Een hydronische warmtepomp met één schakel kan eenvoudig, efficiënt en kosteneffectief zijn, maar alleen als de hydraulische omstandigheden binnen de operationele vereisten van de warmtepomp blijven.

In werkelijke verwarmings- en koelingsprojecten kan een lucht-water warmtepomp worden aangesloten op verschillende soorten eindeenheden, waaronder:

• Vloerverwarming

• Radiatoren

• met een vermogen van niet meer dan 10 kW

• met een diameter van niet meer dan 50 mm

• Andere wateropwarmings- of koelterminals

Deze terminals werken niet altijd gelijktijdig.

Als de thermostaat zijn ingestelde waarden bereikt, kunnen de zone kleppen sluiten. De ventilator spoel controle kleppen kunnen moduleren. Filters kunnen vies worden. De systeemweerstand kan veranderen.

Als gevolg hiervan,de werkelijke waterstroom door de warmtepomp kan sterk verschillen van de ontwerpstroom.

Dit is een van de belangrijkste technische uitdagingen in een direct verbonden of enkellustig warmtepompsysteem.

1Waarom is de waterstroom zo belangrijk voor een warmtepomp?

Elke hydronische warmtepomp is ontworpen en getest onder specifieke bedrijfsomstandigheden.

Deze omvatten gewoonlijk:

• Temperatuur van de buitenlucht

• Invoer van watertemperatuur

• Verlaatwatertemperatuur

• Waterstroom

• Versmeltings- en retourtemperatuurverschil, of ΔT

Onder deze parameters,de waterstroom is bijzonder belangrijk voor de warmtewisselaar aan de waterzijde.

De basisrelatie van warmteoverdracht is:

Q = ṁ × Cp × ΔT

Voor op water gebaseerde HVAC-systemen kan dit worden vereenvoudigd tot:

Q ≈ 1,163 × V × ΔT

Waar:

• Q= warmteoverdracht, kW

• V= waterstroom, m3/h

• ΔT= watertemperatuurverschil, K

Deze vergelijking verklaart waarom waterstroom en ΔT niet onafhankelijk van elkaar kunnen worden beschouwd.

Voor een gegeven warmteoverdrachtsnelheid:

Lagere stroom → hogere ΔT

en

Hoogere stroom → lagere ΔT

2Wat gebeurt er als de waterstroom te laag is?

Stel dat een warmtepomp is ontworpen om te werken bij:

Ontwerpwaterstroom = 4,0 m3/h

Als de werkelijke stroom van het systeem met 20% daalt, wordt de stroom:

3.2 m3/h

Als de warmtepomp nog steeds ongeveer dezelfde hoeveelheid energie probeert over te brengen, moet de waterzijde ΔT toenemen.

Bijvoorbeeld:

Ontwerptoestand

20 kW = 1,163 × 3,44 m3/h × 5 K

Als de doorstroming daalt tot ongeveer 2,75 m3/h terwijl de warmteoverdracht 20 kW blijft:

ΔT ≈ 6,25 K

Het systeem begint zich dus te verplaatsen van zijn oorspronkelijke ontwerp.

Een matige afwijking kan beheersbaar zijn.

Een grote afwijking is misschien niet.

3Een lage waterstroom kan het vermogen van de warmtepomp verminderen.

Onvoldoende waterstroom doet meer dan ΔT verhogen.

Het kan invloed hebben op:

• Vermogen van de warmtewisselaar

• Kondensatiedruk van koelmiddel

• Temperatuur van verdamping van het koelmiddel

• Werkomstandigheden van de compressor

• Het water laat de temperatuur stabiel

• Verwarmings- of koelcapaciteit

• COP/EER

• Ontdooiing

• Betrouwbaarheid van het systeem

De gevolgen zijn verschillend voor de verwarming en koeling.

4. lage stroom tijdens het verwarmen

Tijdens de verwarmingsmodus draagt het koelmiddel warmte over naar het circulerende water via de condensator.

Als de waterstroom te laag wordt, kan het water de warmte van de warmtewisselaar aan de koelmiddelzijde niet snel genoeg verwijderen.

Dit kan ertoe leiden dat de uitgaande watertemperatuur snel stijgt.

Tegelijkertijd kunnen de condensatietemperatuur en -druk van het koelmiddel toenemen.

In ernstige gevallen kan de warmtepomp:

• Hoogdrukbescherming

• Overmatige ontladingstemperatuur

• Onstabiele uitgangswatertemperatuur

• Compressorcyclus

• Verminderde bedrijfsdoeltreffendheid

• Warmtewisselaars

De exacte reactie hangt af van het koelcircuit van de warmtepomp en de besturingslogic.

Verwarmingsmodus Vergemakkelijkt verband

Normale stroom

Verwarmingspomp
↓
Voldoende waterstroom
↓
Stabiele warmteoverdracht
↓
Stabiele condensatiedruk
↓
Normale werking

Onvoldoende stroom

Verwarmingspomp
↓
Verminderde waterstroom
↓
Verminderde warmteafvoer
↓
Hoger waterzijde ΔT
↓
Hoger condensatietemperatuur/druk
↓
Mogelijke bescherming tegen hoge druk

Daarom is het essentieel om de minimale stroom te handhaven.

5Een lage stroom kan nog kritieker zijn tijdens de koeling.

Tijdens de koeloperatie verwijdert de warmtepomp warmte uit het circulerende water.

De warmtewisselaar aan de waterzijde werkt nu als een verdamper.

Als de waterstroom te laag wordt, kan de watertemperatuur in de warmtewisselaar buitensporig dalen.

Dit kan leiden tot:

Lage waterstroom → Lagere verdampingstemperatuur → Vriesrisico

Als de toestand ernstig wordt, kan het water in de plaatwarmtewisselaar bevriezen.

De uitbreiding van het ijs kan de warmtewisselaar mechanisch beschadigen.

Dit is een ernstige fout omdat een beschadigde plaatwarmtewisselaar water in het koelmiddelcircuit kan laten komen.

Daarom moeten bij koelsystemen bijzonder zorgvuldig rekening worden gehouden met:

• Minimale waterstroom

• Bescherming van de stroomschakelaar

• Bescherming tegen watertemperatuur

• Vriesbescherming

• Waterkwaliteit

• Glycolconcentratie indien vereist

• Pompoperatielogica

6. De ontwerpstroom is niet noodzakelijkerwijs de werkelijke operationele stroom

Dit is een van de belangrijkste concepten in het ontwerp van een enkellustsystem.

Tijdens de inbedrijfstelling mogen alle eindcircuits open zijn.

De installateur meet het systeem en alles lijkt normaal.

Bijvoorbeeld:

Ontwerpstroom van de warmtepomp: 4,0 m3/h

Gemeten inbedrijfstellingstroom: 4,1 m3/h

Alles lijkt goed.

Maar wat gebeurt er nadat het gebouw normaal werkt?

Veronderstel dat het systeem zes ventilator spoelen bevat.

Bij volle lading:

FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = adequate totale stroom

Later bereiken vijf kamers hun thermostaats.

Vijf gemotoriseerde kleppen dicht.

Alleen één ventilator spoel blijft actief.

De hydraulische weerstand van het systeem verandert drastisch.

De warmtepomp kan nu veel minder water ontvangen dan de vereiste minimale waterstroom.

Dit betekent:

Een systeem dat tijdens de ingebruikname correct functioneert, functioneert mogelijk niet correct bij gedeeltelijke belasting.

Dit is vooral belangrijk voor omvormerwarmtepompen, omdat gebouwen een aanzienlijk percentage van het verwarmingsseizoen met gedeeltelijke belasting doorbrengen.

7. Terminal eenheden creëren variabele hydraulische weerstand

Verschillende terminals hebben verschillende hydraulische kenmerken.

Bijvoorbeeld:

Vloerverwarming

De stroom wordt beïnvloed door:

• Aantal actieve lussen

• Verscheidene balansering

• De lengte van de buis

• De diameter van de buis

• Positie van de actuator

• met een breedte van niet meer dan 15 mm

• thermostatische bediening

Eenheden met ventilator spoel

De stroom kan veranderen wanneer:

• Tweewegkleppen sluiten

• Regelkleppen moduleren

• Ventilator spoel takken zijn geïsoleerd

• Filters worden vies.

Radiatoren

De stroom kan variëren naargelang:

• van de soort gebruikt voor de vervaardiging van motorvoertuigen

• van de soort gebruikt voor de vervaardiging van motorvoertuigen

• Zonenkleppen

• Differentiële druk

Daarom moet de ontwerper niet alleen deontwerptoestand bij volle lading.

Het hydraulische systeem moet eveneens worden beoordeeld op basis van:minimumbelastingcondities.

8. Waarom de selectie van de bloedsomlooppomp moeilijk wordt

In een rechtstreeks aangesloten systeem kan het nodig zijn dat één circulatiepomp de drukweerstand van:

Warmtepomp + leidingen + kleppen + filters + verzamelaar + terminal eenheden

Het vereiste werkpunt van de pomp is derhalve:

Ontwerpstroom + totale dynamische kop

De terminale weerstand is echter niet noodzakelijkerwijs constant.

Wanneer de kleppen sluiten, verandert de systeemweerstandscurve.

Daarom is het niet altijd een goede oplossing om alleen maar een “grotere pomp” te kiezen.

Een overgrote circulatiepomp kan:

• Overmatige stroom

• Overmatige differentialdruk

• Stroomgeluid

• Problemen met de ventielautoriteit

• Verhoogd elektriciteitsverbruik bij pompen

• Verminderd systeem ΔT

• Slechte controle stabiliteit

Het doel is niet om de grootste pomp te kiezen.

Het doel is om een pomp te kiezen die correct kan werken in het verwachte hydraulische bereik.

9. Waarom de minimale warmtepompstroom altijd moet worden beschermd

De meeste lucht-waterwarmtepompen geven een minimaal toelaatbare waterstroom aan.

Bijvoorbeeld:

Ontwerpstroom: 4,0 m3/h

Minimale toelaatbare doorstroming: 2,5 m3/h

De ontwerper van het systeem moet ervoor zorgen dat de werkelijke stroom van de warmtepomp niet lager ligt dan 2,5 m3/h, zelfs wanneer meerdere terminale zones gesloten zijn.

Dit is fundamenteel anders dan eenvoudig bevestigen dat de ontwerpstroom beschikbaar is bij volle belasting.

Een goed hydraulisch ontwerp moet dus twee vragen beantwoorden:

Vraag nr. 1

Kan het systeem bij maximale belasting de vereiste ontwerpstroom leveren?

Vraag nr. 2

Kan het systeem nog steeds de minimale vereiste stroom van de warmtepomp bij minimale belasting handhaven?

Beide voorwaarden zijn belangrijk.

10Waarom een stroomschakelaar nodig is maar niet voldoende

Om de warmtepomp te beschermen wordt gewoonlijk een stroomschakelaar geïnstalleerd.

Het doel is eenvoudig:

Voldoende stroom → Warmtepomp mag werken

Onvoldoende stroom → Warmtepomp stilgelegd/beschermd

Dit is een belangrijke veiligheidsinrichting.

Maar:

Een stroomschakelaar beschermt de warmtepomp tegen een slechte hydraulische toestand; het corrigeert de hydraulische toestand niet.

Dit onderscheid is cruciaal.

Als de eindkleppen de waterstroom voortdurend onder de minimumvereiste beperken, kan de stroomschakelaar de warmtepomp herhaaldelijk stoppen.

De apparatuur wordt beschermd, maar het verwarmingssysteem werkt nog steeds niet goed.

Daarom moeten stroombescherming en hydraulisch ontwerp nooit worden verward.

11Tweewegkleppen en het probleem van de gedeeltelijke belasting

Tweerichtingskleppen worden veel gebruikt in moderne HVAC-systemen.

Wanneer een kamer verwarming nodig heeft:

Thermostaat ingeschakeld → Klep geopend → Waterstroom

Als de ruimte het gestelde punt bereikt:

Thermostaat uit → klep sluit → waterstroom stopt

Dit zorgt voor een uitstekende controle op kamerniveau.

In een enkelloopsysteem vermindert het sluiten van meerdere tweerichtingskleppen echter de totale stroom van het systeem.

Bijvoorbeeld:

Volledige lading

6 zones open
→ 100% ontwerpstroom
→ De warmtepomp werkt normaal

Deelbelasting

3 zones open
→ Verminderde doorstroming
→ De warmtepomp kan nog steeds normaal werken

Minimumbelasting

1 zone open
→ Zeer lage stroom
→ Het minimumstroom van de warmtepomp kan niet worden voldaan

Dit is een van de meest voorkomende hydraulische problemen in direct verbonden systemen met meerdere zones.

12Differentiële druk bypass klep.

Een mogelijke oplossing isdoorlaatklep voor differentialdruk.

De omleiding is geïnstalleerd tussen de toevoer- en terugvoerbuizen.

Wanneer de eindkleppen open zijn:

Differentiële druk laag → Bypass gesloten

Water stroomt door de terminals.

Bij sluiting van de afsluitventielen:

Systeemweerstand ↑

Verschildruk ↑

De bypass klep gaat geleidelijk open.

Een deel van het toevoerwater loopt dan langs het terminale systeem en keert rechtstreeks terug naar de warmtepomp.

Dit helpt de bloedsomloop minimaal te houden.

Vergemakkelijkte logica

Warmtepompvoorziening

↓

Terminalcircuit

↓

Terugkeer

Maar als de terminale stroom afneemt:

Voeding → Differentiële druk bypass → Terugkeer

Dit kan helpen de minimale warmtepompstroom te beschermen.

De bypassstroom moet echter goed zijn ontworpen, omdat overmatig omzeilen de temperatuur van het terugkeerwater tijdens het verwarmen kan verhogen en de nuttige warmteafgifte naar het gebouw kan verminderen.

13Drie-weg kleppen kunnen een meer constante stroom behouden.

Een andere aanpak is het gebruik van drierichtingscontroleventielen.

In tegenstelling tot een tweerichtingsklep die de waterstroom simpelweg stopt, kan een drierichtingsklep de stroom door een omleidingspad leiden.

Conceptueel:

Een kamer heeft verwarming nodig

Aanbod → Terminal → Terugkeer

Een kamer heeft geen verwarming nodig

Verschaffing → Bypass → Terugkeer

Dit kan een stabielere primaire bloedsomloop handhaven.

Echter, driewegkleppen creëren ook een continue bypassstroom en kunnen de pompenergie verhogen.

Daarom moet de keuze tussen twee- en driewegkleppen worden gebaseerd op het volledige hydraulische ontwerp en niet op de voorkeur van de onderdelen.

14Variabele snelheidspompen hebben een goede controle nodig.

Circulatiepompen met variabele snelheid kunnen de efficiëntie van het hydronische systeem aanzienlijk verbeteren.

Tot de gemeenschappelijke besturingswijzen behoren:

• Constante snelheid

• Constante differentialdruk

• Proportionele differentialdruk

• Externe 0 ̊10 V-besturing

• PWM-besturing

• In een warmtepomp geïntegreerde wisselkoersregeling

Wanneer de afsluitventielen dichtgaan, kan een pomp met variabele snelheid zijn snelheid verlagen.

Dit kan leiden tot een vermindering van:

• Pompenergie

• Differentiële druk

• Stroomgeluid

• Spanning van de klep

De pomp mag evenwel niet zo veel van de snelheid afnemen dat de warmtepompstroom onder het vereiste minimum valt.

Daarom:

Variabele pompregeling ≠ onbeperkte stroomreductie

De minimumstroombehoefte van de warmtepomp blijft de regelgevende beperking.

15Filters en strainers beïnvloeden ook de warmtepompstroom.

Stroomproblemen worden niet altijd veroorzaakt door regelkleppen.

Een vuile Y-strainer of een magnetische vuilnisseparator kan geleidelijk de systeemdrukdaling verhogen.

De progressie kan er als volgt uitzien:

Schoon filter

↓

Normale drukdaling

↓

Normale stroom

En dan:

Verzameling van vuil

↓

Een hogere drukdaling

↓

Lagere waterstroom

↓

Hoger ΔT

↓

Problemen met de prestaties van warmtepomp

Daarom moeten de inbedrijfstelling en het onderhoud:

• Stroommeting

• Meting van de toevoer/terugvoerdruk

• Filterinspectie

• Reiniging van de zeefmachine

• Luchtverwijdering

• Controles van de waterkwaliteit

Een systeem dat correct werkte toen het nieuw was, kan later hydraulische problemen ontwikkelen als gevolg van verontreiniging of opgesloten lucht.

16Lucht in het hydronische circuit kan ook de stroom verminderen.

Aanhouding in de lucht kan leiden tot:

• Verminderde effectieve doorstroming

• Pompcavitatie

• Geluid

• Ongelijke verwarming

• Lokale circulatieproblemen

• Alarmen voor stroomschakelaars

Automatische luchtventilatoren, luchtseparatoren, correcte systeemdruk en juiste ingebruiknameprocedures zijn daarom belangrijke onderdelen van het hydraulisch ontwerp van warmtepomp.

17Verwarming en koeling moeten apart worden beoordeeld

Een omkeerbare lucht-water warmtepomp mag niet alleen in de verwarmingsmodus hydraulisch worden geëvalueerd.

Verwarming en koeling creëren verschillende risico's.

Verwarmingsstand

Primaire zorg bij onvoldoende doorstroming:

Slechte warmteafstoting → Hoge condensatietemperatuur/druk

Koelstand

Primaire zorg bij onvoldoende doorstroming:

Overmatige waterkoeling → lage verdampingstemperatuur → risico op bevriezing

Daarom is een systeem dat aanvaardbaar is voor verwarming niet automatisch veilig voor koeling.

Dit is met name belangrijk voor systemen die gebruikmaken van:

• met een breedte van niet meer dan 15 mm

• AHU's voor gekoeld water

• Stralingskoeling

• laagtemperatuurproceskoeling

18. Praktische technische controlelijst

Voordat een warmtepomp met één schakel in gebruik wordt genomen, wordt het volgende gecontroleerd:

Verwarmingspomp

✓ Ontwerp van de waterstroom
✓ Minimale toegestane doorstroming
✓ Maximaal toegestane doorstroming
✓ Minimaal watervolume van het systeem
✓ Verwarming-uitlaatwatertemperatuur
✓ Koeling - temperatuur van het water

Circulatiepomp

✓ Ontwerpstroom
✓ Beschikbaar hoofd
✓ Controlemodus
✓ Minimum snelheid
✓ Pompcurve

Hydraulisch netwerk

✓ De diameter van de buis
✓ Totale drukdaling
✓ Valveweerstand
✓ Filterweerstand
✓ Drukverlies
✓ Hydraulische balancering

Terminalcontrole

✓ Aantal zones
✓ Twee- of drierichtingskleppen
✓ Minimaal aantal open schakelingen
✓ Deelladingstroom
✓ Bypassvereiste

Bescherming

✓ Stroomschakelaar
✓ Vriesbescherming
✓ Hoogdrukbescherming
✓ Automatische ventilatie
✓ Uitbreidingsvat
✓ Veiligheidsventiel

Het belangrijkste:

Het hydraulische systeem wordt gecontroleerd bij maximale en minimale belasting.

19Het belangrijkste ontwerpbeginsel

Bij een warmtepompensysteem met één schakel zijn de warmtepomp en het distributienetwerk van het gebouw hydraulisch verbonden.

Dat betekent dat elke verandering aan de kant van de terminal de warmtepomp kan beïnvloeden.

Een thermostaat sluit een klep.

↓

Verandering van de systeemweerstand.

↓

De waterstroom verandert.

↓

Veranderingen in de warmtepomp ΔT.

↓

Verandering van de koelingsomstandigheden.

↓

Capaciteit, efficiëntie en betrouwbaarheid kunnen veranderen.

Dit is de reden waarom het hydronische ontwerp niet los kan worden gezet van de selectie van de warmtepomp.

Conclusies

Een hydronisch warmtepompensysteem met een enkele schakel kan een eenvoudige en zeer efficiënte oplossing bieden voor verwarming en koeling in woningen en lichte bedrijven.

Maar een succesvolle operatie hangt sterk af vanwaterstroomstabiliteit.

De ontwerper moet niet alleen rekening houden met de nominale capaciteit van de warmtepomp, maar ook met:

Ontwerpstroom → Minimumstroom → ΔT → Drukdaling → Selectie van de pomp → Terminalweerstand → Zonebeheersing → Bypassstrategie → Systeembescherming

Een warmtepomp kan volmaakt werken wanneer alle terminals tijdens de ingebruikname open zijn, maar onstabiel worden wanneer het gebouw met gedeeltelijke belasting in gebruik wordt genomen.

Daarom is een van de belangrijkste principes bij het ontwerp van warmtepompsystemen:

Ontwerp het hydraulische systeem niet alleen voor volle belasting, maar voor het gehele werkbereik.

Het behoud van een adequate waterstroom door de warmtepomp onder alle verwachte bedrijfsomstandigheden is essentieel voorefficiëntie, comfort, betrouwbaarheid van de compressor, bevriezing en prestaties van het systeem op lange termijn.

Vragen: Ontwerp van een warmtepomp met één lus

Wat gebeurt er als de waterstroom van de warmtepomp te laag is?

Een lage waterstroom verhoogt het temperatuurverschil aan de waterzijde en kan de warmtewisselaar verminderen.ernstige lage stroomomstandigheden kunnen bijdragen aan hoge condensatiedruk en beschermingsalarmenIn de koelstand kan een onvoldoende stroom het risico op te lage water- en verdampingstemperaturen vergroten.

Waarom heeft een warmtepomp een minimale waterstroom nodig?

De minimale stroom zorgt ervoor dat de warmtewisselaar aan de waterzijde de benodigde warmte-energie continu kan overbrengen zonder overmatige temperatuursveranderingen of instabiele koelmiddelen.

Kan een grotere circulatiepomp de problemen van lage stroom oplossen?

Een overgrote pomp kan het energieverbruik verhogen.geluid en drukverschil zonder het onderliggende hydraulische ontwerpprobleem te corrigeren.

Waarom neemt de warmtepomp de stroom af wanneer de zonekleppen sluiten?

Het sluiten van de twee-richtingszone-kleppen verhoogt de hydraulische weerstand van het distributiesysteem en verwijdert parallelle stroompaden.

Kan een stroomschakelaar een onvoldoende waterstroom oplossen?

Nee, een stroomschakelaar is in de eerste plaats een beschermingsapparaat, het kan de warmtepomp stoppen wanneer de bloedsomloop onvoldoende wordt, maar het kan de hydraulische oorzaak van een lage stroom niet corrigeren.

Wanneer moet een drukdifferentiële bypassklep in overweging worden genomen?

Het kan nuttig zijn in systemen met een directe aansluiting met variabele stroom waarbij de eindkleppen kunnen worden gesloten en een minimale circulatie door de warmtepomp moet worden gehandhaafd.Het instellen en omzeilen van de stroom moet worden ontworpen in plaats van willekeurig gekozen.

Is een systeem met één lus geschikt voor meerdere verwarmingszones?

Ja, maar de ontwerper moet ervoor zorgen dat aan de minimale stroom- en watervolumebehoeften van de warmtepomp wordt voldaan wanneer slechts een klein aantal zones verwarming of koeling vereisen.