ГВС от теплового насоса: расчет

Системы с тепловыми насосами особенно эффективны при переменной нагрузке горячего водоснабжения. Благодаря этому они широко используются при модернизации систем теплоснабжения. Рассмотрим примеры расчета таких систем

Приготовление горячей воды с помощью тепловых насосов может осуществляться по различным видам схем и производиться как параллельно с отоплением, так и отдельно. При этом, как правило, необходимо применение накопительных емкостей.

В моновалентном режиме (рис. 1) тепловой насос, как единственный источник тепла, покрывает всю нагрузку горячего водоснабжения. Чтобы иметь возможность получить температуру ГВС в емкостном накопителе равную 60°C, тепловой насос должен иметь температуру подачи 70°C.

При применении моноэнергетического режима (рис. 2) тепловой насос также является единственным источником тепла для нагреваГВС до номинальных 60°C, но максимальную температуру подачи обеспечивает электронагревательная вставка в емкостном накопителе. Это наиболее эффективный способ нагрева горячей воды. Здесь же учитываются расходы электроэнергии и на циркуляцию ГВС.

В бивалентном режиме (рис. 3) тепловой насос несет основную нагрузку по нагреву воды, а второй теплогенератор покрывает только пиковые нагрузки. Эта схема очень эффективна при неравномерной нагрузке ГВС. Однако здесь высоки капиталовложения и затраты на обслуживание дополнительного теплогенератора. Один из наиболее эффективных вариантов применения тепловых насосов в наше время – использование насосов тип «воздух/вода» для систем с большим расходом горячей воды на протяжении суток, а также для тех систем, где график потребления горячей воды меняется в разные дни на протяжении недели или даже всего года. Например, детский сад, школа или офисное здание. В таких системах горячая вода расходуется в рабочие дни, а в выходные дни потребление воды минимальное иливообще отсутствует. При этом тепловой насос следует выбирать такой мощности, чтобы в теплое время года он обеспечивал необходимый расходгорячей воды на 100%, а в отопительный период, при низких наружных температурах, когда мощность и эффективность работы теплового насоса снижаются, он работал для предварительного нагрева горячей воды.

При проектировании подобных систем, для их эффективной и экономичной работы, очень важно учитывать зависимость коэффициента эффективности теплового насоса СОР от температуры подачи. Чем выше температура подачи теплового насоса, тем ниже у него коэффициент эффективности СОР. Например, при температуре наружного воздуха +20°С и подаче +35°С, коэффициент СОР теплового насоса составляет порядка 4, а при подаче +65°С – примерно 2,7.

Можно построить простую систему с тепловым насосом, который работает на нагрев бака запаса горячей воды с поддержанием в нем постоянной температуры, например, +50°С. При этом тепловой насос будет работать с постоянно высокой температурой подачи и соответственно, с минимальной эффективностью – с коэффициентом СОР порядка 2,7. Или можно построить другую систему, более эффективную с точки зрения работы теплового насоса. Например, система для детского сада, где суточный расход горячей воды составляет 4000 л. Можно установить баки запаса горячей воды расхода воды, до необходимой температуры, а потребление воды будет проходить на протяжении дня без подмеса холодной воды. Таким образом, среднее значение коэффициента СОР за время разогрева баков от +10°С до +55°С составит примерно 3,5.

Емкостные водонагреватели

Емкостный водонагреватель должен соответствовать определенным требованиям, чтобы работать с тепловым насосом: мощность греющего змеевика в водонагревателе и поверхность его теплообмена должны точно соответствовать мощности теплового насоса.

Так как тепловые насосы работают с более низкой температурой подачи, чем традиционные котлы, то и теплопередача на греющем змеевике водонагревателя из-за небольшой разницы температур также будет меньше.

Установлено, что для передачи одного киловатта мощности площадь теплообменика должна составлять не менее 0,25 м². У тепловых насосов типа «воздух/вода» без регулирования мощности компрессора, максимальная тепловая мощность будет летом, когда будут максимальные температуры наружного воздуха. Кроме того, должна быть обеспечена возможность передачи большого количества тепла в период максимального водоразбора.

Спиральный теплообменник не располагается до верхней части накопительной емкости, потому что низкая температура подачи теплового насоса способна несколько охладить верхнюю часть объема с максимальной температурой, которую обеспечивает второй теплогенератор или электронагревательная вставка.

В компактных тепловых насосах поверхность теплообменника и объем накопительной емкости уже оптимально подобраны, чтобы упростить процесс проектирования.

Температура и гигиена

При проектировании внутренних систем ГВС из гигиенических соображений требуется соблюдать основное требование: емкости запаса горячей воды должны быть как можно меньше для данной системы, чтобы обеспечивался постоянный полный расход горячей воды. Чем меньше объем накопительных емкостей, тем более производительными должны быть теплогенераторы.

Современные отопительные устройства с большим модуляционным диапазоном мощности позволяют соблюсти эти условия и подобрать оптимальные устройства без больших инвестиционных затрат.

При ограниченной мощности теплового насоса пиковые нагрузки будут покрываться теплом из емкостных накопителей, поэтому необходимо соблюсти эти необходимые условия эксплуатации при проектировании.

Рабочий документ DVGW-W551 определяет различные гигиенические аспекты установок малой и большой мощности. К установкам малой мощности относят оборудование для индивидуальных домов и коттеджей с объемом накопительной емкости около 400 л и объемом теплоносителя в системе внутренних соединительных магистралей между емкостным накопителем и источником тепла не более 3 л.
Многоквартирные дома, офисные помещения и муниципальные объекты относятся к установкам большой мощности, с объемом емкостей более 400 л и водосодержанием в каждой соединительной магистрали более 3 л.

Предписания норм Евросоюза требуют соблюдения для установок большой мощности уровня температуры не менее 60°C в накопителе ГВС. Температура обратки в циркуляционном контуре должна быть не менее 55°C. Для установок малой мощности подразумевается поддержание температуры на выходе 60°C. Тепловые насосы стандартного исполнения, работающие на обычном хладагенте, достигают максимальной температуры подачи между 55°C и 65°C. При максимальной температуре подачи 55°C температура ГВС составляет 48°C, а при температуре подачи 65°C – максимум 58°C. Для удовлетворения гигиенических требований температура ГВС многоквартирных домов должна быть на выходе из накопителя не менее 60°C. Это можно осуществить с помощью бивалентной схемы (второго источника тепла) или специальными тепловыми насосами с температурой подачи 75°C или прямым электрическим нагревом.

О расчете ГВС и максимальном расходе читайте: https://aw-therm.com.ua/gvs-ot-teplovogo-nasosa-raschet/