Оценка вариантов низкотемпературного водяного отопления

Многое из того, что характеризует «традиционную» конструкцию гидравлического контура отопления — температура обратной воды выше 140°F, консервативное значение ΔT 20°F, первичный/вторичный трубопровод, контроль температуры на оконечных устройствах, воздуховоды и вентиляционные приспособления — было изменено. сильное влияние на эксплуатационные ограничения котельного оборудования, работающего на газе. В этой статье будет обсуждаться, как новое поколение котлов бросает вызов традиционной практике и поддерживает новые подходы к повышению стоимости и энергоэффективности контуров водяного отопления.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Традиционные методы проектирования водяного контура отопления представляют собой взаимосвязанные усилия по предотвращению конденсации тепла в теплообменниках котлов прямого нагрева.

Конденсация происходит, когда водяной пар в дымовых газах котла падает ниже точки росы и переходит в жидкое состояние. Высвобождая примерно 1,000 БТЕ тепла на каждый фунт созданной жидкости, это изменение состояния происходит естественным образом — в результате воздействия на холодную поверхность теплообменника — когда в котел поступает обратная вода с температурой ниже 135°F.

Хотя это желательно с точки зрения эффективности системы (возможно увеличение на 11–12 процентов), работа с конденсацией может нанести ущерб обычным котлам. При извлечении скрытой энергии из водяного пара на поверхности теплообменников остается кислотный конденсат. Если теплообменник не изготовлен из материалов самого высокого качества и не предназначен для свободного слива, со временем теплообменник подвергается коррозии. При использовании неконденсирующего оборудования, которое обычно изготавливается из материалов более низкого качества (медь, чугун, углеродистая сталь и т. д.), проектировщики систем должны полагаться на вспомогательные компоненты, такие как специальные насосы для котлов, смесительные клапаны и компоненты для усреднения температуры, чтобы предварительно – нагреть поступающую воду до температуры выше 140°F.

Современные высокоэффективные котлы спроектированы для конденсации. Их теплообменники изготовлены из высококачественных материалов и предназначены для свободного слива, что позволяет им выдерживать годы работы в режиме конденсации без значительной коррозии. Некоторое оборудование даже может выдерживать термический удар, вызванный резкими изменениями температуры. Следовательно, конденсационное оборудование может быть непосредственно включено в основной контур. Без трубопроводов, насосов, смесительных клапанов и других компонентов, которые исторически использовались для защиты котлов от холодной обратной воды, конденсационные котлы упрощают гидравлические контуры и снижают затраты на проектирование и техническое обслуживание.

ПОВЫШЕННЫЙ КОМФОРТ И КОНТРОЛЬ

Обычные котлы работают с переключателем температуры включения / выключения (аквастат) или несколько грубым регулятором температуры, обеспечивающим умеренный (3-к-1, 2-к-1) диапазон регулирования горелки. В результате потребность в тепле удовлетворяется с полной (или почти полной) мощностью котла, рассчитанного на пиковые проектные условия. Это приводит к циклическому включению и выключению котла и может привести к срабатыванию клапана и плохому регулированию температуры на оконечных устройствах. Следовательно, инженеры проектируют системы так, чтобы они надежно справлялись с колебаниями температуры подаваемой воды от 10°F до 20°F, в то время как клиенты видят более высокие, чем необходимо, сезонные счета за топливо.

Еще одним недостатком режима включения/выключения являются циклические потери, возникающие при каждом отключении устройства. Теплообменники охлаждаются и должны быть полностью «повторно нагреты», прежде чем начнется теплопередача. Кроме того, после повторного запуска устройства его 100-процентная скорострельность может быть намного больше, чем требуется для удовлетворения нагрузки здания. Напротив, сегодняшние высокоэффективные котлы обычно имеют полную модуляцию (диапазон горелки) при коэффициентах до 20:1. Такая плавная и постоянная работа не только поддерживает температуру внутри теплообменника, но и сжигание при уменьшенной мощности увеличивает время контакта продуктов сгорания с поверхностями теплообменника, способствуя большей передаче энергии и более холодным выхлопным газам. Полностью модулирующие котлы обычно имеют обратную кривую КПД (рис. 1), которая лучше всего работает при более низких нагрузках. При том, что большую часть времени котлы работают в «условиях частичной нагрузки», полностью модулирующие агрегаты обещают большую сезонную эффективность.

Котлы с самым высоким КПД сочетают в себе точный контроль температуры с большим диапазоном регулирования горелки, чтобы точно и с минимальными затратами согласовать производительность установки с потребностью в отоплении. Эти котлы могут использовать ПИД-регулятор для поддержания температуры подаваемой воды в пределах ±2°F. После определения требований к нагрузке и температуре эти ПИД-регуляторы модулируют горелки с большим динамическим диапазоном с шагом в 1 процент. Это позволяет котлам изменять вход/выход для точного соответствия нагрузке. Нет перерегулирования температуры, и эти котлы могут работать во всем своем диапазоне за считанные секунды. Такой высокий динамический диапазон в сочетании с рекуперацией скрытой энергии во время конденсации может привести к повышению эффективности на 30-40% по сравнению с обычными гидравлическими системами.

Полностью модулирующие продукты обычно более экономичны при частичной нагрузке. В то время как котельная, состоящая из пяти агрегатов мощностью 2 млн БТЕ/ч, каждый с динамическим диапазоном регулирования 20:1, может вырабатывать от 100,000 10 до 60 млн БТЕ/ч, ей требуется меньше топлива, когда все пять блоков работают на 6 % мощности, чтобы соответствовать 100 на миллион британских тепловых единиц, чем когда всего три агрегата работают на XNUMX процентов. Такая эффективность при частичной нагрузке может быть дополнительно улучшена с помощью системы управления котлом (BMS). В некоторых случаях как BMS, так и контроллеры отдельных блоков обеспечивают доступ к исчерпывающей операционной информации для поддержки передовых программ управления энергопотреблением, позволяя разработчикам систем использовать графики сброса внутренних и наружных значений, удаленные заданные значения и даже полную интеграцию с программным обеспечением для автоматизации зданий. для максимальной экономии топлива.

ЭКОНОМИЯ ПРОСТРАНСТВА

Выделение достаточного пространства в здании и техническом помещении для поддержки обычных котлов было давней проблемой при проектировании зданий. Хотя появление модульного оборудования помогло, все еще существуют значительные затраты на материалы и строительство, связанные с требованиями к атмосферным впускным каналам, вытяжной вентиляции с естественной тягой и насосами с фиксированным потоком котлов традиционной конструкции.

Современные высокоэффективные котлы предлагают различные варианты вентиляции. Блоки могут иметь общую вентиляцию через потолок или индивидуальную вентиляцию через боковую стену, при этом конструкция с принудительной тягой некоторого оборудования может значительно уменьшить длину и диаметр дымоходов. Это приводит к снижению затрат на проект и увеличению «полезной» площади здания. Даже в пределах механического помещения большая часть оборудования имеет размер дверного проема и занимает небольшую площадь. Способность поддерживать переменные потоки (и выдерживать условия отсутствия потока) устраняет необходимость в специальном насосном оборудовании, экономя деньги и место.

Заключение

В этой статье были рассмотрены некоторые из традиционных недостатков конструкции гидравлической системы. Когда конденсационные, полностью модулирующие, интеллектуальные котлы встраиваются в контуры, системы упрощаются и дают лучшие результаты.

В настоящее время директор по глобальным продажам Нил Пилаар более 18 лет участвовал в инициативах по развитию продуктов и рынков для AERCO International. Член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха и Американского общества инженеров-сантехников, он имеет степень бакалавра машиностроения, полученную в Технологическом институте Нью-Джерси.

Чтобы воспользоваться преимуществами энергосбережения HVAC, инженеры должны изменить свое отношение к температуре воды в системе отопления, поскольку тенденция направлена на повышение устойчивости.

Цели обучения:

Поймите, что требования энергоэффективности подняли проектирование ОВКВ на новый уровень.
Ознакомьтесь с различными продуктами и системами, которые помогают повысить эффективность систем водяного отопления.
Проанализируйте низкотемпературную горячую воду (LTHW) и ее преимущества.

От костров, которые мы используем, чтобы согреться, до современных конденсационных котлов, отопление обычно требует сжигания чего-либо для получения тепловой энергии. Десятилетия назад нефтедобывающая инфраструктура Соединенных Штатов, использовавшаяся для подпитки Второй мировой войны, после войны осталась на месте, а дешевой нефти было в изобилии. К этому времени (с конца 1940-х до начала 50-х) американцы решили, что больше не хотят закидывать уголь в котел или печь; было намного проще просто отрегулировать термостат и сжечь масло. Затем многие угольные чугунные котлы были модернизированы мазутными горелками, чтобы создать это удобство.

Большинство этих ранних систем отопления (коммерческих и жилых) были паровыми системами низкого давления и более ранними гидравлическими системами с гравитационным питанием, некоторые из которых все еще работают сегодня. Однако, когда в начале 1970-х годов в Организации стран-экспортеров нефти (ОПЕК) разразился энергетический кризис, нефти стало не хватать, и цены резко выросли впервые за 25 лет (с 21 доллара за баррель до 52 долларов за баррель). Это был первый раз, когда американцы серьезно посмотрели на энергоэффективность, и родилась фраза «эффективность котла».

С 1970-х годов промышленность стала больше полагаться на водяные системы отопления, обычно представляющие собой комбинацию оборудования, работающего на нефти и газе. В этих системах использовалась температура от 180 до 200°F (с перепадом температур 20°F), нагревалась горячая вода для всех оконечных устройств (включая кондиционеры, фанкойлы, вентиляторы и тепловентиляторы). Революционные в то время, они обычно достигали диапазона эффективности 80% для водяных систем отопления с атмосферными котлами или котлами с принудительной тягой. Некоторые из этих котлов могут даже приблизиться к порогу годовой эффективности использования топлива (AFUE) в 82%, но их сдерживала более высокая температура возвратной воды, необходимая для предотвращения образования конденсата в котлах.

Энергоэффективность

За последние 15 лет в индустрии ОВКВ произошел резкий переход от традиционных котлов и другого оборудования ОВК к чему-либо, характеризующемуся высокой эффективностью. В первую очередь это касается двигателей, использования частотно-регулируемых приводов (ЧРП), чиллеров, конденсаторных агрегатов, котлов, печей, рекуперации тепла и средств управления. Интересно, что новые энергетические кодексы имеют строгие требования к эффективности двигателей и охлаждающего оборудования, но многие из них еще не используют весь потенциал современной конструкции котлов. Например, Международный кодекс энергосбережения 2012 г. (с поправкой 2014 г.) по-прежнему разрешает использование газовых котлов и печей с AFUE на уровне 78%. Понятно, что для небольших паровых котлов допустима работа в этом диапазоне, но не для крупной установки.

Существует огромное количество возможностей и стратегий для повышения общего энергопотребления здания. Например, изобретение и широкое внедрение устройств прямого цифрового управления (DDC) и частотно-регулируемых приводов — это сбывшаяся мечта инженера, позволяющая ему или ей разработать последовательность операций управления, которая ограничена только воображением. Рекуперация тепла — еще один способ, благодаря энтальпийным колесам и высокопроизводительным гидравлическим базовым системам рекуперации тепла с эффективностью 75%, которые теперь широко доступны.

Сегодняшние отраслевые модные словечки включают «чистое нулевое энергопотребление» (NZE) и «высокоэффективное проектирование зданий» (HPBD), оба из которых учитывают не только проектирование механических систем, но и здание в целом, включая конструкцию ограждающих конструкций, исследования дневного освещения, светодиодное освещение, водоснабжение. потребление и т. д. Этот тип целостного подхода чаще всего запрашивается клиентами в упреждающей попытке сэкономить деньги и улучшить общую производительность здания и жильцов. Например, типичный владелец офисного здания на северо-востоке США 10 лет назад был бы рад использовать от 80 до 120 кБТЕ/кв. фут в год. Сегодня ожидается, что одно и то же здание будет потреблять всего от 30 до 60 кБТЕ/кв. фут в год.

Даже со всеми нашими достижениями и инновациями большую часть времени нам все еще приходится что-то сжигать, чтобы преодолеть разрыв и соответствовать идеалу NZE. Это возвращает нас к конденсационному котлу. Благодаря постоянно расширяющейся общенациональной сети природного газа у нас есть экологически чистое топливо, которое можно эффективно использовать в конденсационных котлах. Используя оборотную воду с более низкой температурой, мы можем эффективно улавливать больше скрытого тепла при работе котла в конденсационном режиме.

Чтобы воспользоваться этим потенциалом энергосбережения, инженеры и проектировщики должны изменить свое отношение к температуре отопительной воды. Примером может служить недавний технический проект для нескольких различных типов крупных коммерческих зданий, использующих низкотемпературное горячее водоснабжение 130 ° F с дельтой T от 20 ° до 30 ° F, в отличие от традиционного водоснабжения 180 ° F. Это небольшое конструктивное изменение увеличивает общий КПД котельной установки с 80% до 90%, в зависимости от скорости горения котла и температуры отопительной воды (ГВС).

Чем ниже температура обратной воды, тем выше КПД котла. Некоторые производители котлов фактически включили в котел двойное обратное соединение для обеспечения возврата отопительной воды и возврата бытового водонагревателя или системы снеготаяния, что еще больше снижает общую температуру обратной воды в котел. Кроме того, работа нескольких котлов с более низкими скоростями сжигания для соответствия нагрузке может привести к повышению эффективности котельной на целых 2%.

Сложности использования низкотемпературной горячей воды (НГВ) включают проблемы проектирования, эксплуатационные проблемы и увеличение стоимости терминального оборудования. На сегодняшний день одной из наиболее серьезных проблем/препятствий при проектировании является выбор и получение наиболее эффективного оборудования. Большинство основных производителей вентиляционных установок (AHU) могут выбрать змеевик с помощью LTHW.

Некоторые производители боксов с переменным объемом воздуха (VAV) используют змеевики большего размера, которые обычно требуют перехода в конце бокса (что увеличивает общий размер VAV) или фактического монтажа змеевика в воздуховоде. Тепловентиляторы, нагреватели шкафов, змеевики воздуходувки и фанкойлы должны быть увеличены в размерах, чтобы использовать увеличенную площадь змеевиков и уменьшенные скорости вентиляторов для получения проектной мощности. В некоторых случаях команда проектировщиков должна затем использовать небольшие кондиционеры вместо фанкойлов/нагнетательных змеевиков, чтобы получить желаемую выходную мощность. Поскольку LTHW требует более крупных катушек/терминалов, стоимость оборудования немного выше.

Тем не менее, крайне важно сохранять осторожность при использовании конвекторов, радиаторов с ребристыми трубами и панельных радиаторов при применении LTHW, поскольку выходная мощность этого оборудования, использующего LTHW, обычно не указывается или не может быть получена. Вот почему большинство систем LTHW (за исключением систем теплого пола или систем снеготаяния), как правило, представляют собой системы на стороне воздуха.

Использование воды с температурой 180°F обеспечивает очень высокие температуры на змеевиках. Это желательно, так как позволяет уменьшить площадь поверхности змеевика, создавая при этом встроенный коэффициент безопасности, чтобы компенсировать те мгновенные часы, когда наружная температура падает ниже данных о погоде ASHRAE. Системы LTHW, с другой стороны, производят очень низкие температуры приближения и эффективно устраняют этот встроенный фактор безопасности. Тщательная перепроверка расчетов и выбора оборудования обычно удерживает проектировщика в стороне, но всегда есть другие факторы, связанные со строительством, которые потенциально могут поставить под сомнение или даже нарушить хороший проект системы. Именно здесь система управления и хорошо продуманная стратегическая последовательность операций могут спасти положение.

С точки зрения эксплуатации, в большинстве случаев здание LTHW будет работать в соответствии с проектом до тех пор, пока температура наружного воздуха (OA) не упадет на 10–30°F ниже расчетной температуры OA. Чтобы компенсировать эти несколько часов в год, инженеры должны рассмотреть возможность постепенного повышения температуры системы управления до температуры LTHW, чтобы соответствовать нагрузке на здание. Другие стратегии включают в себя разрешение блокам VAV на мгновение плавать выше их минимальной уставки и более ранний запуск утреннего прогрева. Это незначительное отклонение в работе дает значительные преимущества и не создает каких-либо заметных потерь энергии.

LTHW быстро становится отраслевым стандартом, побуждая производителей оборудования перепроектировать свое оборудование для удовлетворения будущих потребностей системы. Кроме того, большинство газоснабжающих компаний и государственных органов по энергетике предлагают скидки, чтобы помочь компенсировать увеличение стоимости систем при использовании LTHW. Эти системы LTHW могут эффективно повысить эффективность котельной на целых 15%, в зависимости от исходного сравнения.

Это значительный вклад в HPBD в отношении снижения стоимости энергии и сокращения выбросов углекислого газа. Системы распределения пара и высокотемпературной горячей воды центрального кампуса начинают становиться децентрализованными, используя этот потенциал. Все признаки указывают на то, что в ближайшем будущем будет разработано еще больше источников чистой энергии, но на данный момент LTHW действительно начинает что-то менять.

Джордж Маршалл является старшим инженером-механиком в EYP Architecture & Engineering.

Есть ли у вас опыт и знания по темам, упомянутым в этом содержании? Вам следует подумать о том, чтобы внести свой вклад в нашу редакционную команду CFE Media и получить признание, которого вы и ваша компания заслуживаете. Нажмите здесь, чтобы начать этот процесс.

Преимущества использования водяных тепловых насосов

Водяные тепловые насосы оказались более энергоэффективными, чем альтернативные системы для коммерческих зданий.

Цели обучения

Проанализируйте водяные тепловые насосы и сравните их с альтернативными системами.
Узнайте, как водяные тепловые насосы могут снизить потребление энергии в здании.
Внедрите систему теплового насоса с водяным источником для одновременного удовлетворения потребностей в отоплении и охлаждении.

Первый коммерческий энергетический кодекс был обнародован в 1975 году вместе со стандартом ASHRAE 90-1975: Энергосбережение при проектировании новых зданий. С тех пор последующие усилия привели к ужесточению стандартов энергоэффективности, как показано на рисунке 1.

Полное и единообразное принятие этих энергетических кодексов привело бы к сокращению нормализованного энергопотребления примерно на 50% в период с 1975 по 2012 год. В действительности общее потребление энергии на квадратный фут в коммерческих зданиях снизилось со 114 кБТЕ/кв. 1979 кБТЕ/кв. фут в 79.9 г. — снижение на 2012 %.

Хотя это является важным достижением, принятие и соблюдение стандартов в разных штатах не было единообразным, и на здания по-прежнему приходится большая доля потребления энергии в США. По данным Управления энергетической информации США, коммерческие здания потребляли 7 квадриллионов БТЕ электроэнергии. энергия. Кроме того, на ОВКВ приходится 44% потребности в энергии коммерческих зданий, как показано на рис. 2. Это включает отопление помещений, вентиляцию и охлаждение, но не включает охлаждение.

Коммерческие тепловые насосы

Тепловой насос — это холодильный контур, который может охлаждать помещения в теплую погоду и обогревать помещения в прохладную погоду. С тепловым насосом вы можете охлаждать или обогревать помещение, используя только электричество. Не сжигая топливо для отопления, как в традиционной центральной печи, исключается риск воспламенения.

Коммерчески доступные тепловые насосы можно разделить на два основных типа:

Воздушный тепловой насос или тепловой насос с воздушным охлаждением
Водяной тепловой насос (ВТН).

Воздушный тепловой насос или тепловой насос с воздушным охлаждением — это тип теплового насоса, который работает за счет отвода тепла в наружный воздух летом или за счет поглощения тепла из наружного воздуха зимой. WSHP — это тип теплового насоса, который работает за счет отвода тепла в систему водопровода (или водяного контура) летом или за счет поглощения тепла из того же водяного контура зимой. Если установлено несколько блоков WSHP, все они могут обслуживаться общей системой водяного контура (или коллектором).

Преимущества водяных тепловых насосов

Для WSHP, поскольку тепло передается через теплообменник в трубу, по которой течет вода, работа тише, а занимаемая площадь системы меньше, поскольку вода более эффективно отводит тепло, чем воздух. В системе с воздушным источником предельный коэффициент теплопередачи находится на стороне воздуха, а типичные коэффициенты теплопередачи на стороне воздуха с принудительной конвекцией находятся в диапазоне от 25 до 250 Вт/м 2 K. Напротив, теплота принудительной конвекции -коэффициент передачи на стороне воды составляет от 50 до 20,000 2 Вт/м XNUMX K. Это делает оборудование WSHP более эффективным и меньшим по размеру, чем воздушные тепловые насосы.

Традиционные блоки с источником воздуха могут потребовать, чтобы каждый блок обработки воздуха имел отдельный блок конденсации. Для большой многоблочной системы, которая обычно используется в коммерческих зданиях, потребуется несколько конденсаторных блоков, которые не только шумны, но и представляют собой проблему для установки, поскольку требуют много свободного места. В многоблочной установке WSHP теплообмен может осуществляться с одной центральной испарительной градирней или сухим охладителем, расположенным на земле или на крыше. Установки БВС могут быть размещены в подвесных потолках или скрыты от занятых помещений в технических помещениях или подсобных помещениях. Размещение блоков на потолке рядом с местом их использования также приводит к меньшему количеству воздуховодов и меньшему потреблению энергии вентиляторами. Энергопотребление вентилятора может быть одним из самых больших энергетических компонентов системы HVAC, и хорошая общая конструкция системы постарается свести его к минимуму.

WSHP также предлагают одни из самых высоких показателей эффективности в отрасли HVAC. ASHRAE устанавливает минимальные требования к эффективности для WSHP, чтобы они были выше, чем у традиционных тепловых насосов с воздушным охлаждением и систем VRF. Таблицы 1 и 2 показывают значения эффективности для наиболее непосредственно сопоставимых единиц и взяты из ASHRAE 90.1-2013: Энергетический стандарт для зданий, кроме малоэтажных жилых зданий. Это сравнение показывает, что WSHP соответствуют самым высоким требованиям к минимальному коэффициенту энергоэффективности (EER) и коэффициенту полезного действия (COP).

WSHP также более эффективны при обогреве по сравнению с блочными печными кондиционерами. В печном агрегате максимальный КПД отопления за счет сжигания природного газа составляет около 95 % (при КПД 0.95); электронагрев составляет 100% (КПД = 1.0). При использовании водяного теплового насоса в режиме обогрева не только извлекается и используется тепловая энергия водяного контура, но также улавливается и используется теплота сжатия в контуре хладагента, которая используется в качестве источника тепла. Благодаря этой способности извлекать тепло из источника тепла (например, водяного контура) и использовать теплоту сжатия, WSHP может легко обеспечить от 4 до 6 единиц тепла на каждую единицу потребляемой энергии. Очевидно, что это более эффективная система.

Одновременный нагрев и охлаждение с помощью WSHP

В зависимости от ориентации зданий и потребностей различных категорий арендаторов в многоцелевом помещении, некоторым жильцам обычно требуется охлаждение, в то время как другим одновременно требуется тепло. Или в ресторане требуется горячая вода, а в магазине мороженого по соседству требуется охлаждение. Даже в пределах одного офисного здания — например, зимой — обычно требуется обогрев по периметру, который подвергается воздействию элементов, и охлаждение, необходимое в центре здания из-за тепла, выделяемого людьми и оборудованием, как показано на рисунке. на рисунке 3.

Это разнообразие спроса на энергию существует повсюду. WSHP могут отводить тепло из области, которая его отвергает, и использовать его в другой области, которая требует его. Рекуперация энергии и транспортировка — это область, в которой WSHP действительно преуспевают. Вода негорючая, нетоксичная и имеет высокую удельную теплотворную способность 4.2 кДж/кг C. Это идеальная среда для переноса энергии без каких-либо негативных последствий использования синтетического или легковоспламеняющегося хладагента для переноса энергии, особенно вблизи занимаемые помещения.

БТЕ холодопроизводительности и теплота сжатия в холодильном контуре традиционной установки с источником воздуха выбрасываются в атмосферу через наружный блок конденсации. Качество тепла низкое, и рекуперация этой энергии неэкономична в воздушном тепловом насосе. Эта энергия выбрасывается в атмосферу, поэтому тратится впустую. В БТЭ эти БТУ отбрасываются в общий водяной контур, выступающий в роли резерва этой энергии, которую можно легко транспортировать в место, требующее тепла. Поскольку вода физически перемещается через водяной насос в разные части одного и того же здания или группы зданий, одновременно транспортируется и тепловая энергия. Несмотря на то, что качество тепла низкое, оно эффективно улавливается и транспортируется туда, где оно необходимо, благодаря высоким коэффициентам теплопередачи, достигаемым с помощью воды, и благодаря ее высокой удельной теплоемкости. Энергия, которая обычно тратится впустую в воздушном тепловом насосе, теперь восстанавливается и используется в другом месте, таким образом компенсируя новый спрос на энергию. Общее потребление энергии зданием снижается, и не остается ни одной британской тепловой единицы.

Одним из самых больших преимуществ WSHP является то, что тепловую энергию можно экономично, эффективно и безопасно транспортировать туда, где можно перекачивать воду. Поскольку перекачивать воду легко и безопасно, WSHP можно применять в любой ситуации — от одиночной квартиры до большого офисного городка.

Преимущества развертывания WSHP становятся еще более очевидными по сравнению с другой популярной системой — системой VRF. Эта система имеет ограниченную способность передавать энергию на большие расстояния, поскольку в качестве транспортной среды в ней используется хладагент, близкий к температуре насыщения, или с ограниченным переохлаждением в медных трубах. При перекачивании такого количества хладагента также возникают проблемы с мощностью компрессора и падением давления. Большинство поставщиков VRF устанавливают ограничения на длину трубок хладагента, например, насколько далеко внутренние блоки могут быть от наружных блоков, допустимая общая длина системных трубопроводов, длина от первой разделительной трубы или ответвительного контроллера до самого дальнего внутреннего блока или общая вертикальная длина трубы.

Кроме того, существует также большое количество соединений медных труб, которые должны быть выполнены в полевых условиях в системе VRF. Если где-то на пути есть утечка хладагента, ее чрезвычайно трудно обнаружить, изолировать, повторно припаять, повторно вакуумировать и повторно ввести систему в эксплуатацию. В WSHP все линии хладагента находятся внутри агрегата, устанавливаются и проверяются на герметичность в контролируемых заводских условиях. Энергия в системе WSHP передается водой в обычных водопроводных системах, с которыми знаком каждый подрядчик HVAC. Это намного безопаснее и проще в обслуживании, и нет ограничений по длине трубопровода.

Еще одним преимуществом WSHP является их способность обеспечивать высокоэффективную работу и рекуперацию тепла при работе с ограниченным объемом заправки хладагентом. Высокая заправка системы хладагентом представляет собой потенциальную угрозу безопасности, поскольку хладагент может вытеснять кислород в закрытых помещениях и вызывать удушье без предупреждения. Стандарт ASHRAE 15-2013: Стандарт безопасности для холодильных систем и Стандарт ASHRAE 34-2013: Обозначение и классификация безопасности хладагентов определяют предел концентрации хладагента (RCL) и предел кислородного голодания (ODL) для различных хладагентов, и их можно использовать для расчета самое маленькое по размеру помещение, в котором можно безопасно установить холодильную систему. Для наиболее часто используемого хладагента R-410A RCL составляет 26 фунтов/1,000 футов 3 , а ODL — 140,000 XNUMX частей на миллион. Для институциональных зданий, таких как больницы, пороговое значение составляет только половину номинальной стоимости (институциональные здания определяются в тех случаях, когда обитатели не могут быстро эвакуироваться без помощи других).

Небольшое количество хладагента, необходимое для WSHP, полностью содержится в испытанной на заводе установке, по сравнению с системой VRF, для которой требуется большее количество хладагента. В системе VRF хладагент используется не только в центральных блоках и их внутренних мини-сплит-блоках, но также присутствует в протяженных трубопроводах и ответвлениях контроллеров между этими внутренними и внешними блоками. Некоторым системам VRF для работы требуется две или три конструкции трубопроводной сети, и по всем трубам проходит хладагент. Этот сложный лабиринт медных труб представляет собой повышенный риск для безопасности и технического обслуживания из-за более высокого заряда хладагента в системе, большего количества точек соединения, которые являются потенциальными точками отказа, и опасности, которую он представляет в случае утечки. Поскольку отрасль рассматривает возможность перехода на легковоспламеняющиеся хладагенты для удовлетворения требований к хладагентам с низким потенциалом глобального потепления, вызванных опасениями по поводу изменения климата, соображения безопасности при использовании VRF становятся еще более острыми. В системе VRF пороги RCL/ODL могут быть легко превышены в небольших офисах, гостиничных номерах, ванных комнатах и подсобных помещениях.

Внедрение системы WSHP

Типичная реализация WSHP в большом коммерческом здании состоит из нескольких WSHP, которые устанавливаются рядом с зонами спроса и питаются от общего водяного контура. Градирня, насосы и котел расположены вдали от жилых помещений.

В реализации WSHP схемы управления обычно ограничивают температуру водяного контура в диапазоне от 60° до 95°F, в зависимости от сезона. Поддержание температуры водяного контура в этом диапазоне зависит от экономических и инженерных соображений. Тепловые насосы могут работать при температурах воды за пределами этого диапазона, но их эффективность будет ниже. Например, тепловому насосу приходится работать больше в режиме обогрева при температуре водяного контура 55°F, чем при 60°F. Что лучше: позволить тепловым насосам работать более интенсивно при 55°F (потребляя больше электроэнергии) или использовать газовый котел для повышения температуры контура до 60°F? Ответ зависит от относительных затрат на газ и электроэнергию, а также от относительной эффективности котла и тепловых насосов в этих рабочих точках.

Когда нагрузки на отопление и охлаждение почти равны, БТЭ извлекают тепло из областей, отбрасывающих его, и обеспечивают теплом БТЭ, которые в нем нуждаются, через общий водяной контур. Небольшой временный дисбаланс в нагрузках между обогревом и охлаждением устраняется за счет того, что температура водяного контура колеблется в диапазоне от 60° до 95°F. В этом сценарии нет необходимости в каких-либо чистых входах в систему, будь то отопление БТЕ или охлаждение БТЕ, и градирня, и котел могут быть отключены для повышения эффективности системы. Из-за большой удельной теплоемкости воды в контурах, диапазон температуры водяного контура в 35°F означает наличие большого количества тепловой энергии, доступной для компенсации дисбаланса спроса. Всего 1,000 футов 6-дюймового. труба может удерживать 875 килобайт тепловой энергии в диапазоне температур 35°F. За 1 час это соответствует более чем 70 тоннам холодильного оборудования, которое можно перемещать.

В тех случаях, когда потребность в охлаждении выше, чем потребность в отоплении, например, летом, для чистого охлаждения устанавливается центральная градирня, чтобы температура водяного контура не превышала 95°F (см. рис. 4). В качестве альтернативы излишки БТЕ могут быть использованы для производства горячей воды с помощью водоводяных БТЭ.

Обратное верно зимой, когда потребности в отоплении превышают потребности в охлаждении. Предусмотрен центральный котел для добавления БТЕ в водяной контур, чтобы температура водяного контура не опускалась ниже 60°F (см. рис. 5). Поскольку размеры градирни и котла рассчитаны только на максимальную чистую потребность в охлаждении и отоплении, а не на максимальную общую потребность в охлаждении и обогреве, их размеры можно уменьшить, что приведет к экономии средств.

Отрасль WSHP продолжает добиваться успехов в повышении эффективности даже в условиях частичной нагрузки. Такие технологии, как микроканальные теплообменники, компрессоры с регулируемой скоростью, интеграция программного обеспечения для управления зданием, беспроводные термостаты и датчики присутствия, проходят испытания или уже внедрены, чтобы еще больше снизить потребление энергии и оставаться на более высоком уровне спектра эффективности.

WSHP — это эффективные решения, которые успешно применяются в коммерческих зданиях. Они особенно эффективны для снижения энергопотребления там, где потребность в энергии неодинакова, что приводит к меньшим размерам градирен и бойлеров. Используя воду в качестве теплоносителя в общем водяном контуре, БТЭ могут безопасно и более эффективно перемещать тепловую энергию на большие расстояния по сравнению с альтернативными решениями на рынке. Они меньше по размеру и обеспечивают гибкость конструкции, позволяя размещать башни, котлы и насосы в местах, удаленных от жилых помещений. WSHP устраняют риск воспламенения, связанный с печным нагревом, и обеспечивают высокоэффективную работу, используя гораздо меньшее количество хладагента по сравнению с системами VRF.

Навин Халбхави, PE, директор по маркетингу ClimateMaster. Он работал на должностях инженеров-технологов, проектирования систем управления, управления продукцией, развития бизнеса и общего управления.