Seleccionar correctamente eltanques tampón y bombas de circulaciónEs una de las partes más importantes del diseño de un sistema hidrónico secundario para una bomba de calor aire-agua.
Una bomba de calor puede tener un excelente COP, un compresor inversor de alta eficiencia,y controles avanzados, pero si el tanque de amortiguación tiene un tamaño incorrecto o si las bombas de circulación funcionan lejos de sus puntos de diseño, el sistema completo puede seguir sufriendo:
Ciclos frecuentes del compresor
Consumo excesivo de electricidad de la bomba
Flujo de agua insuficiente
Gran fluctuación de la temperatura del agua
Mezcla hidráulica innecesaria
Eficiencia reducida de la bomba de calor
Performance de calefacción o refrigeración deficiente
Alarmas de caudal y funcionamiento inestable
Por lo tanto, el objetivo no es simplemente instalar un tanque "lo suficientemente grande" y una bomba "lo suficientemente potente".
Una buena ingeniería hidráulica significa seleccionar cada componente de acuerdo con lacarga térmica real, caudal de agua, caída de presión, potencia mínima de la bomba de calor y características de funcionamiento del edificio.
Veamos los principios de ingeniería detrás del tamaño del tanque tampón y la selección de la bomba de circulación.
Antes de seleccionar los componentes, necesitamos entender qué hacen.
Un sistema típico de bomba de calor secundaria contiene dos circuitos de agua.
Bomba de calor → Bomba de circulación primaria → Tanque tampón → Bomba de calor
El circuito primario sirve principalmente a la bomba de calor.
Tanque de amortiguación → Bomba de circulación secundaria → Terminals de edificios → Tanque de amortiguación
El circuito secundario sirve al edificio.
Estas terminales pueden incluir:
Calentamiento por suelo
Radiadores
Unidades de ventilador
Unidades de manipulación de aire
Zonas de calefacción múltiples
Esta separación es importante porque la bomba de calor y el edificio no necesariamente requieren el mismo flujo al mismo tiempo.
Por lo tanto, la bomba primaria se puede seleccionar en torno a larequisitos hidráulicos de la bomba de calor, mientras que la bomba secundaria se selecciona alrededor de larequisitos del sistema de distribución.
Un tanque tampón no es simplemente un gran contenedor de agua.
Una de sus funciones principales es proporcionar suficientesmasa térmica.
Un volumen de agua del sistema demasiado pequeño puede causar que la temperatura del agua cambie rápidamente.
Esto aumenta el riesgo de:
Bomba de calor encendida → Temperatura objetivo alcanzada → apagada → Temperatura baja → encendida de nuevo
En otras palabras:
Ciclismo corto
Pero hacer que el tanque sea demasiado grande tampoco es necesariamente mejor.
Un tanque de gran tamaño puede aumentar:
Costo de los equipos
Espacio de instalación
Pérdida de calor en posición de pie
Tiempo de calentamiento del sistema
Volumen total de agua
Por lo tanto, el objetivo es:
Proporcionar una masa térmica suficiente para lograr un funcionamiento estable de la bomba de calor sin aumentar innecesariamente el volumen del sistema.
Un atajo común de la industria es:
¢X litros de depósito tampón por kW de capacidad de la bomba de calor.
Esto puede ser útil para la estimación preliminar, pero no debe tratarse como una regla de diseño universal.
- ¿Por qué no?
Porque los ciclos cortos no se determinan solo por la capacidad nominal.
Considere dos bombas de calor de 15 kW.
La bomba de calor A puede modularse hasta 3 kW.
La bomba de calor B sólo podrá modular hasta 6 kW.
Si la demanda mínima de calefacción activa del edificio es de 2 kW, los dos sistemas se comportan de manera muy diferente.
Para la bomba de calor A:
3 − 2 = 1 kW de exceso de potencia
Para la bomba de calor B:
6 − 2 = 4 kW de exceso de potencia
Por lo tanto, la bomba de calor B requiere un amortiguamiento térmico considerablemente mayor para lograr el mismo tiempo mínimo de funcionamiento del compresor.
Es por eso quecapacidad mínima de la bomba de calores a menudo más importante que la capacidad nominal al evaluar el riesgo de ciclo corto.
Un cálculo simplificado útil se basa en la energía térmica que debe absorberse durante el tiempo mínimo de funcionamiento del compresor deseado.
El volumen efectivo de agua requerido se puede estimar a partir de:
V = Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
Para el agua, esto puede simplificarse para los cálculos prácticos de HVAC a:
V ≈ 14,3 × P × t / ΔT
donde:
V.= volumen efectivo de agua requerido en litros
P= producción de calor excesiva en kW
t= tiempo mínimo de ejecución deseado en minutos
DT= variación admisible de la temperatura del agua en °C
El término clave esproducción de calor excesiva:
P = Producción mínima de la bomba de calor − Carga activa mínima del edificio
Esto da una estimación más realista que simplemente multiplicando la capacidad nominal de la bomba de calor por un valor arbitrario de litros por kW.
Supongamos que una bomba de calor de inversor tiene:
Potencia térmica mínima = 6 kW
Durante el clima templado, la carga activa mínima del edificio es:
2 kW
Por lo tanto:
El exceso de potencia = 6 − 2 = 4 kW
Supongamos que queremos al menos:
Tiempo mínimo de funcionamiento del compresor de 15 minutos
y permitir que la temperatura del agua del sistema aumente en:
5°C
Entonces:
V ≈ 14,3 × 4 × 15 / 5
V ≈ 172 litros
Este es el valor aproximadovolumen efectivo de agua necesario para absorber el desajuste temporal de salida.
Pero esto no significa automáticamente que necesitemos un tanque tampón de 172 litros.
- ¿Por qué no?
Porque el sistema hidrónico existente ya contiene agua.
Supongamos que nuestro volumen de agua efectivo mínimo calculado es:
172 litros
Pero el sistema ya contiene:
Tubo de calefacción por suelo: 70 L
Tubo principal: 20 litros
Intercambiador de calor de la bomba de calor y tubería interna: 10 L
Volumen total existente:
100 litros
Por lo tanto, el volumen adicional requerido sería aproximadamente:
172 − 100 = 72 litros
Se puede considerar entonces un depósito tampón disponible en el mercado de aproximadamente el siguiente tamaño adecuado, sujeto a los requisitos del fabricante de la bomba de calor y a la configuración hidráulica real.
Este es un enfoque mucho más racional que instalar automáticamente un tanque de 200 o 300 litros.
Un período mínimo de funcionamiento, como 10-15 minutos, se utiliza a menudo como comprobación de ingeniería al evaluar la masa térmica y el ciclo.
El propósito es simple.
Queremos evitar:
En → OFF → En → OFF
cada pocos minutos.
Los ciclos de funcionamiento más largos generalmente proporcionan temperaturas de sistema más estables y permiten que las bombas de calor de inversor se modulen de manera más efectiva.
Sin embargo, no existe una regla universal que diga que cada bomba de calor debe funcionar durante exactamente 15 minutos.
Compruebe siempre:
Volumen mínimo de agua del fabricante
Estrategia de control del compresor
Requisitos mínimos de tiempo de ejecución
Requisitos de descongelación
Rango de modulación del inversor
Los datos del fabricante deben tener prioridad sobre las normas genéricas de dimensionamiento.
El volumen del tanque por sí solo no determina si el sistema es eficiente.
La conexión hidráulica es igualmente importante.
Una disposición tradicional de amortiguador de cuatro tubos puede proporcionar una fuerte separación hidráulica entre los circuitos primario y secundario.
Sin embargo, también puede crearmezclado dentro del tanque.
Por ejemplo, supongamos que el agua de retorno de un sistema de calefacción por suelo es:
35°C
Si la mezcla hidráulica hace que el agua que entra en la bomba de calor aumente a:
36°C
la bomba de calor debe funcionar con una temperatura de retorno ligeramente superior.
Esto puede aumentar la temperatura de condensación y reducir la eficiencia de calefacción.
La penalización exacta de la COP no puede ser representada por un porcentaje universal porque depende de:
Agentes de refrigeración
Compresor
Temperatura exterior
Temperatura del agua
Frecuencia del compresor
Diseño del intercambiador de calor
Pero el principio de ingeniería es claro:
Para una bomba de calor, los aumentos innecesarios de la temperatura del agua generalmente reducen la eficiencia.
Las bombas de calor son particularmente sensibles a la temperatura del agua.
Cuanto más baja sea la temperatura requerida del agua de calefacción, más fácil es generalmente para el ciclo de refrigeración transferir calor.
Esta es una de las razones por las que las bombas de calor funcionan particularmente bien con:
Calentamiento por suelo
El sistema de calefacción por suelo suele funcionar a temperaturas relativamente bajas.
Si la mezcla hidráulica innecesaria obliga a la bomba de calor a funcionar a una temperatura de salida de agua más alta de la que el edificio realmente necesita, el COP puede caer.
Por lo tanto, el depósito tampón no sólo debe proporcionar masa térmica.
La disposición de las tuberías también debe diseñarse para reducir al mínimo la mezcla innecesaria.
Esta es una distinción importante.
La bomba de calor y los circuitos del edificio se conectan por separado al tanque.
Arreglo típico:
Bomba de calor → Tanque → Bomba de calor
y
Tanque → Edificio → Tanque
Las ventajas incluyen:
Fuerte separación hidráulica
Flujo primario y secundario independientes
Una mayor facilidad para la integración de varias zonas
Posibilidad de desventaja:
Más mezcla hidráulica si los flujos primarios y secundarios son significativamente diferentes
El depósito podrá instalarse en serie o como parte de un acuerdo común de devolución.
Su finalidad principal puede ser:
Aumentar el volumen de agua del sistema
Proporcionar masa térmica
Reducir el uso de la bicicleta
al tiempo que se minimiza parte de la mezcla asociada con la separación hidráulica completa.
¿Qué configuración es mejor?
Depende de si el proyecto necesita principalmente:
Volumen térmico
o bien:
Separación hidráulica + volumen térmico
Esto debe decidirse durante el diseño del sistema.
Una vez que el arreglo de amortiguador está establecido, podemos seleccionar las bombas.
La bomba primaria sirve al circuito de la bomba de calor.
Dos parámetros son esenciales:
y
Empecemos con el flujo.
Para los sistemas de agua, la potencia térmica es aproximadamente:
Q = 1,163 × Flujo × ΔT
donde:
- ¿ Qué?= capacidad térmica en kW
Flujo= caudal de agua en m3/h
DT= diferencia de temperatura del agua en °C
Por lo tanto:
Flujo = Q / (1,163 × ΔT)
Por ejemplo, supongamos que una bomba de calor produce:
12 kW
y está diseñado para:
ΔT = 5°C
Entonces:
Flujo = 12 / (1,163 × 5)
≈ 2,06 m3/h
Por lo tanto, la bomba debe ser capaz de proporcionar aproximadamente:
2.1 m3/h
en la cabeza de presión del sistema requerida.
Pero el flujo solo no es suficiente.
Una bomba de circulación debe superar la resistencia hidráulica del circuito.
El circuito primario puede incluir:
Intercambiador de calor con bomba de calor
Telas y tubos
Los codos
Las teas
Las válvulas
Las válvulas de retención
Las demás máquinas
Medidores de caudal
Conexiones del tanque tampón
Cada componente crea una caída de presión.
La cabeza de la bomba total requerida es aproximadamente:
Caída de presión total = pérdida de tubería + pérdida de ajuste + pérdida de equipo
La bomba de circulación seleccionada debe proporcionar el flujo de diseño requeridoa esta caída de presión.
Esto significa que la selección de la bomba siempre debe utilizar lasCurva de rendimiento de la bomba.
No seleccione una bomba sólo a partir de su caudal máximo.
Y no lo seleccione sólo de su cabeza máxima.
El parámetro importante es el actual:
Punto de operación = Flujo requerido + Cabeza requerida
Una ventaja de la separación hidráulica es que el circuito primario suele ser relativamente simple.
Por ejemplo:
Bomba de calor → Bomba → Tanque tampón → Bomba de calor
Se conocen la longitud de la tubería y sus componentes.
Esto hace que el cálculo de la caída de presión sea relativamente sencillo.
Por lo tanto, la bomba primaria puede seleccionarse con precisión para la bomba de calor.
Esto es mucho más fácil que pedirle a una bomba que sirva:
Bomba de calor + tres pisos + radiadores + calefacción por suelo + bobinas del ventilador + válvulas de zona
donde la resistencia del sistema puede cambiar continuamente.
La bomba secundaria tiene un trabajo diferente.
Suministra el sistema de distribución del edificio.
Por lo tanto, su diseño debe tener en cuenta:
Requisitos de flujo terminal
Longitudes de las tuberías
Diámetros de las tuberías
Número de accesorios
Válvulas de control
Valvas de mezcla
Las demás
Radiadores
Las bobinas de ventilador
Circuitos de calefacción por suelo
Operación simultánea de la zona
El caudal secundario total se basa en la carga terminal activa.
Pero la cabeza de la bomba requerida se determina normalmente por elcircuito más exigente hidráulico, no simplemente sumando la caída de presión de cada rama paralela.
Esta distinción es sumamente importante.
Supongamos que un sistema de calefacción por suelo requiere:
Flujo total = 1,8 m3/h
El circuito más exigente más las tuberías de distribución producen una caída de presión calculada equivalente a:
4.0 m de cabecera de agua
Por consiguiente, la bomba debe seleccionarse para funcionar de manera eficiente alrededor de:
1.8 m3/h @ 4,0 m de cabeza
No sólo porque su placa de identificación diga:
Flujo máximo = 4 m3/h
o bien:
Cabeza máxima = 7 m
La curva de la bomba debe comprobarse.
El sobredimensionamiento de las bombas de circulación es un error común.
Una bomba demasiado grande puede causar:
Velocidad excesiva del agua
Consumo de electricidad más elevado
Ruido de las válvulas
Ruido del caudal
Presión diferencial excesiva
Aceleración innecesaria
Control de las zonas deficiente
También puede empujar el sistema lejos de su punto de diseño hidráulico previsto.
Una bomba de bajo tamaño crea diferentes problemas:
Flujo de agua insuficiente
DT excesivo
Salida terminal deficiente
Alarmas de caudal
Funcionamiento inestable de la bomba de calor
Por lo tanto, el tamaño correcto es fundamental.
Los sistemas de calefacción y refrigeración residencial rara vez funcionan con un flujo constante.
Imagina una villa con diez zonas de calefacción.
En condiciones de diseño:
10 Zonas abiertas
Durante el funcionamiento normal en invierno:
6 Zonas abiertas
Durante el tiempo templado:
2 Zonas abiertas
El flujo secundario requerido cambia significativamente.
El funcionamiento continuo de una bomba de velocidad fija a plena potencia desperdicia energía y puede crear una presión diferencial excesiva cuando las zonas se cierran.
Una circuladora ECM moderna de velocidad variable puede ajustar su velocidad de acuerdo con la demanda real.
Esto es particularmente útil con:
Dispositivos de calefacción por suelo
Valvas de radiadores termostáticos
Las válvulas de zona
Valvas de control de las bobinas del ventilador
La energía de la bomba tiene una relación muy importante con la velocidad.
Según las leyes de afinidad de la bomba:
Flujo Velocidad
Cabeza Velocidad2
Potencia Velocidad3
Esto significa que reducir la velocidad de la bomba puede reducir drásticamente el consumo eléctrico.
Como ejemplo teórico simplificado:
Si la velocidad de la bomba se reduce al 80%:
La potencia ≈ 0.83 = 0.512
o aproximadamente:
51% de la potencia teórica original
Los sistemas reales serán diferentes debido a la eficiencia de la bomba y las características del sistema, pero el principio es extremadamente importante:
No muevas más agua de la que el edificio realmente necesita.
Para los sistemas de bombas de calor residenciales y comerciales ligeros modernos, generalmente se prefieren los circulantes controlados electrónicamente de alta eficiencia.
Las ventajas comunes incluyen:
Funcionamiento a velocidad variable
Tecnología de los motores de imán permanente
Mejor eficiencia de carga parcial
Control de la presión diferencial
Menor consumo de electricidad
Bajo ruido
Mejor compatibilidad con la zonificación
Dependiendo del fabricante, los modos de control pueden incluir:
Presión constante
Útil para sistemas donde las válvulas de zona se abren y cierran con frecuencia.
Presión proporcional
A menudo útil para sistemas de radiadores con válvulas termostáticas.
Velocidad constante
Puede seguir siendo apropiado para circuitos primarios de flujo fijo específicos.
El modo correcto depende del diseño hidráulico.
Las bombas centrífugas más grandes siguen siendo adecuadas para muchos sistemas de HVAC comerciales e industriales.
La cuestión no es si una bomba es centrífuga o no centrífuga. Muchos circulantes hidrónicos usan fundamentalmente principios hidráulicos centrífugos.
Las preguntas importantes son:
¿Es la bomba adecuada para el punto de trabajo requerido?
¿Puede modularse eficientemente?
¿Cuál es su eficiencia motora?
¿Cuál es su rendimiento a carga parcial?
¿Es adecuado para la estrategia de control del sistema?
¿Es adecuado el rendimiento acústico?
Para las instalaciones residenciales, el ruido y la eficiencia de carga parcial son particularmente importantes.
Para grandes proyectos comerciales, pueden ser más apropiadas bombas de frecuencia variable adecuadamente seleccionadas.
Esto merece una atención especial.
En unasistema hidrónico cerrado, un edificio de tres pisos no significa que la bomba de circulación debe "levantar" continuamente el agua a través de toda la altura del edificio.
Una vez que el sistema está lleno y presurizado, las cabezas estáticas hacia arriba y hacia abajo están en gran parte equilibradas.
La bomba de circulación tiene que superar principalmente:
Pérdida de presión por fricción
de las siguientes:
Telas y tubos
Los demás
Las válvulas
Exchanger de calor
Las demás
Las terminales
La altura del edificio sigue siendo importante parapresión de llenado estática, diseño del recipiente de expansión y presión mínima del sistema, pero no debe simplemente añadirse directamente a la cabeza de la bomba de circulación.
Este es uno de los malentendidos más comunes sobre el tamaño de la bomba en el diseño de HVAC hidráulico.
En un sistema secundario adecuadamente diseñado:
El objetivo es:
Mantenga el flujo requerido a través de la bomba de calor.
Su funcionamiento debe seguir normalmente los requisitos de la bomba de calor y la lógica de control del fabricante.
El objetivo es:
Proporcionar el flujo realmente requerido por las terminales del edificio.
Su funcionamiento puede responder a:
Los termostatos para habitaciones
Las válvulas de zona
Presión diferencial
Sistema de gestión de edificios
Demandas de calefacción y refrigeración
Esta separación permite que cada bomba funcione de acuerdo con su función real.
El depósito de amortiguador y las bombas nunca deben diseñarse de forma independiente.
La relación de diseño completa es:
Capacidad de la bomba de calor
↓
Flujo primario requerido
↓
Bomba primaria
↓
En el caso de los vehículos de la categoría M2 y M3, el valor de los valores de referencia será igual o superior al valor de referencia.
↓
Carga de construcción
↓
Flujo secundario
↓
Bomba secundaria
↓
Unidades terminales
Cada componente afecta a los demás.
Por ejemplo, cambiar el terminal ΔT cambia el flujo requerido.
Cambiar los cambios de flujo requeridos:
Velocidad del tubo
Caída de la presión del tubo
Punto de funcionamiento de la bomba
Consumo de electricidad de la bomba
Condiciones de mezcla hidráulica
Por esta razón, el diseño de sistemas hidrónicos siempre debe tratarse como un problema de ingeniería completo.
Antes de seleccionar el tanque amortiguador y las bombas de circulación para un sistema de bomba de calor aire-agua, el ingeniero debe determinar:
Bomba de calor
Capacidad nominal de calefacción y refrigeración
Capacidad mínima de modulación
Flujo mínimo del fabricante
Flujo de diseño recomendado
Volumen mínimo de agua del sistema
ΔT requerido
Requisitos de descongelación
Tanque de amortiguación
Volumen de agua del sistema existente
Carga activa mínima del edificio
Tiempo mínimo de ejecución deseado
Oscilación de temperatura permitida
Separación hidráulica requerida
Configuración de dos o cuatro tubos
Nivel de aislamiento
Bomba primaria
Flujo requerido de la bomba de calor
Caída de presión del intercambiador de calor
Resistencia primaria del tubo
Resistencia de las válvulas y de las instalaciones
Punto de funcionamiento de la bomba
Bomba secundaria
Carga de diseño de edificios
Flujo terminal
El circuito hidráulico más exigente
Estrategia de control de zonas
Operación con carga parcial
Requisitos de velocidad variable
Si se conocen estos parámetros, la selección de componentes se vuelve mucho más confiable.
Cuando se selecciona un tanque amortiguador y bombas, un tanque más grande no significa automáticamente más seguro.
Tanque de gran tamaño → Más costo + más pérdida de calor + respuesta más lenta
Bomba de gran tamaño → Más electricidad + más ruido + presión diferencial excesiva
Tanque de bajo tamaño → Aumento del riesgo de ciclos cortos
Bomba de bajo tamaño → Flujo insuficiente + Transferencia de calor deficiente
El objetivo es encontrar el equilibrio operativo correcto.
Para un sistema hidrónico secundario bien diseñado:
La bomba de calor debe recibir el flujo que necesita, el edificio debe recibir el flujo que necesita, y ninguna de las bombas debe mover más agua de la necesaria.
Esa es la base de un diseño hidrónico eficiente.
La elección de una bomba de calor de aire eficiente es sólo el comienzo.
El rendimiento de la instalación en el mundo real depende de cómo todo el sistema hidráulico funciona juntos:
Bomba de calor + tanque amortiguador + bomba primaria + bomba secundaria + tubería + controles + terminales + carga del edificio
Un tanque tampón de tamaño correcto puede proporcionar suficiente masa térmica, reducir los ciclos cortos y proporcionar separación hidráulica cuando sea necesario.
Una bomba primaria correctamente seleccionada puede mantener un flujo estable a través de la bomba de calor.
Una bomba secundaria adecuadamente controlada puede responder de manera eficiente a la demanda real del edificio.
Cuando estos componentes se diseñan como un solo sistema, el resultado puede ser:
Un funcionamiento más estable. Un menor consumo de energía auxiliar. Una mayor comodidad. Un control más fácil. Una mayor fiabilidad a largo plazo.
El objetivo no es utilizar el depósito tampón más grande o la bomba de circulación más potente.
El objetivo es hacer que cada componente funcione lo más cerca posible de suRequisito de diseño real.
Eso es buena ingeniería de bombas de calor.
Para obtener más información técnica sobrebombas de calor de aire, sistemas de calefacción hidrónica, tanques amortiguadores, calefacción por suelo y soluciones de bombas de calor OEM, visita:
El objetivo de la medida es reducir la contaminación atmosférica.
No existe un tamaño universal del tanque de amortiguador. Debe determinarse a partir de la potencia mínima de la bomba de calor, la carga mínima del edificio, el volumen de agua existente, la oscilación de temperatura admisible,tiempo mínimo de funcionamiento del compresor deseado, zonas y requisitos del fabricante.
Puede utilizarse como regla general preliminar en algunas aplicaciones, pero no debe sustituir los requisitos del fabricante o un cálculo del volumen térmico.Dos bombas de calor con la misma capacidad nominal pueden tener niveles mínimos de modulación muy diferentes..
Para el agua, una aproximación útil es:
El flujo (m3/h) = Capacidad (kW) / [1,163 × ΔT (°C) ]
Para una bomba de calor de 12 kW que funcione a ΔT 5°C, el caudal es de aproximadamente20,06 m3/h.
Determine el caudal de agua requerido y la caída de presión total del circuito, y luego seleccione una bomba cuya curva de rendimiento proporcione ese caudal en la cabeza requerida.Nunca seleccione una bomba que utilice solo el caudal máximo o la cabeza máxima.
No necesariamente. La bomba primaria se selecciona de acuerdo con los requisitos del circuito de la bomba de calor, mientras que la bomba secundaria se selecciona de acuerdo con el sistema de distribución del edificio.
A menudo es beneficioso, sobre todo en sistemas de flujo variable y de zonas múltiples. Sin embargo, la estrategia de control debe mantener los requisitos de flujo mínimo del fabricante de la bomba de calor.
Seleccionar correctamente eltanques tampón y bombas de circulaciónEs una de las partes más importantes del diseño de un sistema hidrónico secundario para una bomba de calor aire-agua.
Una bomba de calor puede tener un excelente COP, un compresor inversor de alta eficiencia,y controles avanzados, pero si el tanque de amortiguación tiene un tamaño incorrecto o si las bombas de circulación funcionan lejos de sus puntos de diseño, el sistema completo puede seguir sufriendo:
Ciclos frecuentes del compresor
Consumo excesivo de electricidad de la bomba
Flujo de agua insuficiente
Gran fluctuación de la temperatura del agua
Mezcla hidráulica innecesaria
Eficiencia reducida de la bomba de calor
Performance de calefacción o refrigeración deficiente
Alarmas de caudal y funcionamiento inestable
Por lo tanto, el objetivo no es simplemente instalar un tanque "lo suficientemente grande" y una bomba "lo suficientemente potente".
Una buena ingeniería hidráulica significa seleccionar cada componente de acuerdo con lacarga térmica real, caudal de agua, caída de presión, potencia mínima de la bomba de calor y características de funcionamiento del edificio.
Veamos los principios de ingeniería detrás del tamaño del tanque tampón y la selección de la bomba de circulación.
Antes de seleccionar los componentes, necesitamos entender qué hacen.
Un sistema típico de bomba de calor secundaria contiene dos circuitos de agua.
Bomba de calor → Bomba de circulación primaria → Tanque tampón → Bomba de calor
El circuito primario sirve principalmente a la bomba de calor.
Tanque de amortiguación → Bomba de circulación secundaria → Terminals de edificios → Tanque de amortiguación
El circuito secundario sirve al edificio.
Estas terminales pueden incluir:
Calentamiento por suelo
Radiadores
Unidades de ventilador
Unidades de manipulación de aire
Zonas de calefacción múltiples
Esta separación es importante porque la bomba de calor y el edificio no necesariamente requieren el mismo flujo al mismo tiempo.
Por lo tanto, la bomba primaria se puede seleccionar en torno a larequisitos hidráulicos de la bomba de calor, mientras que la bomba secundaria se selecciona alrededor de larequisitos del sistema de distribución.
Un tanque tampón no es simplemente un gran contenedor de agua.
Una de sus funciones principales es proporcionar suficientesmasa térmica.
Un volumen de agua del sistema demasiado pequeño puede causar que la temperatura del agua cambie rápidamente.
Esto aumenta el riesgo de:
Bomba de calor encendida → Temperatura objetivo alcanzada → apagada → Temperatura baja → encendida de nuevo
En otras palabras:
Ciclismo corto
Pero hacer que el tanque sea demasiado grande tampoco es necesariamente mejor.
Un tanque de gran tamaño puede aumentar:
Costo de los equipos
Espacio de instalación
Pérdida de calor en posición de pie
Tiempo de calentamiento del sistema
Volumen total de agua
Por lo tanto, el objetivo es:
Proporcionar una masa térmica suficiente para lograr un funcionamiento estable de la bomba de calor sin aumentar innecesariamente el volumen del sistema.
Un atajo común de la industria es:
¢X litros de depósito tampón por kW de capacidad de la bomba de calor.
Esto puede ser útil para la estimación preliminar, pero no debe tratarse como una regla de diseño universal.
- ¿Por qué no?
Porque los ciclos cortos no se determinan solo por la capacidad nominal.
Considere dos bombas de calor de 15 kW.
La bomba de calor A puede modularse hasta 3 kW.
La bomba de calor B sólo podrá modular hasta 6 kW.
Si la demanda mínima de calefacción activa del edificio es de 2 kW, los dos sistemas se comportan de manera muy diferente.
Para la bomba de calor A:
3 − 2 = 1 kW de exceso de potencia
Para la bomba de calor B:
6 − 2 = 4 kW de exceso de potencia
Por lo tanto, la bomba de calor B requiere un amortiguamiento térmico considerablemente mayor para lograr el mismo tiempo mínimo de funcionamiento del compresor.
Es por eso quecapacidad mínima de la bomba de calores a menudo más importante que la capacidad nominal al evaluar el riesgo de ciclo corto.
Un cálculo simplificado útil se basa en la energía térmica que debe absorberse durante el tiempo mínimo de funcionamiento del compresor deseado.
El volumen efectivo de agua requerido se puede estimar a partir de:
V = Q × t / (ρ × Cp × ΔT)
Para el agua, esto puede simplificarse para los cálculos prácticos de HVAC a:
V ≈ 14,3 × P × t / ΔT
donde:
V.= volumen efectivo de agua requerido en litros
P= producción de calor excesiva en kW
t= tiempo mínimo de ejecución deseado en minutos
DT= variación admisible de la temperatura del agua en °C
El término clave esproducción de calor excesiva:
P = Producción mínima de la bomba de calor − Carga activa mínima del edificio
Esto da una estimación más realista que simplemente multiplicando la capacidad nominal de la bomba de calor por un valor arbitrario de litros por kW.
Supongamos que una bomba de calor de inversor tiene:
Potencia térmica mínima = 6 kW
Durante el clima templado, la carga activa mínima del edificio es:
2 kW
Por lo tanto:
El exceso de potencia = 6 − 2 = 4 kW
Supongamos que queremos al menos:
Tiempo mínimo de funcionamiento del compresor de 15 minutos
y permitir que la temperatura del agua del sistema aumente en:
5°C
Entonces:
V ≈ 14,3 × 4 × 15 / 5
V ≈ 172 litros
Este es el valor aproximadovolumen efectivo de agua necesario para absorber el desajuste temporal de salida.
Pero esto no significa automáticamente que necesitemos un tanque tampón de 172 litros.
- ¿Por qué no?
Porque el sistema hidrónico existente ya contiene agua.
Supongamos que nuestro volumen de agua efectivo mínimo calculado es:
172 litros
Pero el sistema ya contiene:
Tubo de calefacción por suelo: 70 L
Tubo principal: 20 litros
Intercambiador de calor de la bomba de calor y tubería interna: 10 L
Volumen total existente:
100 litros
Por lo tanto, el volumen adicional requerido sería aproximadamente:
172 − 100 = 72 litros
Se puede considerar entonces un depósito tampón disponible en el mercado de aproximadamente el siguiente tamaño adecuado, sujeto a los requisitos del fabricante de la bomba de calor y a la configuración hidráulica real.
Este es un enfoque mucho más racional que instalar automáticamente un tanque de 200 o 300 litros.
Un período mínimo de funcionamiento, como 10-15 minutos, se utiliza a menudo como comprobación de ingeniería al evaluar la masa térmica y el ciclo.
El propósito es simple.
Queremos evitar:
En → OFF → En → OFF
cada pocos minutos.
Los ciclos de funcionamiento más largos generalmente proporcionan temperaturas de sistema más estables y permiten que las bombas de calor de inversor se modulen de manera más efectiva.
Sin embargo, no existe una regla universal que diga que cada bomba de calor debe funcionar durante exactamente 15 minutos.
Compruebe siempre:
Volumen mínimo de agua del fabricante
Estrategia de control del compresor
Requisitos mínimos de tiempo de ejecución
Requisitos de descongelación
Rango de modulación del inversor
Los datos del fabricante deben tener prioridad sobre las normas genéricas de dimensionamiento.
El volumen del tanque por sí solo no determina si el sistema es eficiente.
La conexión hidráulica es igualmente importante.
Una disposición tradicional de amortiguador de cuatro tubos puede proporcionar una fuerte separación hidráulica entre los circuitos primario y secundario.
Sin embargo, también puede crearmezclado dentro del tanque.
Por ejemplo, supongamos que el agua de retorno de un sistema de calefacción por suelo es:
35°C
Si la mezcla hidráulica hace que el agua que entra en la bomba de calor aumente a:
36°C
la bomba de calor debe funcionar con una temperatura de retorno ligeramente superior.
Esto puede aumentar la temperatura de condensación y reducir la eficiencia de calefacción.
La penalización exacta de la COP no puede ser representada por un porcentaje universal porque depende de:
Agentes de refrigeración
Compresor
Temperatura exterior
Temperatura del agua
Frecuencia del compresor
Diseño del intercambiador de calor
Pero el principio de ingeniería es claro:
Para una bomba de calor, los aumentos innecesarios de la temperatura del agua generalmente reducen la eficiencia.
Las bombas de calor son particularmente sensibles a la temperatura del agua.
Cuanto más baja sea la temperatura requerida del agua de calefacción, más fácil es generalmente para el ciclo de refrigeración transferir calor.
Esta es una de las razones por las que las bombas de calor funcionan particularmente bien con:
Calentamiento por suelo
El sistema de calefacción por suelo suele funcionar a temperaturas relativamente bajas.
Si la mezcla hidráulica innecesaria obliga a la bomba de calor a funcionar a una temperatura de salida de agua más alta de la que el edificio realmente necesita, el COP puede caer.
Por lo tanto, el depósito tampón no sólo debe proporcionar masa térmica.
La disposición de las tuberías también debe diseñarse para reducir al mínimo la mezcla innecesaria.
Esta es una distinción importante.
La bomba de calor y los circuitos del edificio se conectan por separado al tanque.
Arreglo típico:
Bomba de calor → Tanque → Bomba de calor
y
Tanque → Edificio → Tanque
Las ventajas incluyen:
Fuerte separación hidráulica
Flujo primario y secundario independientes
Una mayor facilidad para la integración de varias zonas
Posibilidad de desventaja:
Más mezcla hidráulica si los flujos primarios y secundarios son significativamente diferentes
El depósito podrá instalarse en serie o como parte de un acuerdo común de devolución.
Su finalidad principal puede ser:
Aumentar el volumen de agua del sistema
Proporcionar masa térmica
Reducir el uso de la bicicleta
al tiempo que se minimiza parte de la mezcla asociada con la separación hidráulica completa.
¿Qué configuración es mejor?
Depende de si el proyecto necesita principalmente:
Volumen térmico
o bien:
Separación hidráulica + volumen térmico
Esto debe decidirse durante el diseño del sistema.
Una vez que el arreglo de amortiguador está establecido, podemos seleccionar las bombas.
La bomba primaria sirve al circuito de la bomba de calor.
Dos parámetros son esenciales:
y
Empecemos con el flujo.
Para los sistemas de agua, la potencia térmica es aproximadamente:
Q = 1,163 × Flujo × ΔT
donde:
- ¿ Qué?= capacidad térmica en kW
Flujo= caudal de agua en m3/h
DT= diferencia de temperatura del agua en °C
Por lo tanto:
Flujo = Q / (1,163 × ΔT)
Por ejemplo, supongamos que una bomba de calor produce:
12 kW
y está diseñado para:
ΔT = 5°C
Entonces:
Flujo = 12 / (1,163 × 5)
≈ 2,06 m3/h
Por lo tanto, la bomba debe ser capaz de proporcionar aproximadamente:
2.1 m3/h
en la cabeza de presión del sistema requerida.
Pero el flujo solo no es suficiente.
Una bomba de circulación debe superar la resistencia hidráulica del circuito.
El circuito primario puede incluir:
Intercambiador de calor con bomba de calor
Telas y tubos
Los codos
Las teas
Las válvulas
Las válvulas de retención
Las demás máquinas
Medidores de caudal
Conexiones del tanque tampón
Cada componente crea una caída de presión.
La cabeza de la bomba total requerida es aproximadamente:
Caída de presión total = pérdida de tubería + pérdida de ajuste + pérdida de equipo
La bomba de circulación seleccionada debe proporcionar el flujo de diseño requeridoa esta caída de presión.
Esto significa que la selección de la bomba siempre debe utilizar lasCurva de rendimiento de la bomba.
No seleccione una bomba sólo a partir de su caudal máximo.
Y no lo seleccione sólo de su cabeza máxima.
El parámetro importante es el actual:
Punto de operación = Flujo requerido + Cabeza requerida
Una ventaja de la separación hidráulica es que el circuito primario suele ser relativamente simple.
Por ejemplo:
Bomba de calor → Bomba → Tanque tampón → Bomba de calor
Se conocen la longitud de la tubería y sus componentes.
Esto hace que el cálculo de la caída de presión sea relativamente sencillo.
Por lo tanto, la bomba primaria puede seleccionarse con precisión para la bomba de calor.
Esto es mucho más fácil que pedirle a una bomba que sirva:
Bomba de calor + tres pisos + radiadores + calefacción por suelo + bobinas del ventilador + válvulas de zona
donde la resistencia del sistema puede cambiar continuamente.
La bomba secundaria tiene un trabajo diferente.
Suministra el sistema de distribución del edificio.
Por lo tanto, su diseño debe tener en cuenta:
Requisitos de flujo terminal
Longitudes de las tuberías
Diámetros de las tuberías
Número de accesorios
Válvulas de control
Valvas de mezcla
Las demás
Radiadores
Las bobinas de ventilador
Circuitos de calefacción por suelo
Operación simultánea de la zona
El caudal secundario total se basa en la carga terminal activa.
Pero la cabeza de la bomba requerida se determina normalmente por elcircuito más exigente hidráulico, no simplemente sumando la caída de presión de cada rama paralela.
Esta distinción es sumamente importante.
Supongamos que un sistema de calefacción por suelo requiere:
Flujo total = 1,8 m3/h
El circuito más exigente más las tuberías de distribución producen una caída de presión calculada equivalente a:
4.0 m de cabecera de agua
Por consiguiente, la bomba debe seleccionarse para funcionar de manera eficiente alrededor de:
1.8 m3/h @ 4,0 m de cabeza
No sólo porque su placa de identificación diga:
Flujo máximo = 4 m3/h
o bien:
Cabeza máxima = 7 m
La curva de la bomba debe comprobarse.
El sobredimensionamiento de las bombas de circulación es un error común.
Una bomba demasiado grande puede causar:
Velocidad excesiva del agua
Consumo de electricidad más elevado
Ruido de las válvulas
Ruido del caudal
Presión diferencial excesiva
Aceleración innecesaria
Control de las zonas deficiente
También puede empujar el sistema lejos de su punto de diseño hidráulico previsto.
Una bomba de bajo tamaño crea diferentes problemas:
Flujo de agua insuficiente
DT excesivo
Salida terminal deficiente
Alarmas de caudal
Funcionamiento inestable de la bomba de calor
Por lo tanto, el tamaño correcto es fundamental.
Los sistemas de calefacción y refrigeración residencial rara vez funcionan con un flujo constante.
Imagina una villa con diez zonas de calefacción.
En condiciones de diseño:
10 Zonas abiertas
Durante el funcionamiento normal en invierno:
6 Zonas abiertas
Durante el tiempo templado:
2 Zonas abiertas
El flujo secundario requerido cambia significativamente.
El funcionamiento continuo de una bomba de velocidad fija a plena potencia desperdicia energía y puede crear una presión diferencial excesiva cuando las zonas se cierran.
Una circuladora ECM moderna de velocidad variable puede ajustar su velocidad de acuerdo con la demanda real.
Esto es particularmente útil con:
Dispositivos de calefacción por suelo
Valvas de radiadores termostáticos
Las válvulas de zona
Valvas de control de las bobinas del ventilador
La energía de la bomba tiene una relación muy importante con la velocidad.
Según las leyes de afinidad de la bomba:
Flujo Velocidad
Cabeza Velocidad2
Potencia Velocidad3
Esto significa que reducir la velocidad de la bomba puede reducir drásticamente el consumo eléctrico.
Como ejemplo teórico simplificado:
Si la velocidad de la bomba se reduce al 80%:
La potencia ≈ 0.83 = 0.512
o aproximadamente:
51% de la potencia teórica original
Los sistemas reales serán diferentes debido a la eficiencia de la bomba y las características del sistema, pero el principio es extremadamente importante:
No muevas más agua de la que el edificio realmente necesita.
Para los sistemas de bombas de calor residenciales y comerciales ligeros modernos, generalmente se prefieren los circulantes controlados electrónicamente de alta eficiencia.
Las ventajas comunes incluyen:
Funcionamiento a velocidad variable
Tecnología de los motores de imán permanente
Mejor eficiencia de carga parcial
Control de la presión diferencial
Menor consumo de electricidad
Bajo ruido
Mejor compatibilidad con la zonificación
Dependiendo del fabricante, los modos de control pueden incluir:
Presión constante
Útil para sistemas donde las válvulas de zona se abren y cierran con frecuencia.
Presión proporcional
A menudo útil para sistemas de radiadores con válvulas termostáticas.
Velocidad constante
Puede seguir siendo apropiado para circuitos primarios de flujo fijo específicos.
El modo correcto depende del diseño hidráulico.
Las bombas centrífugas más grandes siguen siendo adecuadas para muchos sistemas de HVAC comerciales e industriales.
La cuestión no es si una bomba es centrífuga o no centrífuga. Muchos circulantes hidrónicos usan fundamentalmente principios hidráulicos centrífugos.
Las preguntas importantes son:
¿Es la bomba adecuada para el punto de trabajo requerido?
¿Puede modularse eficientemente?
¿Cuál es su eficiencia motora?
¿Cuál es su rendimiento a carga parcial?
¿Es adecuado para la estrategia de control del sistema?
¿Es adecuado el rendimiento acústico?
Para las instalaciones residenciales, el ruido y la eficiencia de carga parcial son particularmente importantes.
Para grandes proyectos comerciales, pueden ser más apropiadas bombas de frecuencia variable adecuadamente seleccionadas.
Esto merece una atención especial.
En unasistema hidrónico cerrado, un edificio de tres pisos no significa que la bomba de circulación debe "levantar" continuamente el agua a través de toda la altura del edificio.
Una vez que el sistema está lleno y presurizado, las cabezas estáticas hacia arriba y hacia abajo están en gran parte equilibradas.
La bomba de circulación tiene que superar principalmente:
Pérdida de presión por fricción
de las siguientes:
Telas y tubos
Los demás
Las válvulas
Exchanger de calor
Las demás
Las terminales
La altura del edificio sigue siendo importante parapresión de llenado estática, diseño del recipiente de expansión y presión mínima del sistema, pero no debe simplemente añadirse directamente a la cabeza de la bomba de circulación.
Este es uno de los malentendidos más comunes sobre el tamaño de la bomba en el diseño de HVAC hidráulico.
En un sistema secundario adecuadamente diseñado:
El objetivo es:
Mantenga el flujo requerido a través de la bomba de calor.
Su funcionamiento debe seguir normalmente los requisitos de la bomba de calor y la lógica de control del fabricante.
El objetivo es:
Proporcionar el flujo realmente requerido por las terminales del edificio.
Su funcionamiento puede responder a:
Los termostatos para habitaciones
Las válvulas de zona
Presión diferencial
Sistema de gestión de edificios
Demandas de calefacción y refrigeración
Esta separación permite que cada bomba funcione de acuerdo con su función real.
El depósito de amortiguador y las bombas nunca deben diseñarse de forma independiente.
La relación de diseño completa es:
Capacidad de la bomba de calor
↓
Flujo primario requerido
↓
Bomba primaria
↓
En el caso de los vehículos de la categoría M2 y M3, el valor de los valores de referencia será igual o superior al valor de referencia.
↓
Carga de construcción
↓
Flujo secundario
↓
Bomba secundaria
↓
Unidades terminales
Cada componente afecta a los demás.
Por ejemplo, cambiar el terminal ΔT cambia el flujo requerido.
Cambiar los cambios de flujo requeridos:
Velocidad del tubo
Caída de la presión del tubo
Punto de funcionamiento de la bomba
Consumo de electricidad de la bomba
Condiciones de mezcla hidráulica
Por esta razón, el diseño de sistemas hidrónicos siempre debe tratarse como un problema de ingeniería completo.
Antes de seleccionar el tanque amortiguador y las bombas de circulación para un sistema de bomba de calor aire-agua, el ingeniero debe determinar:
Bomba de calor
Capacidad nominal de calefacción y refrigeración
Capacidad mínima de modulación
Flujo mínimo del fabricante
Flujo de diseño recomendado
Volumen mínimo de agua del sistema
ΔT requerido
Requisitos de descongelación
Tanque de amortiguación
Volumen de agua del sistema existente
Carga activa mínima del edificio
Tiempo mínimo de ejecución deseado
Oscilación de temperatura permitida
Separación hidráulica requerida
Configuración de dos o cuatro tubos
Nivel de aislamiento
Bomba primaria
Flujo requerido de la bomba de calor
Caída de presión del intercambiador de calor
Resistencia primaria del tubo
Resistencia de las válvulas y de las instalaciones
Punto de funcionamiento de la bomba
Bomba secundaria
Carga de diseño de edificios
Flujo terminal
El circuito hidráulico más exigente
Estrategia de control de zonas
Operación con carga parcial
Requisitos de velocidad variable
Si se conocen estos parámetros, la selección de componentes se vuelve mucho más confiable.
Cuando se selecciona un tanque amortiguador y bombas, un tanque más grande no significa automáticamente más seguro.
Tanque de gran tamaño → Más costo + más pérdida de calor + respuesta más lenta
Bomba de gran tamaño → Más electricidad + más ruido + presión diferencial excesiva
Tanque de bajo tamaño → Aumento del riesgo de ciclos cortos
Bomba de bajo tamaño → Flujo insuficiente + Transferencia de calor deficiente
El objetivo es encontrar el equilibrio operativo correcto.
Para un sistema hidrónico secundario bien diseñado:
La bomba de calor debe recibir el flujo que necesita, el edificio debe recibir el flujo que necesita, y ninguna de las bombas debe mover más agua de la necesaria.
Esa es la base de un diseño hidrónico eficiente.
La elección de una bomba de calor de aire eficiente es sólo el comienzo.
El rendimiento de la instalación en el mundo real depende de cómo todo el sistema hidráulico funciona juntos:
Bomba de calor + tanque amortiguador + bomba primaria + bomba secundaria + tubería + controles + terminales + carga del edificio
Un tanque tampón de tamaño correcto puede proporcionar suficiente masa térmica, reducir los ciclos cortos y proporcionar separación hidráulica cuando sea necesario.
Una bomba primaria correctamente seleccionada puede mantener un flujo estable a través de la bomba de calor.
Una bomba secundaria adecuadamente controlada puede responder de manera eficiente a la demanda real del edificio.
Cuando estos componentes se diseñan como un solo sistema, el resultado puede ser:
Un funcionamiento más estable. Un menor consumo de energía auxiliar. Una mayor comodidad. Un control más fácil. Una mayor fiabilidad a largo plazo.
El objetivo no es utilizar el depósito tampón más grande o la bomba de circulación más potente.
El objetivo es hacer que cada componente funcione lo más cerca posible de suRequisito de diseño real.
Eso es buena ingeniería de bombas de calor.
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El objetivo de la medida es reducir la contaminación atmosférica.
No existe un tamaño universal del tanque de amortiguador. Debe determinarse a partir de la potencia mínima de la bomba de calor, la carga mínima del edificio, el volumen de agua existente, la oscilación de temperatura admisible,tiempo mínimo de funcionamiento del compresor deseado, zonas y requisitos del fabricante.
Puede utilizarse como regla general preliminar en algunas aplicaciones, pero no debe sustituir los requisitos del fabricante o un cálculo del volumen térmico.Dos bombas de calor con la misma capacidad nominal pueden tener niveles mínimos de modulación muy diferentes..
Para el agua, una aproximación útil es:
El flujo (m3/h) = Capacidad (kW) / [1,163 × ΔT (°C) ]
Para una bomba de calor de 12 kW que funcione a ΔT 5°C, el caudal es de aproximadamente20,06 m3/h.
Determine el caudal de agua requerido y la caída de presión total del circuito, y luego seleccione una bomba cuya curva de rendimiento proporcione ese caudal en la cabeza requerida.Nunca seleccione una bomba que utilice solo el caudal máximo o la cabeza máxima.
No necesariamente. La bomba primaria se selecciona de acuerdo con los requisitos del circuito de la bomba de calor, mientras que la bomba secundaria se selecciona de acuerdo con el sistema de distribución del edificio.
A menudo es beneficioso, sobre todo en sistemas de flujo variable y de zonas múltiples. Sin embargo, la estrategia de control debe mantener los requisitos de flujo mínimo del fabricante de la bomba de calor.