مبدأ عمل المضخة الحرارية لمصدر الماء: كيف تعمل ولماذا تتفوق على الهواء

تخيل مبنى مكاتب مكونًا من أربعة طوابق في قوانغتشو في يوليو. يتزايد حمل التبريد، ويحتاج كل طابق إلى هواء بارد، ومع ذلك يظل السقف هادئًا - ولا تدق مراوح المكثف. ما يجعل هذا ممكنًا هو وجود حلقة من الماء تتحرك بهدوء عبر المبنى. داخل كل غرفة نباتية طابقية، أ مضخة حرارة مصدر المياه (WSHP) يقوم بنفس عمل مكيف الهواء، ولكن مع اختلاف واحد مهم: فهو يتبادل الحرارة مع الماء، وليس مع الهواء الخارجي.

الجواب المباشر: المضخة الحرارية لمصدر الماء هي آلة تبريد تمتص الحرارة من حلقة المياه المنقولة بالأنابيب في وضع التسخين، أو ترفض الحرارة إلى نفس الحلقة في وضع التبريد. فهو ينقل الحرارة من مكان إلى آخر بدلاً من خلقها. نظرًا لأن حلقة الماء تبقى في درجة حرارة أكثر استقرارًا بكثير من الهواء الخارجي، فإن الضاغط يقوم بعمل أقل وتوفر الوحدة تسخينًا أو تبريدًا أكثر فائدة لكل كيلووات من الكهرباء تستهلكه.

الإجابة المختصرة: كيف تقوم المضخة الحرارية بمصدر الماء بنقل الحرارة

تعمل جميع المضخات الحرارية، بما في ذلك محطات WSHP، على نفس دورة التبريد المكونة من أربع خطوات: يتبخر، يضغط، يتكثف، يتوسع . في وضع التسخين، يدخل سائل التبريد البارد إلى المبادل الحراري بجانب الماء، ويمتص الحرارة من الماء، ويغلي في بخار منخفض الضغط. يسحب الضاغط هذا البخار ويرفع ضغطه ودرجة حرارته. يتدفق بعد ذلك الغاز الساخن عالي الضغط إلى الملف الداخلي، حيث يتكثف مرة أخرى إلى سائل ويطلق الحرارة في هواء الغرفة أو في نظام التسخين المائي. يقوم صمام التمدد الحراري بقياس السائل مرة أخرى إلى المبخر، وتتكرر الدورة.

في وضع التبريد، يقوم صمام عكسي رباعي الاتجاهات بقلب التدفق. يصبح الملف الداخلي هو المبخر ويمتص الحرارة من الغرفة، بينما يصبح المبادل الحراري بجانب الماء هو المكثف ويتخلص من الحرارة في حلقة الماء. والنتيجة هي ذلك يمكن لآلة واحدة توفير التدفئة والتبريد باستخدام دائرة مياه واحدة .

المكونات الأربعة التي تقوم بالعمل

الضاغط

الضاغط is the heart of the system. It raises refrigerant pressure and temperature so that heat can be released at a useful temperature on the indoor side. Small packaged WSHPs typically use rotary or scroll compressors; larger commercial systems use screw compressors or multi-compressor parallel arrangements. A scroll compressor has fewer moving parts than a reciprocating type and handles partial loads well, which is why scroll units dominate packaged WSHPs. In large plants, screw compressors provide high reliability and good efficiency under continuous duty.

صمام عكس رباعي الاتجاه

الصمام العكسي هو ما يجعل المضخة الحرارية مختلفة عن مكيف الهواء العادي. عندما يتغير الصمام، ينعكس اتجاه تدفق غاز التبريد، مما يؤدي إلى تبديل واجبات المبخر والمكثف. يقوم طيار ذو ملف لولبي صغير بتحريك البكرة الرئيسية. في وضع التسخين، يتم توجيه الغاز الساخن إلى الملف الداخلي؛ في وضع التبريد، يتم توجيه الغاز الساخن إلى المبادل الحراري بجانب الماء.

المبادل الحراري من المبرد إلى الماء

هذا هو المكان الذي اكتسبت فيه WSHP اسمها. بدلاً من الملف ذي الزعانف والمروحة الخارجية، يستخدم WSHP مبادل حراري ذو لوحة ملحومة أو مبادل حراري ذو غلاف وأنبوب. يتدفق الماء على جانب واحد من سطح نقل الحرارة؛ يتدفق سائل التبريد من جهة أخرى. نظرًا لأن الماء لديه معامل نقل حرارة أعلى بكثير من الهواء، يمكن أن يكون هذا المبادل أصغر فيزيائيًا من ملف الهواء أثناء نقل نفس كمية الحرارة. في الأنظمة الأكبر حجمًا، غالبًا ما يكون الجانب المائي عبارة عن هيكل من القشرة والأنبوب، وهو في الأساس نفس التقنية المستخدمة في النظام مكثف مبرد بالماء على شكل قذيفة وأنبوب المستخدمة في محطات التبريد الصناعية. إن اختيار مادة الأنبوب مهم: تعتبر الأنابيب النحاسية قياسية في العديد من الوحدات التجارية، في حين أن الأنابيب المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ مفضلة للتطبيقات العدوانية أو تطبيقات مياه البحر.

OEM / ODM KCWS سلسلة شل وأنبوب المكثفات المبردة بالماء ، المصنع باعتبارنا شركة صينية متخصصة في تصنيع المكثفات المبردة بالمياه من سلسلة KCWS والأنابيب المكثفة المبردة بالمياه من سلسلة KCWS... عرض المنتج →

جهاز التوسعة

بين المكثف والمبخر، يقوم جهاز التمدد - عادةً ما يكون صمام التمدد الحراري (TXV) أو صمام التمدد الإلكتروني (EEV) - بإسقاط ضغط غاز التبريد وقياس التدفق الصحيح في المبخر. تستجيب EEV بشكل أسرع لتغييرات التحميل وتحافظ على ارتفاع درجة الحرارة أكثر إحكامًا، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة عند التحميل الجزئي. وهذا أمر مهم في نظام WSHP لأن درجات حرارة الماء الداخلة تتغير خلال العام، لذلك يجب على جهاز التوسيع أن يتكيف بشكل مستمر.

وضع التدفئة ووضع التبريد: نفس الدورة في الاتجاه المعاكس

وضع التدفئة

في وضع التسخين، تكون حلقة الماء هي مصدر الحرارة. بالنسبة لمعظم تصميمات الحلقات التجارية، يدخل الماء إلى الوحدة عند حوالي الساعة 50 درجة فهرنهايت إلى 68 درجة فهرنهايت (10 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية) . يمتص المبرد الحرارة من ذلك الماء ويتبخر. يقوم الضاغط بعد ذلك برفع الغاز إلى درجة حرارة عالية كافية للملف الداخلي لتوصيل هواء إمداد دافئ - عادةً من 90 درجة فهرنهايت إلى 105 درجة فهرنهايت (32 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية). طالما ظلت الحلقة أعلى من 45 درجة فهرنهايت (7 درجات مئوية تقريبًا)، يمكن للوحدة الحفاظ على تسخين مفيد دون الاعتماد على الحرارة الكهربائية الاحتياطية.

وضع التبريد

في وضع التبريد، تصبح الحلقة بمثابة المشتت الحراري. عادةً ما تقع المياه الحلقية العائدة بينهما 70 درجة فهرنهايت و90 درجة فهرنهايت (21 درجة مئوية إلى 32 درجة مئوية) . يمتص الملف الداخلي الحرارة من الغرفة، ويرفع الضاغط درجة حرارة مادة التبريد أعلى بكثير من درجة حرارة الماء، ويقوم المبادل الحراري من مادة التبريد إلى الماء بنقل تلك الحرارة إلى الحلقة. كلما زادت درجة حرارة الماء الحلقي، كلما زادت صعوبة عمل الضاغط - ولهذا السبب يعد التحكم في برج التبريد وإعادة ضبط درجة حرارة الماء من الأجزاء المهمة في محطة WSHP التي تتم إدارتها بشكل جيد.

الحلقة المغلقة والحلقة المفتوحة وحلقات البناء: من أين تأتي المياه؟

تعمل WSHPs مع العديد من مصادر المياه. يؤثر الاختيار على الكفاءة والتكلفة المثبتة.

تستخدم معظم تركيبات WSHP التجارية الكبيرة حلقة بناء مشتركة. كل وحدة داخلية صغيرة بما يكفي لتناسب فراغ السقف أو غرفة النباتات الصغيرة، وجميع الوحدات تستمد من نفس دائرة المياه ذات الأنبوبين. عندما تحتاج بعض المناطق إلى الحرارة بينما تحتاج مناطق أخرى إلى التبريد، فإن الحرارة التي ترفضها مناطق التبريد يتم امتصاصها بواسطة مناطق التسخين - وهي ميزة تسمى استعادة الحرارة . يمكن أن يؤدي ذلك إلى خفض طاقة التدفئة والتبريد المتزامنة بهامش كبير، وهو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل أصحاب المباني يختارون أنظمة مصادر المياه.

لماذا يتفوق الماء على الهواء: WSHP مقابل المضخة الحرارية من مصدر الهواء

يستخدم كلا النظامين نفس دورة ضغط البخار. الفرق هو المتوسط ​​على الجانب الخارجي. تتغير درجة حرارة الهواء مع الطقس؛ يبقى الماء في حلقة مغلقة أكثر استقرارًا. يغير هذا الاستقرار صورة الأداء بأكملها.

لأن الماء لديه أكثر من 3000 مرة من السعة الحرارية الحجمية للهواء ، يمكن أن يكون المبادل الحراري من الماء إلى سائل التبريد أصغر بكثير من ملف الهواء الذي له نفس المهمة. بالنسبة للضاغط، الرقم المهم هو رفع درجة الحرارة. مع دخول الماء عند درجة حرارة 60 درجة فهرنهايت في التدفئة الشتوية، يرفع الضاغط مادة التبريد من حوالي 50 درجة فهرنهايت إلى 100 درجة فهرنهايت - وهو رفع بمقدار 50 درجة فهرنهايت. قد تحتاج وحدة مصدر الهواء في الطقس المتجمد إلى رفع درجة حرارة سائل التبريد من -10 درجة فهرنهايت إلى 100 درجة فهرنهايت - وهو رفع قدره 110 درجة فهرنهايت. ما يقرب من نصف المصعد يعني تقريبًا ضعف COP للتدفئة. هذه العلاقة المادية هي السبب الحقيقي وراء توفير أنظمة مصادر المياه لكفاءة موسمية أفضل. لمعرفة إلى أي مدى يمتد نفس المبدأ، انظر إلى مجموعة كاملة من المكثفات والمبخرات المستخدمة في النباتات المائية الحديثة.

الكفاءة في الأرقام: COP وEER وما يمكن توقعه

COP (معامل الأداء) هو نسبة التسخين أو التبريد المفيد إلى المدخلات الكهربائية. إن COP البالغ 4.0 في التسخين يعني أنه مقابل كل 1 كيلووات من الكهرباء يستهلكها الضاغط، توفر الوحدة 4 كيلووات من الحرارة. EER (نسبة كفاءة الطاقة) هي ما يعادل التبريد، ويتم التعبير عنها عادة بوحدة حرارية بريطانية لكل واط ساعة.

ما الذي يمكن أن يتوقعه المشتري بشكل واقعي من شركة WSHP الحديثة؟

• تسخين COP بين 3.5 و 5.5 بالنسبة لمعظم أنظمة مصادر المياه، اعتمادًا على درجة حرارة الماء الداخلة.
• تبريد EER بين 14 و22 وحدة حرارية بريطانية/وات-ساعة في الحلقات التجارية النموذجية.
• أداء أفضل عند التحميل الجزئي، لأن الضاغط يعدل أو يدور بشكل أقل في الظروف المعتدلة.
• تفيد تقارير وزارة الطاقة الأمريكية أن المضخات الحرارية الأرضية ومضخات الماء إلى الهواء يمكن أن تقلل من استهلاك الطاقة بحوالي 25 إلى 50 بالمائة مقارنة بالمضخات الحرارية ذات مصدر الهواء في المباني المماثلة (المصدر: وزارة الطاقة الأمريكية، نظرة عامة على المضخات الحرارية الأرضية).

لاحظ الاتجاه: المياه الباردة تعني انخفاض COP، وهذا هو السبب في أن الحلقات الأرضية ومياه الآبار - التي تظل أكثر دفئًا في الشتاء من الهواء الخارجي - تنتج كفاءة شتوية أفضل من معدات مصدر الهواء.

خمسة اعتبارات التصميم التي تحدد الأداء في العالم الحقيقي

1. معدل تدفق المياه. تحتاج كل وحدة إلى تدفق كافٍ لتحمل الحرارة دون زيادة طاقة المضخة. يتم تحديد وحدات مصدر المياه التجارية بشكل شائع في 2.5 إلى 3 جالون أمريكي في الدقيقة لكل طن تبريد ; تستخدم الأنظمة الأكبر تدفقات أقل مع اختلافات أعلى في درجات الحرارة.
2. دخول نطاق درجة حرارة الماء. حافظ على درجات حرارة الحلقة ضمن حدود الشركة المصنعة — عادةً 50 درجة فهرنهايت إلى 95 درجة فهرنهايت (10 درجة مئوية إلى 35 درجة مئوية) في التبريد و 45 درجة فهرنهايت إلى 75 درجة فهرنهايت (7 درجات مئوية إلى 24 درجة مئوية) في التدفئة - لحماية الضاغط والحفاظ على صلاحية تقييمات السعة.
3. نوعية المياه والتلوث. تحتوي المبادلات الحرارية اللوحية على قنوات ضيقة؛ يمكن أن يؤدي الحطام أو الحجم أو النمو البيولوجي إلى تقليل انتقال الحرارة بسرعة وزيادة ضغط التكثيف. استخدم المصافي ومعالجة المياه - بالنسبة للمياه القوية - المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ.
4. حماية من التجميد. تحتاج الحلقات الأرضية إلى مزيج من الماء والجليكول؛ تحتاج حلقات البناء في الأماكن غير المدفأة إلى مضاد للتجمد أو تتبع الحرارة أو إجراء تصريف موثوق.
5. إعادة ضبط درجة حرارة الحلقة. التحكم في درجة حرارة الحلقة بناءً على الظروف الخارجية وطلب المنطقة. يؤدي رفع درجة حرارة الحلقة أثناء التبريد، أو خفضها قليلًا أثناء التسخين، إلى تقليل رفع الضاغط وتقليل استخدام الطاقة في جميع أنحاء المحطة بأكملها.

مطابقة حلقة الماء مع معدات التبريد المناسبة

تعد المضخة الحرارية لمصدر الماء أحد عناصر نظام التبريد المائي الأكبر. وتنطبق نفس المبادئ الهندسية - الضغط الموثوق، والتبادل الحراري النظيف من جانب الماء، والتحكم المستقر في مادة التبريد - على بقية المحطة. بالنسبة لفرق المشروع التي تقوم بتجميع حل غرفة المصنع الخاص بها، فإن اختيار المكثف والمبرد ووحدة التكثيف هو الذي يقرر ما إذا كانت الحلقة ستحقق بالفعل كفاءة التصميم الخاصة بها.

ومن ناحية التبريد، معبأة مبرد بالماء هي الطريقة القياسية لإزالة الحرارة من الحلقة عندما يكون المبنى به برج تبريد. على جانب التبادل الحراري، يقوم المكثف المبرد بالماء ذو ​​الغلاف والأنبوب بنقل الحرارة بين مادة التبريد والماء على سطح كبير سهل التنظيف. في النباتات التي تحتوي على مبخرات يتم تغذيتها بالمضخة، أ وحدة تكثيف مضخة البرميل يوفر إعادة التدوير اللازمة للحفاظ على استقرار إمدادات التبريد تحت أحمال مختلفة.

OEM / ODM KTB مصنعي وحدة تكثيف المضخة البرميلية ، المصنع - Zhejiang Kaidi باعتبارنا مصنعًا صينيًا لوحدة تكثيف مضخة البرميل KTB ومصنع تصنيع المعدات الأصلية / تصنيع التصميم الأصلي لوحدة تكثيف مضخة البرميل KTB بالجملة، Zhejiang Kaidi Re... عرض المنتج →

شركة مخصصة لمبرد المياه المبردة تعتبر شركة Zhejiang Kaidi Refrigeration Equipment Co., Ltd. موردًا صينيًا لمبرد المياه المبردة ومبرد المياه المبردة المخصص، حيث تقدم حلولاً... عرض المنتج →

إذا كنت تقوم بتصميم مخزن تبريد أو محطة تبريد للعمليات، فسيتم تطبيق نفس منطق الاختيار متى اختيار وحدة التكثيف لتطبيقات التخزين البارد . تحتاج أيضًا إلى مطابقة المعدات لنطاق درجة الحرارة وجودة المياه وملف تعريف التحميل الجزئي المتوقع - وهو أمر يستحق مناقشة هذه المعلمات مع مهندس التطبيقات قبل الانتهاء من الحزمة.

الوجبات العملية: تتمتع محطة WSHP بكفاءة مثل بقية محطات الطاقة المائية. سوف تؤدي المضخات كبيرة الحجم أو المياه غير المعالجة أو برج التبريد الصغير إلى تآكل ميزة COP بسرعة. ابدأ بتصميم الحلقة، ثم حدد حزمة الضاغط والمبادل الحراري المحيطة بها.

أسئلة متكررة حول المضخات الحرارية لمصدر المياه

هل تعمل المضخات الحرارية لمصادر المياه في المناخات الباردة؟

نعم. في وضع التسخين، لا يزال بإمكان وحدة الماء إلى الهواء تقديم COP بقيمة 3.0 أو أفضل عند إدخال الماء عند درجة حرارة 40 درجة فهرنهايت (4 درجات مئوية)، وهي أعلى بكثير من درجات حرارة الهواء الشتوي في معظم المناطق الباردة. والسبب وراء نجاحها في هاربين أو مينيابوليس أو أوسلو بسيط: فالحلقة مدفونة تحت الأرض أو مستخرجة من المياه الجوفية، لذا فإن درجات حرارة الهواء في الشتاء لا تلامس مصدر الحرارة أبدًا.

هل المضخة الحرارية لمصدر الماء هي نفس المضخة الحرارية الأرضية؟

ليس بالضبط. تعد المضخة الحرارية الأرضية أو الطاقة الحرارية الأرضية أحد أنواع أنظمة مصادر المياه. ويستخدم حلقة أرضية مغلقة أو مياه الآبار كمصدر للحرارة ومغسلة. لكن العديد من محطات المياه والصرف الصحي تعمل على حلقة بناء تحتوي على برج تبريد وغلاية، ولا يوجد اتصال أرضي على الإطلاق. جميع المضخات الحرارية الأرضية هي أنظمة مصدر للمياه. ليست كل المضخات الحرارية مصدر المياه هي الطاقة الحرارية الأرضية.

هل يمكن لدورة مياه واحدة تسخين وتبريد مناطق مختلفة في نفس الوقت؟

نعم، وهذه إحدى أكبر مزايا نظام WSHP. تقرر كل وحدة داخلية بشكل مستقل ما إذا كانت تريد التدفئة أم التبريد. عندما يحتاج أحد المكاتب إلى التبريد ويحتاج مكتب آخر إلى التدفئة، فإن الحلقة تنقل الحرارة من مكتب إلى آخر، ولا يقوم المرجل وبرج التبريد إلا بتعويض الفارق.

ما هي الصيانة التي تحتاجها المضخة الحرارية لمصدر الماء؟

هناك ثلاثة مجالات مهمة: جودة المياه، وشحن غاز التبريد، ونظافة الهواء. تحتاج الحلقة إلى ترشيح منتظم ومعالجة للمياه لمنع تراكم الأوساخ في المبادلات الحرارية ذات الألواح أو القشرة والأنبوب؛ يجب فحص أسطح المبادلات الحرارية سنويًا؛ وتحتاج الملفات والمرشحات الداخلية إلى نفس جدول التنظيف مثل أي وحدة ملف مروحة. نظرًا لعدم وجود مروحة مكثف خارجية، تختفي غالبًا مشاكل التآكل والحطام المعتادة للوحدات الخارجية.

ما المدة التي تدوم فيها المضخة الحرارية لمصدر الماء؟

من خلال المعالجة الصحيحة للمياه، عادةً ما يتم تقديم خدمة WSHP التجارية عالية الجودة 20 إلى 25 سنة ويمكن أن تستمر الحلقة المائية نفسها لمدة 50 عامًا أو أكثر. دائرة التبريد مغلقة والضاغط محمي بدرجة حرارة ثابتة للحلقة - على عكس الوحدات الموجودة على السطح والتي تعاني من دورات حرارية شديدة. يجد العديد من المالكين أن الموقع الداخلي للمعدات هو الميزة الحقيقية مدى الحياة: فهي لا ترى الثلج أو الملح أو شمس الصيف أبدًا.

كيف أختار بين الماء إلى الماء والماء إلى الهواء؟

تعد وحدات الماء إلى الهواء هي الأكثر شيوعًا في مباني المكاتب لأنها تعمل على تكييف المساحات المشغولة مباشرة من خلال القنوات. تُستخدم وحدات الماء إلى الماء عندما يكون المبنى مزودًا بتوزيع مائي - تدفئة تحت الأرضية، أو أسقف مبردة، أو معالجة مياه التبريد - لأنها تنتج مياه ساخنة أو مبردة بدلاً من الهواء الدافئ. بالنسبة للعمليات الصناعية مثل التبريد بالليزر أو معالجة الأغذية، عادة ما يكون نظام الماء إلى الماء هو التصميم الصحيح.

الخط السفلي

المضخة الحرارية لمصدر الماء هي ببساطة آلة تبريد تستخدم حلقة مائية كمصدر للحرارة ومغسلة. المكونات تقليدية، والدورة هي دورة ضغط البخار القياسية، وميزة الكفاءة تأتي بالكامل تقريبًا من استقرار درجة حرارة الماء. سواء كنت تصمم برجًا مكتبيًا مكونًا من 40 طابقًا، أو مستودعًا للتخزين البارد أو نظام تبريد للعمليات، فإن مفهوم WSHP هو نفسه - واختيارات المعدات على الجانب المائي، من المبادلات الحرارية اللوحية إلى مكثفات الغلاف والأنبوب، تحدد مدى جودة أداء هذا المفهوم في التشغيل الحقيقي.