Selezionando correttamente ilserbatoio di accumulo e pompe di circolazioneè una delle parti più importanti della progettazione di un sistema idronico secondario per una pompa di calore aria-acqua.
Una pompa di calore può avere un COP eccellente, un compressore con inverter ad alta efficienza e controlli avanzati, ma se il serbatoio tampone non è dimensionato correttamente o le pompe di circolazione funzionano lontano dai punti di progettazione, il sistema completo potrebbe comunque soffrire di:
Cicli frequenti del compressore
Consumo elettrico eccessivo della pompa
Flusso d'acqua insufficiente
Grandi fluttuazioni della temperatura dell’acqua
Miscelazione idraulica non necessaria
Efficienza ridotta della pompa di calore
Scarse prestazioni di riscaldamento o raffreddamento
Allarmi di flusso e funzionamento instabile
L’obiettivo quindi non è semplicemente quello di installare un serbatoio “abbastanza grande” e una pompa “abbastanza potente”.
Una buona ingegneria idronica significa selezionare ciascun componente in base alle esigenzecarico termico effettivo, portata d'acqua, caduta di pressione, potenza minima della pompa di calore e caratteristiche operative dell'edificio.
Diamo un'occhiata ai principi ingegneristici alla base del dimensionamento del serbatoio tampone e della selezione della pompa di circolazione.
Prima di selezionare i componenti, dobbiamo capire cosa stanno facendo.
Un tipico sistema a pompa di calore secondario contiene due circuiti idraulici.
Pompa di calore → Pompa di circolazione primaria → Serbatoio inerziale → Pompa di calore
Il circuito primario serve principalmente la pompa di calore.
Serbatoio inerziale → Pompa di circolazione secondaria → Terminali edificio → Serbatoio inerziale
Il circuito secondario è a servizio dell'edificio.
Questi terminali possono includere:
Riscaldamento a pavimento
Radiatori
Ventilconvettori
Unità di trattamento dell'aria
Zone di riscaldamento multiple
Questa separazione è importante perché la pompa di calore e l'edificio non necessitano necessariamente della stessa portata contemporaneamente.
La pompa primaria può quindi essere selezionata intorno alrequisiti idraulici della pompa di calore, mentre la pompa secondaria è selezionata attorno alrequisiti del sistema di distribuzione.
Un serbatoio tampone non è semplicemente un grande contenitore d'acqua.
Una delle sue funzioni principali è fornire sufficientemassa termica.
Un volume d'acqua del sistema troppo basso può causare un rapido cambiamento della temperatura dell'acqua.
Ciò aumenta il rischio di:
Pompa di calore ON → Temperatura target raggiunta → OFF → Calo di temperatura → ON di nuovo
In altre parole:
Ciclo breve
Ma anche rendere il serbatoio eccessivamente grande non è necessariamente migliore.
Un serbatoio sovradimensionato può aumentare:
Costo dell'attrezzatura
Spazio di installazione
Perdita di calore permanente
Tempo di riscaldamento del sistema
Volume d'acqua complessivo
L’obiettivo è quindi:
Fornire una massa termica sufficiente per ottenere un funzionamento stabile della pompa di calore senza aumentare inutilmente il volume del sistema.
Una scorciatoia comune nel settore è:
“X litri di serbatoio inerziale per kW di capacità della pompa di calore.”
Ciò può essere utile per una stima preliminare, ma non deve essere trattata come una regola di progettazione universale.
Perché?
Perché il ciclo breve non è determinato solo dalla capacità nominale.
Consideriamo due pompe di calore da 15 kW.
La Pompa di Calore A può modulare fino a 3 kW.
La Pompa di Calore B può modulare solo fino a 6 kW.
Se la richiesta minima di riscaldamento attivo dell'edificio è di 2 kW, i due sistemi si comportano in modo molto diverso.
Per la pompa di calore A:
3 − 2 = 1 kW di potenza in eccesso
Per la pompa di calore B:
6 − 2 = 4 kW di potenza in eccesso
La pompa di calore B richiede quindi un buffer termico notevolmente maggiore per ottenere lo stesso tempo di funzionamento minimo del compressore.
Questo è il motivocapacità minima della pompa di caloreè spesso più importante della capacità nominale quando si valuta il rischio di cicli brevi.
Un utile calcolo semplificato si basa sull'energia termica che deve essere assorbita durante il tempo minimo di funzionamento del compressore desiderato.
Il volume d’acqua effettivo richiesto può essere stimato da:
V = Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
Per l'acqua, questo può essere semplificato per i calcoli pratici HVAC per:
V ≈ 14,3 × P × t / ΔT
Dove:
V= volume d'acqua effettivo richiesto in litri
P= potenza termica in eccesso in kW
T= autonomia minima desiderata in minuti
ΔT= variazione ammissibile della temperatura dell'acqua in °C
Il termine chiave èproduzione di calore in eccesso:
P = Potenza minima della pompa di calore − Carico minimo dell'edificio attivo
Ciò fornisce una stima più realistica rispetto alla semplice moltiplicazione della capacità nominale della pompa di calore per un valore arbitrario di litri per kW.
Supponiamo che una pompa di calore inverter abbia:
Potenza termica minima = 6 kW
Durante il clima mite, il carico attivo minimo dell'edificio è:
2kW
Perciò:
Potenza in eccesso = 6 − 2 = 4 kW
Supponiamo di voler almeno:
Autonomia minima del compressore di 15 minuti
e consentire alla temperatura dell'acqua dell'impianto di salire di:
5°C
Poi:
V ≈ 14,3 × 4 × 15 / 5
V ≈ 172 litri
Questo è approssimativovolume d'acqua effettivo necessario per assorbire il temporaneo disadattamento di uscita.
Ma questo non significa automaticamente che abbiamo bisogno di un serbatoio tampone da 172 litri.
Perché?
Perché l'impianto idronico esistente contiene già acqua.
Supponiamo che il nostro volume d'acqua effettivo minimo calcolato sia:
172 l
Ma il sistema contiene già:
Tubi riscaldamento a pavimento: 70 L
Tubazione principale: 20 L
Scambiatore di calore della pompa di calore e tubazioni interne: 10 L
Volume esistente totale:
100 l
Il volume aggiuntivo richiesto sarebbe quindi approssimativamente:
172 − 100 = 72 litri
Si può quindi prendere in considerazione un serbatoio tampone disponibile in commercio della dimensione più adatta, in base ai requisiti del produttore della pompa di calore e all'effettiva configurazione idraulica.
Questo è un approccio molto più razionale rispetto all'installazione automatica di un serbatoio da 200 o 300 litri.
Un periodo operativo minimo di 10-15 minuti viene spesso utilizzato come controllo tecnico quando si valuta la massa termica e il ciclo.
Lo scopo è semplice.
Vogliamo evitare:
ACCESO → SPENTO → ACCESO → SPENTO
ogni pochi minuti.
Cicli operativi più lunghi generalmente forniscono temperature di sistema più stabili e consentono alle pompe di calore inverter di modulare in modo più efficace.
Tuttavia, non esiste una regola universale secondo cui ogni pompa di calore deve funzionare esattamente per 15 minuti.
Controlla sempre:
Volume d'acqua minimo del produttore
Strategia di controllo del compressore
Requisiti minimi di runtime
Requisiti di scongelamento
Gamma di modulazione dell'inverter
I dati del produttore dovrebbero avere la priorità rispetto alle regole generiche sulle taglie.
Il volume del serbatoio da solo non determina se il sistema è efficiente.
Altrettanto importante è il collegamento idraulico.
Una tradizionale disposizione di buffer a quattro tubi può fornire una forte separazione idraulica tra i circuiti primario e secondario.
Tuttavia, può anche crearemiscelazione all'interno del serbatoio.
Ad esempio, supponiamo che l'acqua di ritorno di un sistema di riscaldamento a pavimento sia:
35°C
Se la miscelazione idraulica fa sì che l’acqua in ingresso nella pompa di calore salga a:
36°C
la pompa di calore deve funzionare con una temperatura di ritorno leggermente più alta.
Ciò potrebbe aumentare la temperatura di condensazione e ridurre l’efficienza del riscaldamento.
La penalità COP esatta non può essere rappresentata da una percentuale universale perché dipende da:
Refrigerante
Compressore
Temperatura esterna
Temperatura dell'acqua
Frequenza del compressore
Progettazione dello scambiatore di calore
Ma il principio ingegneristico è chiaro:
Per una pompa di calore, aumenti non necessari della temperatura dell’acqua generalmente riducono l’efficienza.
Le pompe di calore sono particolarmente sensibili alla temperatura dell'acqua.
Quanto più bassa è la temperatura dell'acqua di riscaldamento richiesta, tanto più facile è in generale il trasferimento del calore da parte del ciclo di refrigerazione.
Questo è uno dei motivi per cui le pompe di calore funzionano particolarmente bene con:
Riscaldamento a pavimento
perché il riscaldamento a pavimento può spesso funzionare a temperature dell'acqua di alimentazione relativamente basse.
Se una miscelazione idraulica non necessaria costringe la pompa di calore a funzionare a una temperatura dell'acqua in uscita più elevata di quella effettivamente necessaria nell'edificio, il COP può diminuire.
Pertanto, il serbatoio tampone non dovrebbe fornire solo massa termica.
Anche la disposizione delle tubazioni dovrebbe essere progettata per ridurre al minimo la miscelazione non necessaria.
Questa è una distinzione importante.
La pompa di calore e i circuiti dell'edificio si collegano separatamente al serbatoio.
Disposizione tipica:
Pompa di calore → Serbatoio → Pompa di calore
E:
Serbatoio → Edificio → Serbatoio
I vantaggi includono:
Forte separazione idraulica
Flusso primario e secondario indipendenti
Integrazione multizona più semplice
Potenziale svantaggio:
Maggiore miscelazione idraulica se i flussi primari e secondari sono significativamente diversi
Il serbatoio può essere installato in serie o come parte di un sistema di ritorno comune.
Il suo scopo principale potrebbe essere quello di:
Aumentare il volume dell'acqua del sistema
Fornire massa termica
Ridurre il ciclismo
riducendo al minimo parte della miscelazione associata alla completa separazione idraulica.
Quale configurazione è migliore?
Dipende se il progetto necessita principalmente di:
Volume termico
O:
Separazione Idraulica + Volume Termico
Questo dovrebbe essere deciso durante la progettazione del sistema.
Una volta stabilita la disposizione del buffer, possiamo selezionare le pompe.
La pompa primaria serve il circuito della pompa di calore.
Due parametri sono essenziali:
E
Cominciamo con il flusso.
Per gli impianti ad acqua la resa termica è pari a circa:
Q = 1,163 × Portata × ΔT
Dove:
Q= capacità termica in kW
Fluire= portata d'acqua in m³/h
ΔT= differenza di temperatura dell'acqua in °C
Perciò:
Portata = Q / (1.163 × ΔT)
Ad esempio, supponiamo che una pompa di calore produca:
12kW
ed è progettato per:
∆T = 5°C
Poi:
Flusso = 12 / (1.163 × 5)
≈ 2,06 m³/ora
Quindi la pompa deve essere in grado di fornire circa:
2,1 m³/h
alla prevalenza di pressione del sistema richiesta.
Ma il flusso da solo non è sufficiente.
Una pompa di circolazione deve vincere la resistenza idraulica del circuito.
Il circuito primario può includere:
Scambiatore di calore a pompa di calore
Tubi
Gomiti
Magliette
Valvole
Valvole di ritegno
Filtri
Misuratori di portata
Collegamenti del serbatoio inerziale
Ogni componente crea una caduta di pressione.
La prevalenza totale richiesta della pompa è di circa:
Caduta di pressione totale = Perdita del tubo + Perdita del raccordo + Perdita dell'attrezzatura
La pompa di circolazione scelta deve fornire la portata di progetto richiestaa questa caduta di pressione.
Ciò significa che la selezione della pompa dovrebbe sempre basarsi su quella del produttorecurva di prestazione della pompa.
Non selezionare una pompa solo dalla sua portata massima.
E non selezionarlo solo dalla sua prevalenza massima.
Il parametro importante è l'effettivo:
Punto operativo = Portata richiesta + Prevalenza richiesta
Un vantaggio della separazione idraulica è che il circuito primario è solitamente relativamente semplice.
Per esempio:
Pompa di calore → Pompa → Accumulo tampone → Pompa di calore
La lunghezza del tubo e i componenti sono noti.
Ciò rende il calcolo della caduta di pressione relativamente semplice.
Pertanto è possibile selezionare con precisione la pompa primaria per la pompa di calore.
Questo è molto più semplice che chiedere a una pompa di servire:
Pompa di calore + Tre piani + Radiatori + Riscaldamento a pavimento + Fan Coil + Valvole di zona
dove la resistenza del sistema può cambiare continuamente.
La pompa secondaria ha un lavoro diverso.
Alimenta il sistema di distribuzione dell'edificio.
La sua progettazione dovrebbe quindi considerare:
Requisiti di flusso terminale
Lunghezze dei tubi
Diametri dei tubi
Numero di raccordi
Valvole di controllo
Valvole miscelatrici
Collettori
Radiatori
Ventilconvettori
Circuiti di riscaldamento a pavimento
Funzionamento a zone simultaneo
Il flusso secondario totale si basa sul carico terminale attivo.
Ma la prevalenza della pompa richiesta è normalmente determinata dalcircuito più impegnativo dal punto di vista idraulico, non semplicemente sommando insieme le perdite di carico di ogni ramo parallelo.
Questa distinzione è estremamente importante.
Supponiamo che un sistema di riscaldamento a pavimento richieda:
Portata totale = 1,8 m³/h
Il circuito più impegnativo più le tubazioni di distribuzione produce una caduta di pressione calcolata equivalente a:
Colonna d'acqua da 4,0 m
La pompa dovrebbe quindi essere selezionata per funzionare in modo efficiente intorno a:
1,8 m³/h a 4,0 m di prevalenza
-non semplicemente perché la sua targhetta dice:
Portata massima = 4 m³/h
O:
Prevalenza massima = 7 m
La curva della pompa deve essere controllata.
Il sovradimensionamento delle pompe di circolazione è un errore comune.
Una pompa troppo grande può causare:
Eccessiva velocità dell'acqua
Maggiore consumo di elettricità
Rumore della valvola
Rumore del flusso
Pressione differenziale eccessiva
Strozzamento inutile
Scarso controllo della zona
Potrebbe anche spingere il sistema molto lontano dal punto di progettazione idraulica previsto.
Una pompa sottodimensionata crea diversi problemi:
Flusso d'acqua insufficiente
ΔT eccessivo
Scarsa uscita del terminale
Allarmi di flusso
Funzionamento instabile della pompa di calore
Il dimensionamento corretto è quindi fondamentale.
I sistemi di riscaldamento e raffreddamento residenziali raramente funzionano a flusso costante.
Immagina una villa con dieci zone di riscaldamento.
Alle condizioni di progetto:
10 zone aperte
Durante il normale funzionamento invernale:
6 zone aperte
Durante il clima mite:
2 zone aperte
Il flusso secondario richiesto cambia in modo significativo.
Il funzionamento di una pompa a velocità fissa a piena potenza spreca continuamente energia e può creare una pressione differenziale eccessiva quando le zone si chiudono.
Un moderno circolatore ECM a velocità variabile può regolare la sua velocità in base alla domanda effettiva.
Ciò è particolarmente utile con:
Collettori per riscaldamento a pavimento
Valvole termostatiche per radiatori
Valvole di zona
Valvole di controllo fan coil
L'energia della pompa ha una relazione molto importante con la velocità.
Secondo le leggi di affinità della pompa:
Flusso ∝ Velocità
Testa ∝ Velocità²
Potenza ∝ Velocità³
Ciò significa che riducendo la velocità della pompa è possibile ridurre drasticamente il consumo elettrico.
Come esempio teorico semplificato:
Se la velocità della pompa viene ridotta all'80%:
Potenza ≈ 0,8³ = 0,512
o approssimativamente:
51% della potenza teorica originaria
I sistemi reali differiranno a causa dell’efficienza della pompa e delle caratteristiche del sistema, ma il principio è estremamente importante:
Non spostare più acqua di quella effettivamente necessaria all'edificio.
Per i moderni sistemi a pompa di calore residenziali e commerciali leggeri, sono generalmente preferiti i circolatori controllati elettronicamente ad alta efficienza.
I vantaggi comuni includono:
Funzionamento a velocità variabile
Tecnologia dei motori a magneti permanenti
Migliore efficienza a carico parziale
Controllo della pressione differenziale
Minore consumo di elettricità
Rumore più basso
Migliore compatibilità con la zonizzazione
A seconda del produttore, le modalità di controllo possono includere:
Pressione costante
Utile per impianti in cui le valvole di zona si aprono e chiudono frequentemente.
Pressione proporzionale
Spesso utile per impianti a radiatori con valvole termostatiche.
Velocità costante
Può comunque essere appropriato per circuiti primari specifici a flusso fisso.
La modalità corretta dipende dal progetto idraulico.
Le pompe centrifughe più grandi rimangono adatte per molti sistemi HVAC commerciali e industriali.
Il problema non è se una pompa sia “centrifuga” o “non centrifuga”: molti circolatori idronici utilizzano fondamentalmente principi idraulici centrifughi.
Le domande importanti sono:
La pompa è adatta al punto di lavoro richiesto?
Può modulare in modo efficiente?
Qual è l'efficienza del suo motore?
Qual è la sua prestazione a carico parziale?
È adatto alla strategia di controllo del sistema?
La prestazione acustica è adeguata?
Per le installazioni residenziali, il rumore e l'efficienza a carico parziale sono particolarmente importanti.
Per i grandi progetti commerciali, potrebbero essere più appropriate pompe a frequenza variabile opportunamente selezionate.
Questo merita un'attenzione speciale.
Nell'asistema idronico chiuso, un edificio a tre piani non significa che la pompa di circolazione debba continuamente "sollevare" l'acqua per tutta l'altezza dell'edificio.
Una volta riempito e pressurizzato il sistema, le teste statiche verso l'alto e verso il basso si bilanciano ampiamente.
La pompa di circolazione deve principalmente superare:
Perdita di pressione per attrito
da:
Tubi
Raccordi
Valvole
Scambiatori di calore
Collettori
Terminali
L'altezza dell'edificio è ancora importantepressione di riempimento statica, progettazione del vaso di espansione e pressione minima del sistema, ma non deve essere semplicemente aggiunto direttamente alla testata della pompa di circolazione.
Questo è uno dei malintesi più comuni sul dimensionamento delle pompe nella progettazione HVAC idronica.
In un sistema secondario adeguatamente progettato:
L'obiettivo è:
Mantenere il flusso richiesto attraverso la pompa di calore.
Il suo funzionamento dovrebbe normalmente seguire i requisiti della pompa di calore e la logica di controllo del produttore.
L'obiettivo è:
Fornire la portata effettivamente richiesta dai terminali dell'edificio.
Il suo funzionamento può rispondere a:
Termostati ambiente
Valvole di zona
Pressione differenziale
Sistema di gestione dell'edificio
Domanda di riscaldamento/raffreddamento
Questa separazione permette ad ogni pompa di funzionare secondo la sua reale funzione.
Il serbatoio tampone e le pompe non dovrebbero mai essere progettati in modo indipendente.
La relazione di progettazione completa è:
Capacità della pompa di calore
↓
Flusso primario richiesto
↓
Pompa primaria
↓
Serbatoio inerziale/Interfaccia idraulica
↓
Carico edilizio
↓
Flusso secondario
↓
Pompa secondaria
↓
Unità terminali
Ogni componente influenza gli altri.
Ad esempio, modificando il terminale ΔT si modifica la portata richiesta.
Modificando le modifiche del flusso richieste:
Velocità del tubo
Caduta di pressione nel tubo
Punto di funzionamento della pompa
Consumo elettrico della pompa
Condizioni di miscelazione idraulica
Questo è il motivo per cui la progettazione di un sistema idronico dovrebbe sempre essere trattata come un problema ingegneristico completo.
Prima di selezionare il serbatoio tampone e le pompe di circolazione per un sistema a pompa di calore aria-acqua, un tecnico dovrebbe determinare:
Pompa di calore
Capacità nominale di riscaldamento/raffreddamento
Capacità minima di modulazione
Portata minima del produttore
Flusso di progettazione consigliato
Volume minimo dell'acqua del sistema
ΔT richiesto
Requisiti di scongelamento
Serbatoio tampone
Volume d'acqua del sistema esistente
Carico minimo dell'edificio attivo
Autonomia minima desiderata
Oscillazione della temperatura consentita
Separazione idraulica richiesta
Configurazione a due tubi o quattro tubi
Livello di isolamento
Pompa primaria
Portata richiesta della pompa di calore
Caduta di pressione dello scambiatore di calore
Resistenza primaria del tubo
Resistenza della valvola e del raccordo
Punto di funzionamento della pompa
Pompa secondaria
Carico di progettazione dell'edificio
Flusso terminale
Circuito idraulico più esigente
Strategia di controllo di zona
Funzionamento a carico parziale
Requisiti di velocità variabile
Se questi parametri sono noti, la selezione dei componenti diventa molto più affidabile.
Quando si scelgono un serbatoio di accumulo e delle pompe, più grande non significa automaticamente più sicuro.
Serbatoio sovradimensionato → Maggiori costi + Maggiore perdita di calore + Risposta più lenta
Pompa sovradimensionata → Più elettricità + più rumore + pressione differenziale eccessiva
Serbatoio sottodimensionato → Aumento del rischio di cicli brevi
Pompa sottodimensionata → Flusso insufficiente + Scarso trasferimento di calore
L’obiettivo è trovare il corretto equilibrio operativo.
Per un sistema idronico secondario ben progettato:
La pompa di calore dovrebbe ricevere il flusso di cui ha bisogno, l’edificio dovrebbe ricevere il flusso di cui ha bisogno e nessuna delle due pompe dovrebbe spostare più acqua del necessario.
Questa è la base di una progettazione idronica efficiente.
La scelta di un’efficiente pompa di calore ad aria è solo l’inizio.
Le prestazioni reali dell'installazione dipendono da come funziona insieme l'intero sistema idronico:
Pompa di calore + serbatoio inerziale + pompa primaria + pompa secondaria + tubazioni + controlli + terminali + carico dell'edificio
Un serbatoio inerziale correttamente dimensionato può fornire una massa termica sufficiente, ridurre i cicli brevi e fornire la separazione idraulica quando richiesto.
Una pompa primaria correttamente selezionata può mantenere un flusso stabile attraverso la pompa di calore.
Una pompa secondaria adeguatamente controllata può rispondere in modo efficiente alla domanda effettiva dell’edificio.
Quando questi componenti sono progettati come un unico sistema, il risultato può essere:
Operazione più stabile | Minore consumo di energia ausiliaria | Migliore comfort | Controllo più semplice | Migliore affidabilità a lungo termine
L'obiettivo non è utilizzare il serbatoio tampone più grande o la pompa di circolazione più potente.
L'obiettivo è far sì che ogni componente funzioni il più vicino possibile al suoreale esigenza progettuale.
Questa è una buona ingegneria della pompa di calore.
Per ulteriori informazioni tecniche supompe di calore ad aria, sistemi di riscaldamento idronici, serbatoi tampone, riscaldamento a pavimento e soluzioni con pompe di calore OEM, visita:
Non esiste una dimensione universale del serbatoio inerziale. Dovrebbe essere determinato in base alla potenza minima della pompa di calore, al carico minimo dell'edificio, al volume dell'acqua esistente, all'oscillazione della temperatura consentita, al tempo di funzionamento minimo desiderato del compressore, alla zonizzazione e ai requisiti del produttore.
Può essere utilizzato come regola pratica preliminare in alcune applicazioni, ma non dovrebbe sostituire i requisiti del produttore o il calcolo del volume termico. Due pompe di calore con la stessa capacità nominale possono avere livelli minimi di modulazione molto diversi.
Per l’acqua, un’approssimazione utile è:
Portata (m³/h) = Capacità (kW) / [1.163 × ΔT (°C)]
Per una pompa di calore da 12 kW funzionante a ΔT 5°C, la portata è di circa2,06 m³/h.
Determinare il flusso d'acqua richiesto e la caduta di pressione totale del circuito, quindi selezionare una pompa la cui curva delle prestazioni fornisca quel flusso alla prevalenza richiesta. Non selezionare mai una pompa utilizzando solo la portata massima o la prevalenza massima.
Non necessariamente. La pompa primaria viene scelta in base ai requisiti del circuito della pompa di calore, mentre la pompa secondaria viene scelta in base al sistema di distribuzione dell'edificio.
È spesso vantaggioso, in particolare nei sistemi a flusso variabile e multizona. Tuttavia, la strategia di controllo deve comunque mantenere il requisito di flusso minimo stabilito dal produttore della pompa di calore.
Selezionando correttamente ilserbatoio di accumulo e pompe di circolazioneè una delle parti più importanti della progettazione di un sistema idronico secondario per una pompa di calore aria-acqua.
Una pompa di calore può avere un COP eccellente, un compressore con inverter ad alta efficienza e controlli avanzati, ma se il serbatoio tampone non è dimensionato correttamente o le pompe di circolazione funzionano lontano dai punti di progettazione, il sistema completo potrebbe comunque soffrire di:
Cicli frequenti del compressore
Consumo elettrico eccessivo della pompa
Flusso d'acqua insufficiente
Grandi fluttuazioni della temperatura dell’acqua
Miscelazione idraulica non necessaria
Efficienza ridotta della pompa di calore
Scarse prestazioni di riscaldamento o raffreddamento
Allarmi di flusso e funzionamento instabile
L’obiettivo quindi non è semplicemente quello di installare un serbatoio “abbastanza grande” e una pompa “abbastanza potente”.
Una buona ingegneria idronica significa selezionare ciascun componente in base alle esigenzecarico termico effettivo, portata d'acqua, caduta di pressione, potenza minima della pompa di calore e caratteristiche operative dell'edificio.
Diamo un'occhiata ai principi ingegneristici alla base del dimensionamento del serbatoio tampone e della selezione della pompa di circolazione.
Prima di selezionare i componenti, dobbiamo capire cosa stanno facendo.
Un tipico sistema a pompa di calore secondario contiene due circuiti idraulici.
Pompa di calore → Pompa di circolazione primaria → Serbatoio inerziale → Pompa di calore
Il circuito primario serve principalmente la pompa di calore.
Serbatoio inerziale → Pompa di circolazione secondaria → Terminali edificio → Serbatoio inerziale
Il circuito secondario è a servizio dell'edificio.
Questi terminali possono includere:
Riscaldamento a pavimento
Radiatori
Ventilconvettori
Unità di trattamento dell'aria
Zone di riscaldamento multiple
Questa separazione è importante perché la pompa di calore e l'edificio non necessitano necessariamente della stessa portata contemporaneamente.
La pompa primaria può quindi essere selezionata intorno alrequisiti idraulici della pompa di calore, mentre la pompa secondaria è selezionata attorno alrequisiti del sistema di distribuzione.
Un serbatoio tampone non è semplicemente un grande contenitore d'acqua.
Una delle sue funzioni principali è fornire sufficientemassa termica.
Un volume d'acqua del sistema troppo basso può causare un rapido cambiamento della temperatura dell'acqua.
Ciò aumenta il rischio di:
Pompa di calore ON → Temperatura target raggiunta → OFF → Calo di temperatura → ON di nuovo
In altre parole:
Ciclo breve
Ma anche rendere il serbatoio eccessivamente grande non è necessariamente migliore.
Un serbatoio sovradimensionato può aumentare:
Costo dell'attrezzatura
Spazio di installazione
Perdita di calore permanente
Tempo di riscaldamento del sistema
Volume d'acqua complessivo
L’obiettivo è quindi:
Fornire una massa termica sufficiente per ottenere un funzionamento stabile della pompa di calore senza aumentare inutilmente il volume del sistema.
Una scorciatoia comune nel settore è:
“X litri di serbatoio inerziale per kW di capacità della pompa di calore.”
Ciò può essere utile per una stima preliminare, ma non deve essere trattata come una regola di progettazione universale.
Perché?
Perché il ciclo breve non è determinato solo dalla capacità nominale.
Consideriamo due pompe di calore da 15 kW.
La Pompa di Calore A può modulare fino a 3 kW.
La Pompa di Calore B può modulare solo fino a 6 kW.
Se la richiesta minima di riscaldamento attivo dell'edificio è di 2 kW, i due sistemi si comportano in modo molto diverso.
Per la pompa di calore A:
3 − 2 = 1 kW di potenza in eccesso
Per la pompa di calore B:
6 − 2 = 4 kW di potenza in eccesso
La pompa di calore B richiede quindi un buffer termico notevolmente maggiore per ottenere lo stesso tempo di funzionamento minimo del compressore.
Questo è il motivocapacità minima della pompa di caloreè spesso più importante della capacità nominale quando si valuta il rischio di cicli brevi.
Un utile calcolo semplificato si basa sull'energia termica che deve essere assorbita durante il tempo minimo di funzionamento del compressore desiderato.
Il volume d’acqua effettivo richiesto può essere stimato da:
V = Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
Per l'acqua, questo può essere semplificato per i calcoli pratici HVAC per:
V ≈ 14,3 × P × t / ΔT
Dove:
V= volume d'acqua effettivo richiesto in litri
P= potenza termica in eccesso in kW
T= autonomia minima desiderata in minuti
ΔT= variazione ammissibile della temperatura dell'acqua in °C
Il termine chiave èproduzione di calore in eccesso:
P = Potenza minima della pompa di calore − Carico minimo dell'edificio attivo
Ciò fornisce una stima più realistica rispetto alla semplice moltiplicazione della capacità nominale della pompa di calore per un valore arbitrario di litri per kW.
Supponiamo che una pompa di calore inverter abbia:
Potenza termica minima = 6 kW
Durante il clima mite, il carico attivo minimo dell'edificio è:
2kW
Perciò:
Potenza in eccesso = 6 − 2 = 4 kW
Supponiamo di voler almeno:
Autonomia minima del compressore di 15 minuti
e consentire alla temperatura dell'acqua dell'impianto di salire di:
5°C
Poi:
V ≈ 14,3 × 4 × 15 / 5
V ≈ 172 litri
Questo è approssimativovolume d'acqua effettivo necessario per assorbire il temporaneo disadattamento di uscita.
Ma questo non significa automaticamente che abbiamo bisogno di un serbatoio tampone da 172 litri.
Perché?
Perché l'impianto idronico esistente contiene già acqua.
Supponiamo che il nostro volume d'acqua effettivo minimo calcolato sia:
172 l
Ma il sistema contiene già:
Tubi riscaldamento a pavimento: 70 L
Tubazione principale: 20 L
Scambiatore di calore della pompa di calore e tubazioni interne: 10 L
Volume esistente totale:
100 l
Il volume aggiuntivo richiesto sarebbe quindi approssimativamente:
172 − 100 = 72 litri
Si può quindi prendere in considerazione un serbatoio tampone disponibile in commercio della dimensione più adatta, in base ai requisiti del produttore della pompa di calore e all'effettiva configurazione idraulica.
Questo è un approccio molto più razionale rispetto all'installazione automatica di un serbatoio da 200 o 300 litri.
Un periodo operativo minimo di 10-15 minuti viene spesso utilizzato come controllo tecnico quando si valuta la massa termica e il ciclo.
Lo scopo è semplice.
Vogliamo evitare:
ACCESO → SPENTO → ACCESO → SPENTO
ogni pochi minuti.
Cicli operativi più lunghi generalmente forniscono temperature di sistema più stabili e consentono alle pompe di calore inverter di modulare in modo più efficace.
Tuttavia, non esiste una regola universale secondo cui ogni pompa di calore deve funzionare esattamente per 15 minuti.
Controlla sempre:
Volume d'acqua minimo del produttore
Strategia di controllo del compressore
Requisiti minimi di runtime
Requisiti di scongelamento
Gamma di modulazione dell'inverter
I dati del produttore dovrebbero avere la priorità rispetto alle regole generiche sulle taglie.
Il volume del serbatoio da solo non determina se il sistema è efficiente.
Altrettanto importante è il collegamento idraulico.
Una tradizionale disposizione di buffer a quattro tubi può fornire una forte separazione idraulica tra i circuiti primario e secondario.
Tuttavia, può anche crearemiscelazione all'interno del serbatoio.
Ad esempio, supponiamo che l'acqua di ritorno di un sistema di riscaldamento a pavimento sia:
35°C
Se la miscelazione idraulica fa sì che l’acqua in ingresso nella pompa di calore salga a:
36°C
la pompa di calore deve funzionare con una temperatura di ritorno leggermente più alta.
Ciò potrebbe aumentare la temperatura di condensazione e ridurre l’efficienza del riscaldamento.
La penalità COP esatta non può essere rappresentata da una percentuale universale perché dipende da:
Refrigerante
Compressore
Temperatura esterna
Temperatura dell'acqua
Frequenza del compressore
Progettazione dello scambiatore di calore
Ma il principio ingegneristico è chiaro:
Per una pompa di calore, aumenti non necessari della temperatura dell’acqua generalmente riducono l’efficienza.
Le pompe di calore sono particolarmente sensibili alla temperatura dell'acqua.
Quanto più bassa è la temperatura dell'acqua di riscaldamento richiesta, tanto più facile è in generale il trasferimento del calore da parte del ciclo di refrigerazione.
Questo è uno dei motivi per cui le pompe di calore funzionano particolarmente bene con:
Riscaldamento a pavimento
perché il riscaldamento a pavimento può spesso funzionare a temperature dell'acqua di alimentazione relativamente basse.
Se una miscelazione idraulica non necessaria costringe la pompa di calore a funzionare a una temperatura dell'acqua in uscita più elevata di quella effettivamente necessaria nell'edificio, il COP può diminuire.
Pertanto, il serbatoio tampone non dovrebbe fornire solo massa termica.
Anche la disposizione delle tubazioni dovrebbe essere progettata per ridurre al minimo la miscelazione non necessaria.
Questa è una distinzione importante.
La pompa di calore e i circuiti dell'edificio si collegano separatamente al serbatoio.
Disposizione tipica:
Pompa di calore → Serbatoio → Pompa di calore
E:
Serbatoio → Edificio → Serbatoio
I vantaggi includono:
Forte separazione idraulica
Flusso primario e secondario indipendenti
Integrazione multizona più semplice
Potenziale svantaggio:
Maggiore miscelazione idraulica se i flussi primari e secondari sono significativamente diversi
Il serbatoio può essere installato in serie o come parte di un sistema di ritorno comune.
Il suo scopo principale potrebbe essere quello di:
Aumentare il volume dell'acqua del sistema
Fornire massa termica
Ridurre il ciclismo
riducendo al minimo parte della miscelazione associata alla completa separazione idraulica.
Quale configurazione è migliore?
Dipende se il progetto necessita principalmente di:
Volume termico
O:
Separazione Idraulica + Volume Termico
Questo dovrebbe essere deciso durante la progettazione del sistema.
Una volta stabilita la disposizione del buffer, possiamo selezionare le pompe.
La pompa primaria serve il circuito della pompa di calore.
Due parametri sono essenziali:
E
Cominciamo con il flusso.
Per gli impianti ad acqua la resa termica è pari a circa:
Q = 1,163 × Portata × ΔT
Dove:
Q= capacità termica in kW
Fluire= portata d'acqua in m³/h
ΔT= differenza di temperatura dell'acqua in °C
Perciò:
Portata = Q / (1.163 × ΔT)
Ad esempio, supponiamo che una pompa di calore produca:
12kW
ed è progettato per:
∆T = 5°C
Poi:
Flusso = 12 / (1.163 × 5)
≈ 2,06 m³/ora
Quindi la pompa deve essere in grado di fornire circa:
2,1 m³/h
alla prevalenza di pressione del sistema richiesta.
Ma il flusso da solo non è sufficiente.
Una pompa di circolazione deve vincere la resistenza idraulica del circuito.
Il circuito primario può includere:
Scambiatore di calore a pompa di calore
Tubi
Gomiti
Magliette
Valvole
Valvole di ritegno
Filtri
Misuratori di portata
Collegamenti del serbatoio inerziale
Ogni componente crea una caduta di pressione.
La prevalenza totale richiesta della pompa è di circa:
Caduta di pressione totale = Perdita del tubo + Perdita del raccordo + Perdita dell'attrezzatura
La pompa di circolazione scelta deve fornire la portata di progetto richiestaa questa caduta di pressione.
Ciò significa che la selezione della pompa dovrebbe sempre basarsi su quella del produttorecurva di prestazione della pompa.
Non selezionare una pompa solo dalla sua portata massima.
E non selezionarlo solo dalla sua prevalenza massima.
Il parametro importante è l'effettivo:
Punto operativo = Portata richiesta + Prevalenza richiesta
Un vantaggio della separazione idraulica è che il circuito primario è solitamente relativamente semplice.
Per esempio:
Pompa di calore → Pompa → Accumulo tampone → Pompa di calore
La lunghezza del tubo e i componenti sono noti.
Ciò rende il calcolo della caduta di pressione relativamente semplice.
Pertanto è possibile selezionare con precisione la pompa primaria per la pompa di calore.
Questo è molto più semplice che chiedere a una pompa di servire:
Pompa di calore + Tre piani + Radiatori + Riscaldamento a pavimento + Fan Coil + Valvole di zona
dove la resistenza del sistema può cambiare continuamente.
La pompa secondaria ha un lavoro diverso.
Alimenta il sistema di distribuzione dell'edificio.
La sua progettazione dovrebbe quindi considerare:
Requisiti di flusso terminale
Lunghezze dei tubi
Diametri dei tubi
Numero di raccordi
Valvole di controllo
Valvole miscelatrici
Collettori
Radiatori
Ventilconvettori
Circuiti di riscaldamento a pavimento
Funzionamento a zone simultaneo
Il flusso secondario totale si basa sul carico terminale attivo.
Ma la prevalenza della pompa richiesta è normalmente determinata dalcircuito più impegnativo dal punto di vista idraulico, non semplicemente sommando insieme le perdite di carico di ogni ramo parallelo.
Questa distinzione è estremamente importante.
Supponiamo che un sistema di riscaldamento a pavimento richieda:
Portata totale = 1,8 m³/h
Il circuito più impegnativo più le tubazioni di distribuzione produce una caduta di pressione calcolata equivalente a:
Colonna d'acqua da 4,0 m
La pompa dovrebbe quindi essere selezionata per funzionare in modo efficiente intorno a:
1,8 m³/h a 4,0 m di prevalenza
-non semplicemente perché la sua targhetta dice:
Portata massima = 4 m³/h
O:
Prevalenza massima = 7 m
La curva della pompa deve essere controllata.
Il sovradimensionamento delle pompe di circolazione è un errore comune.
Una pompa troppo grande può causare:
Eccessiva velocità dell'acqua
Maggiore consumo di elettricità
Rumore della valvola
Rumore del flusso
Pressione differenziale eccessiva
Strozzamento inutile
Scarso controllo della zona
Potrebbe anche spingere il sistema molto lontano dal punto di progettazione idraulica previsto.
Una pompa sottodimensionata crea diversi problemi:
Flusso d'acqua insufficiente
ΔT eccessivo
Scarsa uscita del terminale
Allarmi di flusso
Funzionamento instabile della pompa di calore
Il dimensionamento corretto è quindi fondamentale.
I sistemi di riscaldamento e raffreddamento residenziali raramente funzionano a flusso costante.
Immagina una villa con dieci zone di riscaldamento.
Alle condizioni di progetto:
10 zone aperte
Durante il normale funzionamento invernale:
6 zone aperte
Durante il clima mite:
2 zone aperte
Il flusso secondario richiesto cambia in modo significativo.
Il funzionamento di una pompa a velocità fissa a piena potenza spreca continuamente energia e può creare una pressione differenziale eccessiva quando le zone si chiudono.
Un moderno circolatore ECM a velocità variabile può regolare la sua velocità in base alla domanda effettiva.
Ciò è particolarmente utile con:
Collettori per riscaldamento a pavimento
Valvole termostatiche per radiatori
Valvole di zona
Valvole di controllo fan coil
L'energia della pompa ha una relazione molto importante con la velocità.
Secondo le leggi di affinità della pompa:
Flusso ∝ Velocità
Testa ∝ Velocità²
Potenza ∝ Velocità³
Ciò significa che riducendo la velocità della pompa è possibile ridurre drasticamente il consumo elettrico.
Come esempio teorico semplificato:
Se la velocità della pompa viene ridotta all'80%:
Potenza ≈ 0,8³ = 0,512
o approssimativamente:
51% della potenza teorica originaria
I sistemi reali differiranno a causa dell’efficienza della pompa e delle caratteristiche del sistema, ma il principio è estremamente importante:
Non spostare più acqua di quella effettivamente necessaria all'edificio.
Per i moderni sistemi a pompa di calore residenziali e commerciali leggeri, sono generalmente preferiti i circolatori controllati elettronicamente ad alta efficienza.
I vantaggi comuni includono:
Funzionamento a velocità variabile
Tecnologia dei motori a magneti permanenti
Migliore efficienza a carico parziale
Controllo della pressione differenziale
Minore consumo di elettricità
Rumore più basso
Migliore compatibilità con la zonizzazione
A seconda del produttore, le modalità di controllo possono includere:
Pressione costante
Utile per impianti in cui le valvole di zona si aprono e chiudono frequentemente.
Pressione proporzionale
Spesso utile per impianti a radiatori con valvole termostatiche.
Velocità costante
Può comunque essere appropriato per circuiti primari specifici a flusso fisso.
La modalità corretta dipende dal progetto idraulico.
Le pompe centrifughe più grandi rimangono adatte per molti sistemi HVAC commerciali e industriali.
Il problema non è se una pompa sia “centrifuga” o “non centrifuga”: molti circolatori idronici utilizzano fondamentalmente principi idraulici centrifughi.
Le domande importanti sono:
La pompa è adatta al punto di lavoro richiesto?
Può modulare in modo efficiente?
Qual è l'efficienza del suo motore?
Qual è la sua prestazione a carico parziale?
È adatto alla strategia di controllo del sistema?
La prestazione acustica è adeguata?
Per le installazioni residenziali, il rumore e l'efficienza a carico parziale sono particolarmente importanti.
Per i grandi progetti commerciali, potrebbero essere più appropriate pompe a frequenza variabile opportunamente selezionate.
Questo merita un'attenzione speciale.
Nell'asistema idronico chiuso, un edificio a tre piani non significa che la pompa di circolazione debba continuamente "sollevare" l'acqua per tutta l'altezza dell'edificio.
Una volta riempito e pressurizzato il sistema, le teste statiche verso l'alto e verso il basso si bilanciano ampiamente.
La pompa di circolazione deve principalmente superare:
Perdita di pressione per attrito
da:
Tubi
Raccordi
Valvole
Scambiatori di calore
Collettori
Terminali
L'altezza dell'edificio è ancora importantepressione di riempimento statica, progettazione del vaso di espansione e pressione minima del sistema, ma non deve essere semplicemente aggiunto direttamente alla testata della pompa di circolazione.
Questo è uno dei malintesi più comuni sul dimensionamento delle pompe nella progettazione HVAC idronica.
In un sistema secondario adeguatamente progettato:
L'obiettivo è:
Mantenere il flusso richiesto attraverso la pompa di calore.
Il suo funzionamento dovrebbe normalmente seguire i requisiti della pompa di calore e la logica di controllo del produttore.
L'obiettivo è:
Fornire la portata effettivamente richiesta dai terminali dell'edificio.
Il suo funzionamento può rispondere a:
Termostati ambiente
Valvole di zona
Pressione differenziale
Sistema di gestione dell'edificio
Domanda di riscaldamento/raffreddamento
Questa separazione permette ad ogni pompa di funzionare secondo la sua reale funzione.
Il serbatoio tampone e le pompe non dovrebbero mai essere progettati in modo indipendente.
La relazione di progettazione completa è:
Capacità della pompa di calore
↓
Flusso primario richiesto
↓
Pompa primaria
↓
Serbatoio inerziale/Interfaccia idraulica
↓
Carico edilizio
↓
Flusso secondario
↓
Pompa secondaria
↓
Unità terminali
Ogni componente influenza gli altri.
Ad esempio, modificando il terminale ΔT si modifica la portata richiesta.
Modificando le modifiche del flusso richieste:
Velocità del tubo
Caduta di pressione nel tubo
Punto di funzionamento della pompa
Consumo elettrico della pompa
Condizioni di miscelazione idraulica
Questo è il motivo per cui la progettazione di un sistema idronico dovrebbe sempre essere trattata come un problema ingegneristico completo.
Prima di selezionare il serbatoio tampone e le pompe di circolazione per un sistema a pompa di calore aria-acqua, un tecnico dovrebbe determinare:
Pompa di calore
Capacità nominale di riscaldamento/raffreddamento
Capacità minima di modulazione
Portata minima del produttore
Flusso di progettazione consigliato
Volume minimo dell'acqua del sistema
ΔT richiesto
Requisiti di scongelamento
Serbatoio tampone
Volume d'acqua del sistema esistente
Carico minimo dell'edificio attivo
Autonomia minima desiderata
Oscillazione della temperatura consentita
Separazione idraulica richiesta
Configurazione a due tubi o quattro tubi
Livello di isolamento
Pompa primaria
Portata richiesta della pompa di calore
Caduta di pressione dello scambiatore di calore
Resistenza primaria del tubo
Resistenza della valvola e del raccordo
Punto di funzionamento della pompa
Pompa secondaria
Carico di progettazione dell'edificio
Flusso terminale
Circuito idraulico più esigente
Strategia di controllo di zona
Funzionamento a carico parziale
Requisiti di velocità variabile
Se questi parametri sono noti, la selezione dei componenti diventa molto più affidabile.
Quando si scelgono un serbatoio di accumulo e delle pompe, più grande non significa automaticamente più sicuro.
Serbatoio sovradimensionato → Maggiori costi + Maggiore perdita di calore + Risposta più lenta
Pompa sovradimensionata → Più elettricità + più rumore + pressione differenziale eccessiva
Serbatoio sottodimensionato → Aumento del rischio di cicli brevi
Pompa sottodimensionata → Flusso insufficiente + Scarso trasferimento di calore
L’obiettivo è trovare il corretto equilibrio operativo.
Per un sistema idronico secondario ben progettato:
La pompa di calore dovrebbe ricevere il flusso di cui ha bisogno, l’edificio dovrebbe ricevere il flusso di cui ha bisogno e nessuna delle due pompe dovrebbe spostare più acqua del necessario.
Questa è la base di una progettazione idronica efficiente.
La scelta di un’efficiente pompa di calore ad aria è solo l’inizio.
Le prestazioni reali dell'installazione dipendono da come funziona insieme l'intero sistema idronico:
Pompa di calore + serbatoio inerziale + pompa primaria + pompa secondaria + tubazioni + controlli + terminali + carico dell'edificio
Un serbatoio inerziale correttamente dimensionato può fornire una massa termica sufficiente, ridurre i cicli brevi e fornire la separazione idraulica quando richiesto.
Una pompa primaria correttamente selezionata può mantenere un flusso stabile attraverso la pompa di calore.
Una pompa secondaria adeguatamente controllata può rispondere in modo efficiente alla domanda effettiva dell’edificio.
Quando questi componenti sono progettati come un unico sistema, il risultato può essere:
Operazione più stabile | Minore consumo di energia ausiliaria | Migliore comfort | Controllo più semplice | Migliore affidabilità a lungo termine
L'obiettivo non è utilizzare il serbatoio tampone più grande o la pompa di circolazione più potente.
L'obiettivo è far sì che ogni componente funzioni il più vicino possibile al suoreale esigenza progettuale.
Questa è una buona ingegneria della pompa di calore.
Per ulteriori informazioni tecniche supompe di calore ad aria, sistemi di riscaldamento idronici, serbatoi tampone, riscaldamento a pavimento e soluzioni con pompe di calore OEM, visita:
Non esiste una dimensione universale del serbatoio inerziale. Dovrebbe essere determinato in base alla potenza minima della pompa di calore, al carico minimo dell'edificio, al volume dell'acqua esistente, all'oscillazione della temperatura consentita, al tempo di funzionamento minimo desiderato del compressore, alla zonizzazione e ai requisiti del produttore.
Può essere utilizzato come regola pratica preliminare in alcune applicazioni, ma non dovrebbe sostituire i requisiti del produttore o il calcolo del volume termico. Due pompe di calore con la stessa capacità nominale possono avere livelli minimi di modulazione molto diversi.
Per l’acqua, un’approssimazione utile è:
Portata (m³/h) = Capacità (kW) / [1.163 × ΔT (°C)]
Per una pompa di calore da 12 kW funzionante a ΔT 5°C, la portata è di circa2,06 m³/h.
Determinare il flusso d'acqua richiesto e la caduta di pressione totale del circuito, quindi selezionare una pompa la cui curva delle prestazioni fornisca quel flusso alla prevalenza richiesta. Non selezionare mai una pompa utilizzando solo la portata massima o la prevalenza massima.
Non necessariamente. La pompa primaria viene scelta in base ai requisiti del circuito della pompa di calore, mentre la pompa secondaria viene scelta in base al sistema di distribuzione dell'edificio.
È spesso vantaggioso, in particolare nei sistemi a flusso variabile e multizona. Tuttavia, la strategia di controllo deve comunque mantenere il requisito di flusso minimo stabilito dal produttore della pompa di calore.