Un sistema di pompa di calore idronico a ciclo singolo può essere semplice, efficiente ed economico, ma solo se le condizioni idrauliche restano entro i requisiti di funzionamento della pompa di calore.

In progetti reali di riscaldamento e raffreddamento, una pompa di calore aria-acqua può essere collegata a diversi tipi di unità terminali, tra cui:

• Riscaldamento a pavimento

• Radiatori

• Unità a bobina ventilatrice

• Coili di unità di trattamento dell'aria

• Altri terminali idronici per il riscaldamento o il raffreddamento

Questi terminali non sempre funzionano simultaneamente.

Quando i termostati raggiungono i loro valori di impostazione, le valvole di zona possono chiudersi, le valvole di controllo della bobina del ventilatore possono modulare, i filtri possono sporcarsi, la resistenza del sistema può cambiare.

Di conseguenza,il flusso di acqua effettivo attraverso la pompa di calore può essere molto diverso dal flusso di progettazione.

Questa è una delle sfide ingegneristiche più importanti in un sistema di pompe di calore a collegamento diretto o a ciclo unico.

1Perché il flusso d'acqua è così importante per una pompa di calore?

Ogni pompa di calore idronico è progettata e testata in condizioni di funzionamento specifiche.

Questi sono di norma:

• Temperatura dell'aria esterna

• Temperatura dell'acqua

• Temperatura dell'acqua di partenza

• Flusso d'acqua

• Differenze di temperatura di alimentazione e di ritorno, o ΔT

Tra questi parametri,la portata dell'acqua è particolarmente importante per lo scambiatore di calore acqueo.

La relazione di base di trasferimento del calore è:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Per i sistemi HVAC ad acqua, questo può essere semplificato in:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

Dove:

• Q.= capacità di trasferimento di calore, kW

• V.= portata dell'acqua, m3/h

• ΔT= differenza di temperatura dell'acqua, K

Questa equazione spiega perché il flusso d'acqua e ΔT non possono essere considerati indipendentemente.

Per un dato tasso di trasferimento di calore:

Flusso inferiore → ΔT superiore

- e

Flusso superiore → ΔT inferiore

2Cosa succede quando il flusso d'acqua è troppo basso?

Supponiamo che una pompa di calore sia progettata per funzionare a:

Flusso idrico di progettazione = 4,0 m3/h

Se il flusso effettivo del sistema diminuisce del 20%, il flusso diventa:

3.2 m3/h

Se la pompa di calore cerca ancora di trasferire circa la stessa quantità di energia, la ΔT sul lato dell'acqua deve aumentare.

Per esempio:

Condizione del progetto

20 kW = 1,163 × 3,44 m3/h × 5 K

Se il flusso scende a circa 2,75 m3/h mentre il trasferimento di calore resta pari a 20 kW:

ΔT ≈ 6,25 K

Il sistema inizia quindi a allontanarsi dalla sua condizione di progettazione originale.

Una deviazione moderata può essere controllabile.

Una grande deviazione potrebbe non esserlo.

3- Un basso flusso d'acqua può ridurre le prestazioni della pompa di calore

Un flusso d'acqua insufficiente non fa solo aumentare ΔT.

Può influenzare:

• Performance dello scambiatore di calore

• Pressione di condensazione del refrigerante

• Temperatura di evaporazione del refrigerante

• Condizioni di funzionamento del compressore

• Lasciare stabile la temperatura dell'acqua

• Capacità di riscaldamento o raffreddamento

• COP/EER

• Operazione di scongelamento

• Affidabilità del sistema

Le conseguenze sono diverse nel funzionamento del riscaldamento e del raffreddamento.

4. Basso flusso durante il riscaldamento

Durante la modalità di riscaldamento, il refrigerante trasferisce il calore all'acqua circolante attraverso il condensatore.

Se il flusso d'acqua diventa troppo basso, l'acqua non può rimuovere il calore dallo scambiatore di calore del refrigerante abbastanza rapidamente.

Ciò può far aumentare rapidamente la temperatura dell'acqua uscente.

Allo stesso tempo, la temperatura e la pressione di condensazione del refrigerante possono aumentare.

In casi gravi, la pompa di calore può manifestare:

• Protezione contro l'alta pressione

• Temperatura di scarico eccessiva

• Temperatura instabile dell'acqua di uscita

• Ciclo del compressore

• Riduzione dell'efficienza operativa

• Alarmi di protezione degli scambiatori di calore

La risposta esatta dipende dal circuito di refrigerazione e dalla logica di controllo della pompa di calore.

Modalità di riscaldamento  Relazione semplificata

Flusso normale

Pompa di calore
↓
Un flusso d'acqua adeguato
↓
Trasferimento termico stabile
↓
Pressione di condensazione stabile
↓
Funzionamento normale

Flusso insufficiente

Pompa di calore
↓
Riduzione del flusso d'acqua
↓
Riduzione dell'eliminazione del calore
↓
ΔT più elevato sul lato dell'acqua
↓
Temperatura/pressione di condensazione più elevata
↓
Possibile protezione da alta pressione

Per questo è essenziale mantenere un flusso minimo.

5Il basso flusso può essere ancora più critico durante il raffreddamento.

Durante l'operazione di raffreddamento, la pompa di calore elimina il calore dall'acqua circolante.

Lo scambiatore di calore acqueo funziona ora come un evaporatore.

Se il flusso d'acqua diventa troppo basso, la temperatura dell'acqua all'interno dello scambiatore di calore può diminuire eccessivamente.

Ciò può comportare:

Basso flusso d'acqua → Minore temperatura di evaporazione → Rischio di congelamento

Se la condizione diventa grave, l'acqua all'interno dello scambiatore di calore può congelare.

L'espansione del ghiaccio può danneggiare meccanicamente lo scambiatore di calore.

Questo è un grave errore perché uno scambiatore di calore a piastra danneggiato può permettere all'acqua di entrare nel circuito del refrigerante.

Pertanto, i sistemi di raffreddamento richiedono un'attenta considerazione dei seguenti aspetti:

• Flusso d'acqua minimo

• Protezione degli interruttori di flusso

• Protezione della temperatura dell'acqua

• Protezione antifreeze

• Qualità dell'acqua

• Concentrazione di glicolo, se necessario

• Logica di funzionamento della pompa

6. Il flusso di progettazione non è necessariamente il flusso operativo effettivo

Questo è uno dei concetti più importanti nella progettazione di sistemi a ciclo singolo.

Durante la messa in servizio, tutti i circuiti terminali possono essere aperti.

L'installatore misura il sistema e tutto appare normale.

Per esempio:

Flusso di progettazione della pompa di calore: 4,0 m3/h

Flusso misurato di messa in servizio: 4,1 m3/h

Tutto sembra corretto.

Ma cosa succede dopo che l'edificio inizia a funzionare normalmente?

Supponiamo che il sistema contenga sei ventilatori.

A pieno carico:

FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = flusso totale adeguato

In seguito, cinque stanze raggiungono i loro valori di regolazione del termostato.

Cinque valvole motorizzate si chiudono.

Solo una bobina del ventilatore rimane attiva.

La resistenza idraulica del sistema cambia drasticamente.

La pompa di calore può ora ricevere molto meno del flusso minimo di acqua richiesto.

Ciò significa:

Un sistema che funziona correttamente durante la messa in servizio può non funzionare correttamente in condizioni di carico parziale.

Ciò è particolarmente importante per le pompe di calore a inverter perché gli edifici trascorrono una percentuale significativa della stagione di riscaldamento a carico parziale.

7Le unità terminali creano una resistenza idraulica variabile.

Diversi terminali hanno caratteristiche idrauliche diverse.

Per esempio:

Riscaldamento a pavimento

Il flusso è influenzato da:

• Numero di cicli attivi

• Bilanciamento multiplice

• Lunghezza del tubo

• Diametro del tubo

• Posizione dell'attuatore

• Valvole di miscelazione

• Controllo termostatico

Unità a bobina di ventilatore

Il flusso può cambiare quando:

• Chiusura delle valvole bidirezionali

• Valvole di controllo modulate

• I rami della bobina sono isolati

• I filtri si sporcano.

Radiatori

Il flusso può variare a seconda di:

• Valvole termostatiche per radiatori

• Valvole di bilanciamento

• Valvole di zona

• Pressione differenziale

Pertanto, il progettista non dovrebbe calcolare solo ilcondizione di progettazione a pieno carico.

Il sistema idraulico deve essere valutato anche in base acondizioni di carico minimo.

8Perché la selezione della pompa di circolazione diventa difficile

In un sistema a collegamento diretto, una pompa di circolazione può aver bisogno di superare la resistenza alla pressione di:

Pompa di calore + tubazioni + valvole + filtri + manifold + unità terminali

Il punto di funzionamento della pompa richiesto è quindi:

Tasso di flusso progettato + testa dinamica totale

Tuttavia, la resistenza terminale non è necessariamente costante.

Quando le valvole si chiudono, la curva di resistenza del sistema cambia.

È per questo che non è sempre una buona soluzione semplicemente scegliere una pompa più grande.

Una pompa di circolazione troppo grande può causare:

• Flusso eccessivo

• Pressione differenziale eccessiva

• Rumore di flusso

• Problemi con l'autorità delle valvole

• Aumento del consumo di energia elettrica delle pompe

• Sistema ridotto ΔT

• Scarsa stabilità di controllo

L'obiettivo non è quello di selezionare la pompa più grande.

L'obiettivo è quello di selezionare una pompa in grado di funzionare correttamente nell'intervallo idraulico previsto.

9Perché il flusso minimo della pompa di calore deve essere sempre protetto

La maggior parte delle pompe di calore aria-acqua specifica un flusso minimo ammissibile di acqua.

Per esempio:

Flusso di progettazione: 4,0 m3/h

Flusso minimo ammissibile: 2,5 m3/h

Il progettista del sistema deve garantire che il flusso effettivo della pompa di calore non scenda al di sotto di 2,5 m3/h, anche quando sono chiuse più zone terminali.

Questo è fondamentalmente diverso dal semplice confermare che il flusso di progettazione è disponibile a pieno carico.

Una buona progettazione idraulica dovrebbe quindi rispondere a due domande:

Domanda n. 1

Il sistema è in grado di fornire il flusso di progettazione richiesto a carico massimo?

Domanda n. 2

Il sistema può mantenere il flusso minimo richiesto della pompa di calore a carico minimo?

Entrambe le condizioni contano.

10Perché un interruttore di flusso è necessario ma non sufficiente

Per proteggere la pompa di calore è generalmente installato un interruttore di flusso.

Il suo scopo è semplice:

Flusso adeguato → pompa di calore autorizzata a funzionare

Flusso insufficiente → Pompa di calore bloccata/protetta

Questo è un importante dispositivo di sicurezza.

Tuttavia:

Un interruttore di flusso protegge la pompa di calore da una cattiva condizione idraulica; non corregge la condizione idraulica.

Questa distinzione è fondamentale.

Se le valvole terminali riducono continuamente il flusso d'acqua al di sotto del minimo richiesto, l'interruttore di flusso può interrompere ripetutamente la pompa di calore.

L'apparecchiatura è protetta, ma il sistema di riscaldamento non funziona ancora correttamente.

Pertanto, la protezione del flusso e la progettazione idraulica non devono mai essere confuse.

11Valvole bidirezionali e problema del carico parziale

Le valvole bidirezionali sono ampiamente utilizzate nei moderni sistemi HVAC.

Quando una stanza ha bisogno di riscaldamento:

Termostato acceso → Valvola aperta → Flusso d'acqua

Quando la stanza raggiunge il punto di impostazione:

Termostato spento → Valvola chiusa → Flusso d'acqua interrotto

Questo fornisce un controllo eccellente a livello della stanza.

Tuttavia, in un sistema a ciclo singolo, la chiusura di più valvole bidirezionali riduce il flusso totale del sistema.

Per esempio:

Carico completo

6 zone aperte
→ Flusso di progettazione al 100%
→ La pompa di calore funziona normalmente

Carico parziale

3 zone aperte
→ Riduzione del flusso
→ La pompa di calore può ancora funzionare normalmente

Carico minimo

1 zona aperta
→ Trasflusso del sistema molto basso
→ Il flusso minimo della pompa di calore potrebbe non essere soddisfatto

Questa è una delle sfide idrauliche più comuni nei sistemi a connessione diretta multi-zona.

12Valvola di bypass di pressione differenziale

Una soluzione possibile è unavalvola di bypass a pressione differenziale.

Il bypass è installato tra i tubi di alimentazione e di ritorno.

Quando le valvole terminali sono aperte:

Pressione differenziale bassa → Bypass chiuso

L'acqua scorre attraverso i terminali.

Quando le valvole terminali si chiudono:

Resistenza del sistema ↑

Pressione differenziale ↑

La valvola di bypass si apre gradualmente.

Una parte dell'acqua di approvvigionamento passa quindi oltre il sistema terminale e ritorna direttamente alla pompa di calore.

Questo aiuta a mantenere la circolazione minima.

Logica semplificata

Fornitura di pompe di calore

↓

Circuito terminale

↓

Ritorno

Ma quando il flusso terminale diminuisce:

Fornitura → Bypass della pressione differenziale → Ritorno

Questo può aiutare a proteggere il flusso minimo della pompa di calore.

Tuttavia, il flusso di bypass deve essere progettato correttamente perché un eccessivo bypass può aumentare la temperatura dell'acqua di ritorno durante il riscaldamento e ridurre la consegna di calore utile all'edificio.

13Le valvole a tre vie possono mantenere un flusso più costante

Un altro approccio consiste nell'uso di valvole di controllo a tre vie.

A differenza di una valvola a due vie che blocca semplicemente il flusso d'acqua, una triversale può reindirizzare il flusso attraverso un percorso di bypass.

Concettualmente:

La stanza ha bisogno di riscaldamento

Fornitura → Terminale → Ritorno

La stanza non ha bisogno di riscaldamento

Fornitura → Bypass → Ritorno

Questo può mantenere un flusso di circolazione primario più stabile.

Tuttavia, le valvole a tre vie creano anche un flusso di bypass continuo e possono aumentare l'energia di pompaggio.

Pertanto, la scelta tra le valvole a due o tre vie dovrebbe basarsi sulla progettazione idraulica completa piuttosto che sulla preferenza dei componenti.

14Le pompe a velocità variabile hanno bisogno di una corretta logica di controllo.

Le pompe di circolazione a velocità variabile possono migliorare significativamente l'efficienza del sistema idronico.

Le modalità di controllo comuni includono:

• velocità costante

• Pressione differenziale costante

• Pressione differenziale proporzionale

• Controllo esterno 0 ′ 10 V

• Controllo PWM

• Controllo della velocità variabile integrato con pompa di calore

Quando le valvole terminali si chiudono, una pompa a velocità variabile può ridurre la sua velocità.

Questo può ridurre:

• Energia di pompaggio

• Pressione differenziale

• Rumore di flusso

• Tensione della valvola

Tuttavia, la pompa non deve ridurre così tanto la velocità che il flusso della pompa di calore scenda sotto il minimo richiesto.

Pertanto:

Controllo variabile della pompa ≠ riduzione illimitata del flusso

Il fabbisogno minimo di portata della pompa di calore rimane il vincolo di regolazione.

15Anche i filtri e i filtri influenzano il flusso della pompa di calore.

I problemi di flusso non sono sempre causati dalle valvole di controllo.

Un filtro Y sporco o un separatore di sporcizia magnetico possono aumentare gradualmente la caduta di pressione del sistema.

La progressione può assomigliare:

Filtro pulito

↓

Diminuzione normale della pressione

↓

Flusso normale

Allora:

Accumulazione di sporcizia

↓

Caduta di pressione maggiore

↓

Flusso d'acqua inferiore

↓

ΔT superiore

↓

Problemi di prestazione della pompa di calore

Per questo motivo la messa in servizio e la manutenzione dovrebbero comprendere:

• Misurazione del flusso

• Misurazione della pressione di alimentazione/di ritorno

• Ispezione dei filtri

• Pulizia del setaccio

• Rimozione dell'aria

• Controlli della qualità dell'acqua

Un sistema che funzionava correttamente quando era nuovo può avere problemi idraulici in seguito a causa di contaminazione o aria intrappolata.

16L' aria nel circuito idronico può anche ridurre il flusso.

L' accumulo d' aria può causare:

• Riduzione del flusso effettivo

• Cavitazione della pompa

• Noise

• Riscaldamento irregolare

• Problemi di circolazione localizzati

• Alarmi di interruttore di portata

Le prese d'aria automatiche, i separatori d'aria, la pressione corretta del sistema e le procedure di messa in servizio adeguate sono quindi parti importanti della progettazione idraulica della pompa di calore.

17Il riscaldamento e il raffreddamento devono essere valutati separatamente.

Una pompa di calore aria-acqua reversibile non deve essere valutata idraulicamente solo in modalità di riscaldamento.

Il riscaldamento e il raffreddamento creano rischi diversi.

Modalità di riscaldamento

La preoccupazione principale per il flusso insufficiente:

Pochi rifiuti di calore → Alta temperatura/pressione di condensazione

Modalità di raffreddamento

La preoccupazione principale per il flusso insufficiente:

Acqua di raffreddamento eccessivo → bassa temperatura di evaporazione → rischio di congelamento

Pertanto, un sistema accettabile per il riscaldamento non è automaticamente sicuro per il raffreddamento.

Ciò è particolarmente importante per i sistemi che utilizzano:

• di larghezza superiore a 20 mm

• AHU ad acqua refrigerata

• raffreddamento radiante

• raffreddamento di processo a bassa temperatura

18. Lista di controllo ingegneristica pratica

Prima di mettere in funzione un sistema di pompa di calore a ciclo singolo, verificare quanto segue:

Pompa di calore

✓ Progettazione del flusso idrico
✓ Flusso minimo ammissibile
✓ Flusso massimo ammissibile
✓ Volume minimo di acqua del sistema
✓ Temperatura di scarico dell'acqua di riscaldamento
✓ Temperatura dell'acqua di raffreddamento

Pompa di circolazione

✓ Flusso di progettazione
✓ testa disponibile
✓ modalità di controllo
✓ Velocità minima
✓ Curva della pompa

Rete idraulica

✓ Diametro del tubo
✓ Caduta di pressione totale
✓ Resistenza della valvola
✓ Resistenza al filtro
✓ calo della pressione terminale
✓ bilanciamento idraulico

Controllo terminale

✓ Numero di zone
✓ Valvole a due o tre vie
✓ Numero minimo di circuiti aperti
✓ flusso di carico parziale
✓ Requisito di bypass

Protezione

✓ Interruttore di flusso
✓ Protezione da congelamento
✓ Protezione contro l'alta pressione
✓ Ventilazione automatica
✓ Vaso di espansione
✓ Valvola di sicurezza

Ma la cosa più importante:

Verificare che il sistema idraulico sia a carico massimo e minimo.

19Il principio di progettazione più importante

Per un sistema di pompe di calore a ciclo unico, la pompa di calore e la rete di distribuzione dell'edificio sono collegate idraulicamente.

Questo significa che ogni cambiamento sul lato terminale può influenzare la pompa di calore.

Un termostato chiude una valvola.

↓

Cambiamenti di resistenza del sistema.

↓

Il flusso d'acqua cambia.

↓

Variazioni della pompa di calore ΔT.

↓

Condizioni di funzionamento del frigorifero.

↓

La capacità, l'efficienza e l'affidabilità possono cambiare.

Per questo motivo la progettazione idonica non può essere separata dalla selezione della pompa di calore.

Conclusioni

Un sistema di pompe di calore idroniche a circuito singolo può fornire una soluzione semplice e altamente efficiente per il riscaldamento e il raffreddamento residenziale e commerciale.

Ma il successo dell'operazione dipende in gran partestabilità del flusso d'acqua.

Il progettista deve considerare non solo la capacità nominale della pompa di calore, ma anche:

Flusso di progettazione → Flusso minimo → ΔT → Caduta di pressione → Selezione della pompa → Resistenza terminale → Controllo della zona → Strategia di bypass → Protezione del sistema

Una pompa di calore può funzionare perfettamente quando ogni terminale è aperto durante la messa in servizio, ma diventa instabile quando l'edificio entra in funzione a carico parziale.

Pertanto, uno dei principi più importanti nella progettazione del sistema di pompe di calore è:

Non progettare solo per il pieno carico, progettare il sistema idraulico per l'intera gamma di funzionamento.

Il mantenimento di un adeguato flusso d'acqua attraverso la pompa di calore in tutte le condizioni di funzionamento previste è essenziale perefficienza, comfort, affidabilità del compressore, protezione da congelamento e prestazioni a lungo termine del sistema.

FAQ: Progettazione del sistema di pompa di calore a ciclo singolo

Cosa succede se il flusso d'acqua della pompa di calore è troppo basso?

Il basso flusso d'acqua aumenta la differenza di temperatura acquea e può ridurre le prestazioni dello scambiatore di calore.condizioni di flusso basso e gravi possono contribuire a un'elevata pressione di condensazione e ad allarmi di protezioneIn modalità di raffreddamento, un flusso insufficiente può aumentare il rischio di acqua eccessivamente bassa e di evaporazione.

Perché una pompa di calore ha bisogno di un flusso minimo di acqua?

Il flusso minimo garantisce che lo scambiatore di calore acqueo possa trasferire continuamente l'energia termica richiesta senza eccessivi cambiamenti di temperatura o condizioni di funzionamento instabili del refrigerante.

Una pompa di circolazione più grande può risolvere i problemi di scarsa portata?

Non necessariamente. La scelta della pompa deve considerare sia il flusso richiesto che la testa del sistema.rumore e pressione differenziale senza correggere il problema di progettazione idraulica sottostante.

Perché il flusso della pompa di calore diminuisce quando le valvole di zona si chiudono?

La chiusura delle valvole a due vie aumenta la resistenza idraulica del sistema di distribuzione e elimina i percorsi di flusso paralleli.

Un interruttore di flusso risolve il flusso d'acqua insufficiente?

No. Un interruttore di flusso è principalmente un dispositivo di protezione. Può fermare la pompa di calore quando la circolazione diventa insufficiente, ma non corregge la causa idraulica del basso flusso.

Quando si deve considerare una valvola di bypass a pressione differenziale?

Può essere utile nei sistemi a flusso variabile con collegamento diretto in cui le valvole terminali possono chiudersi e deve essere mantenuta una circolazione minima attraverso la pompa di calore.La sua impostazione e il flusso di bypass dovrebbero essere progettati piuttosto che selezionati arbitrariamente.

Un sistema a ciclo unico è adatto a più zone di riscaldamento?

Sì, ma il progettista deve assicurarsi che i requisiti minimi di portata e di volume dell'acqua della pompa di calore rimangano soddisfatti quando solo un piccolo numero di zone richiedono riscaldamento o raffreddamento.