما تصل الغرفة إلى نقطة الإعداد
الترمستات مغلق → الصمام يغلق → توقف تدفق المياه
هذا يوفر تحكم ممتاز على مستوى الغرفة.
ومع ذلك ، في نظام حلقة واحدة ، فإن إغلاق صمامات متعددة ثنائية الاتجاه يقلل من تدفق النظام الكلي.
على سبيل المثال
6 مناطق مفتوحة
→ 100% تدفق التصميم
→ مضخة الحرارة تعمل بشكل طبيعي
3 مناطق مفتوحة
→ انخفاض التدفق
→ مضخة الحرارة قد لا تزال تعمل بشكل طبيعي
1 منطقة مفتوحة
→ تدفق النظام المنخفض جداً
→ قد لا يتم تلبية الحد الأدنى لتدفق مضخة الحرارة
هذه واحدة من أكثر التحديات الهيدروليكية شيوعاً في الأنظمة المتعددة المناطق المرتبطة مباشرة.
واحد من الحلول الممكنة هوصمام المراوغة للضغط التفاضلي.
يتم تثبيت الالتفاف بين أنابيب الإمداد والعودة.
عندما تكون الصمامات النهائية مفتوحة:
ضغط التفاضل منخفض
الماء يتدفق من خلال المحطات
عندما تغلق الصمامات النهائية:
مقاومة النظام ↑
الضغط التفاضلي ↑
صمام الإبحار يفتح تدريجيا
جزء من مياه الإمداد بعد ذلك يتجاوز النظام النهائي ويعود مباشرة إلى مضخة الحرارة.
هذا يساعد على الحفاظ على الحد الأدنى من الدورة الدموية.
إمدادات مضخات الحرارة
↓
الدائرة النهائية
↓
العودة
لكن عندما ينخفض التدفق النهائي
الإمداد → اختصار الضغط التفاضلي → العودة
هذا يمكن أن يساعد على حماية الحد الأدنى من تدفق مضخة الحرارة.
ومع ذلك ، يجب تصميم تدفق التحايل بشكل صحيح لأن التحايل المفرط يمكن أن يزيد من درجة حرارة مياه العودة أثناء التدفئة ويقلل من توصيل الحرارة المفيدة إلى المبنى.
طريقة أخرى هي استخدام صمامات التحكم ثلاثية الاتجاه.
على عكس الصمام ذو الاتجاهين الذي يمنع تدفق المياه ببساطة، يمكن أن يعيد ترتيب الصمام ذو الاتجاه الثلاثي توجيه التدفق من خلال مسار التجاوز.
من الناحية المفهومية:
الغرفة تحتاج إلى تسخين
الإمداد → المحطة → العودة
الغرفة لا تحتاج إلى تسخين
الإمداد → الإجتياز → العودة
هذا يمكن أن يحافظ على تدفق الدورة الدموية الأساسية أكثر استقراراً.
ومع ذلك ، فإن الصمامات ثلاثية الاتجاه تخلق أيضًا تدفقًا متواصلًا للانتقال ويمكن أن تزيد من طاقة الضخ.
لذلك، يجب أن يستند الاختيار بين الصمامات ثنائية الاتجاه والصمامات الثلاثية الاتجاه إلى التصميم الهيدروليكي الكامل بدلاً من تفضيل المكونات.
مضخات الدورة الدموية ذات السرعة المتغيرة يمكن أن تحسن بكثير من كفاءة النظام الهيدروكي.
أنماط التحكم الشائعة تشمل:
سرعة ثابتة
الضغط التفاضلي الثابت
الضغط التفاضلي النسبي
جهاز التحكم الخارجي 010 فولت
تحكم PWM
نظام التحكم في سرعة متغيرة متكامل بمضخة الحرارة
عندما تغلق الصمامات النهائية ، يمكن لمضخة ذات سرعة متغيرة أن تقلل من سرعتها.
هذا يمكن أن يقلل من:
طاقة الضخ
ضغط التفاضل
ضوضاء التدفق
ضغط الصمام
ومع ذلك، يجب أن لا تقلل المضخة من السرعة لدرجة أن تدفق مضخة الحرارة يقع تحت الحد الأدنى المطلوب.
لذلك:
تحكم المضخة المتغير ≠ خفض التدفق غير المحدود
لا يزال الحد الأدنى لمتطلبات تدفق مضخة الحرارة هو القيود الحاكمة.
مشاكل التدفق ليست دائماً بسبب صمامات التحكم
يمكن أن يزيد تدريجياً انخفاض ضغط النظام من خلال فحص Y أو فاصل التراب المغناطيسي.
قد تبدو التطورات مثل:
مرشح نظيف
↓
انخفاض ضغط طبيعي
↓
التدفق الطبيعي
ثم:
تراكم التراب
↓
انخفاض ضغط أعلى
↓
تدفق المياه السفلي
↓
ΔT أعلى
↓
مشاكل في أداء مضخة الحرارة
لهذا السبب يجب أن تشمل التشغيل والصيانة:
قياس التدفق
قياس ضغط الإمداد / العودة
فحص المرشحات
تنظيف المكنسة
إزالة الهواء
فحص جودة المياه
النظام الذي يعمل بشكل صحيح عندما كان جديداً يمكن أن يصاب بمشاكل هيدروليكية لاحقاً بسبب التلوث أو الهواء المحاصر.
التراكم في الهواء يمكن أن يسبب:
انخفاض التدفق الفعلي
غطاء المضخة
الضوضاء
التدفئة غير المتساوية
مشاكل الدورة الدموية المحلية
إنذارات مفاتيح التدفق
لذلك فإن فتحات الهواء التلقائية ومفصلات الهواء وضغط النظام الصحيح وإجراءات التشغيل المناسبة هي أجزاء مهمة من التصميم الهيدروليكي لمضخة الحرارة.
لا ينبغي تقييم مضخة حرارة من الهواء إلى المياه القابلة للإرجاع هيدروليكياً فقط في وضع التدفئة.
التدفئة والتبريد يخلقان مخاطر مختلفة.
القلق الرئيسي مع تدفق غير كاف:
رفض الحرارة الضعيف → درجة حرارة / ضغط التكثيف العالية
القلق الرئيسي مع تدفق غير كاف:
تبريد المياه المفرط → درجة حرارة التبخر المنخفضة → خطر التجمد
ولذلك، فإن النظام المقبول للتدفئة ليس آمنا تلقائيا للتبريد.
هذا مهم بشكل خاص للأنظمة التي تستخدم:
ملفات المروحة
أجهزة AHU للمياه المبردة
تبريد الإشعاع
تبريد العملية منخفضة الحرارة
قبل تشغيل نظام مضخة الحرارة ذات الحلقة الواحدة، تحقق من ما يلي:
مضخة الحرارة
✓ تصميم تدفق الماء
✓ الحد الأدنى للسير
✓ الحد الأقصى للسير
✓ الحد الأدنى لحجم المياه في النظام
✓ درجة حرارة التسخين والماء
✓ تبريد درجة حرارة المياه
مضخة الدورة الدموية
✓ تدفق التصميم
✓ الرأس المتاح
✓ وضع التحكم
✓ الحد الأدنى للسرعة
✓ منحنى المضخة
الشبكة الهيدروليكية
✓ قطر الأنابيب
✓ انخفاض الضغط الكلي
✓ مقاومة الصمام
✓ مقاومة الفلتر
✓ انخفاض في ضغط الحافة
✓ التوازن الهيدروليكي
تحكم المحطة
عدد المناطق
✓ صمامات ثنائية أو ثلاثية الاتجاه
✓ الحد الأدنى من الدوائر المفتوحة
✓ تدفق الحمل الجزئي
✓ متطلبات الإغلاق
الحماية
✓ مفتاح التدفق
✓ حماية من التجميد
✓ حماية الضغط العالي
✓ فتحة هواء تلقائية
✓ وعاء التوسع
✓ صمام الأمان
الأهم:
التحقق من النظام الهيدروليكي عند الحمل القصوى والحمل الأدنى.
بالنسبة لنظام مضخة الحرارة ذات الحلقة الواحدة ، يتم توصيل مضخة الحرارة وشبكة توزيع المبنى هيدروليكياً.
هذا يعني أن كل تغيير على جانب المحطة يمكن أن يؤثر على مضخة الحرارة.
جهاز تحكم الحرارة يغلق صمام
↓
تغيرات مقاومة النظام
↓
التغيرات في تدفق المياه.
↓
تغيرات مضخة الحرارة ΔT.
↓
تغير ظروف تشغيل التبريد
↓
القدرة والكفاءة والموثوقية قد تتغير.
لهذا السبب لا يمكن فصل التصميم الهيدروكي عن اختيار مضخة الحرارة.
يمكن أن يوفر نظام مضخة الحرارة الهيدرونية ذات الحلقة الواحدة حلًا بسيطًا وفعالًا للغاية للتدفئة والتبريد للمساكن والتجارة الخفيفة.
لكن نجاح العملية يعتمد بشكل كبير علىاستقرار تدفق الماء.
يجب على المصمم النظر ليس فقط في قدرة مضخة الحرارة الاسمية ولكن أيضا:
تدفق التصميم → الحد الأدنى للتدفق → ΔT → انخفاض الضغط → اختيار المضخة → المقاومة النهائية → التحكم في المنطقة → استراتيجية التحايل → حماية النظام
قد تعمل مضخة الحرارة بشكل مثالي عندما تكون كل محطة مفتوحة أثناء التشغيل ولكنها تصبح غير مستقرة عندما يدخل المبنى في تشغيل الحمل الجزئي.
ولذلك فإن أحد أهم المبادئ في تصميم نظام مضخة الحرارة هو:
لا تصمم فقط للحمل الكامل. تصميم النظام الهيدروليكي لمدى العمل بأكمله.
الحفاظ على تدفق المياه الكافي من خلال مضخة الحرارة في جميع ظروف التشغيل المتوقعة أمر ضروريالكفاءة والراحة وموثوقية الضاغط وحماية التجمد وأداء النظام على المدى الطويل.
انخفاض تدفق المياه يزيد من فرق درجة الحرارة على الجانب المائي ويمكن أن يقلل من أداء المبادل الحراري.قد تساهم ظروف تدفق منخفضة شديدة في ارتفاع ضغط التكثيف والأنذارات الحمايةفي وضع التبريد ، يمكن أن يزيد التدفق غير الكافي من خطر انخفاض المياه وتبخر درجات الحرارة بشكل مفرط.
الحد الأدنى من التدفق يضمن أن المبادل الحراري على جانب الماء يمكن أن ينقل باستمرار الطاقة الحرارية المطلوبة دون تغيرات درجة الحرارة المفرطة أو ظروف تشغيل المبرد غير المستقرة.
ليس بالضرورة. يجب أن يضع اختيار المضخة في اعتبار كل من التدفق المطلوب ورأس النظام. المضخة ذات الحجم الكبير يمكن أن تزيد من استهلاك الطاقة،الضوضاء والضغط التفاضلي دون تصحيح مشكلة التصميم الهيدروليكية الكامنة.
يزيد إغلاق صمامات المنطقة الثنائية الاتجاه من المقاومة الهيدروليكية لنظام التوزيع ويزيل مسارات التدفق المتوازية. مع إغلاق المزيد من المناطق ، يمكن أن ينخفض تدفق النظام الإجمالي بشكل كبير.
لا، مفاتيح التدفق هي أساسا جهاز حماية. يمكنها إيقاف مضخة الحرارة عندما تصبح الدورة الدموية غير كافية، لكنها لا تصحح السبب الهيدروليكي لخفض التدفق.
قد يكون مفيداً في الأنظمة ذات التدفق المتغير المرتبطة مباشرة حيث يمكن إغلاق صمامات الطرف ويجب الحفاظ على الحد الأدنى من الدورة الدموية من خلال مضخة الحرارة.يجب أن يتم هندسة إعدادها وتدفق التحايل بدلا من اختيار تعسفيا.
نعم، ولكن يجب على المصمم التأكد من أن الحد الأدنى من تدفق مضخة الحرارة ومتطلبات حجم المياه تبقى مفيداً عندما يكون عدد قليل فقط من المناطق تتطلب التدفئة أو التبريد.
العنوان
لا، لا، لا34، الطريق الجنوبي ، حديقة يونغفينغ الصناعية ، منطقة شونديه ، فوشان 528000 ، مقاطعة قوانغدونغ ، جمهورية الصين
الهاتف
86-757-22860323
البريد الإلكتروني
luke@ecoheat-pump.com
