Imagínese un edificio de oficinas de cuatro pisos en Guangzhou en julio. La carga de refrigeración está aumentyo, cada piso necesita aire fresco y, aun así, el techo permanece silencioso, sin ventiladores de condensador golpeando. Lo que hace esto posible es un circuito de agua que se mueve silenciosamente a través del edificio. Dentro de cada cuarto de planta, un bomba de calor de fuente de agua (WSHP) Hace el mismo trabajo que un aire acondicionado, pero con una diferencia crucial: intercambia calor con agua, no con el aire exterior.
La respuesta directa: Una bomba de calor con fuente de agua es una máquina de refrigeración que absorbe calor de un circuito de agua canalizada en modo calefacción o rechaza calor en ese mismo circuito en modo refrigeración. Mueve el calor de un lugar a otro en lugar de crearlo. Debido a que el circuito de agua permanece a una temperatura mucho más estable que el aire exterior, el compresor realiza menos trabajo y la unidad proporciona calefacción o refrigeración más útil por cada kilovatio de electricidad que consume.
La respuesta corta: cómo una bomba de calor con fuente de agua mueve el calor
Todas las bombas de calor, incluidas las WSHP, funcionan en el mismo ciclo de refrigeración de cuatro pasos: evaporar, comprimir, condensar, expandir . En el modo de calefacción, el refrigerante líquido frío ingresa al intercambiador de calor del lado del agua, absorbe el calor del agua y hierve hasta convertirse en vapor a baja presión. El compresor aspira ese vapor y aumenta su presión y temperatura. Luego, el gas caliente a alta presión fluye hacia el serpentín interior, donde se condensa nuevamente en líquido y libera calor al aire de la habitación o a un sistema de calefacción hidrónica. Una válvula de expansión térmica mide el líquido nuevamente al evaporador y el ciclo se repite.
En el modo de enfriamiento, una válvula reversible de cuatro vías invierte el flujo. El serpentín interior se convierte en el evaporador y absorbe el calor de la habitación, mientras que el intercambiador de calor del lado del agua se convierte en el condensador y vierte ese calor en el circuito de agua. El resultado es que Una máquina puede suministrar calefacción y refrigeración mediante un único circuito de agua. .
Los cuatro componentes que hacen el trabajo
el compresor
el compresor 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.
La válvula inversora de cuatro vías.
La válvula de inversión es lo que diferencia una bomba de calor de un aire acondicionado normal. Cuando la válvula cambia, la dirección del flujo de refrigerante se invierte, intercambiando las funciones del evaporador y del condensador. Un pequeño piloto de solenoide mueve el carrete principal. En modo calefacción, el gas caliente se dirige al serpentín interior; en modo refrigeración, el gas caliente se dirige al intercambiador de calor del lado del agua.
El intercambiador de calor refrigerante-agua.
Aquí es donde el WSHP gana su nombre. En lugar de un serpentín con aletas y un ventilador exterior, el WSHP utiliza un intercambiador de calor de placas soldadas o un intercambiador de calor de carcasa y tubos. El agua fluye por un lado de la superficie de transferencia de calor; el refrigerante fluye por el otro. Debido a que el agua tiene un coeficiente de transferencia de calor mucho mayor que el aire, este intercambiador puede ser físicamente más pequeño que un serpentín de aire y al mismo tiempo mover la misma cantidad de calor. En sistemas más grandes, el lado del agua suele ser una construcción de carcasa y tubos, esencialmente la misma tecnología que el Condensador de carcasa y tubos enfriado por agua Utilizado en plantas de refrigeración industrial. La elección del material del tubo es importante: los tubos de cobre son estándar en muchas unidades comerciales, mientras que los tubos de acero inoxidable se prefieren para aplicaciones agresivas o de agua de mar.
Fabricantes, fábrica de condensadores refrigerados por agua de carcasa y tubos de la serie OEM/ODM KCWS Como fabricantes de condensadores refrigerados por agua de carcasa y tubos de la serie KCWS de China y mayoristas de condensadores refrigerados por agua de carcasa y tubos de la serie KCWS... Ver producto → El dispositivo de expansión
Entre el condensador y el evaporador, el dispositivo de expansión, generalmente una válvula de expansión termostática (TXV) o una válvula de expansión electrónica (EEV), reduce la presión del refrigerante y mide el flujo correcto hacia el evaporador. Un EEV responde más rápido a los cambios de carga y mantiene el sobrecalentamiento más ajustado, lo que mejora la eficiencia con carga parcial. Eso es importante en un sistema WSHP porque las temperaturas del agua entrante cambian a lo largo del año, por lo que el dispositivo de expansión tiene que adaptarse continuamente.
Modo calefacción y modo refrigeración: el mismo ciclo a la inversa
Modo calefacción
En modo calefacción, el circuito de agua es la fuente de calor. Para la mayoría de los diseños de circuitos comerciales, el agua ingresa a la unidad aproximadamente 50°F a 68°F (10°C a 20°C) . El refrigerante absorbe calor de esa agua y se evapora. Luego, el compresor eleva el gas a una temperatura lo suficientemente alta como para que el serpentín interior suministre aire caliente, generalmente de 90 °F a 105 °F (de 32 °C a 40 °C). Mientras el circuito se mantenga por encima de aproximadamente 45 °F (7 °C), la unidad puede mantener una calefacción útil sin depender del calor eléctrico de respaldo.
Modo de enfriamiento
En modo refrigeración, el circuito se convierte en un disipador de calor. El agua del circuito de retorno normalmente se encuentra entre 70°F y 90°F (21°C a 32°C) . El serpentín interior absorbe calor de la habitación, el compresor eleva la temperatura del refrigerante muy por encima de la temperatura del agua y el intercambiador de calor de refrigerante a agua transfiere ese calor al circuito. Cuanto más caliente esté el agua del circuito, más duro deberá trabajar el compresor, razón por la cual el control de la torre de enfriamiento y el restablecimiento de la temperatura del agua son partes tan importantes de una planta WSHP bien administrada.
Circuito cerrado, circuito abierto y circuitos de construcción: ¿de dónde viene el agua?
Los WSHP trabajan con varias fuentes de agua. La elección afecta tanto a la eficiencia como al coste de instalación.
| Tipo de sistema | fuente de agua | Temperatura típica del agua de entrada | Más adecuado para |
|---|---|---|---|
| Bucle de tierra cerrado | Tubería HDPE enterrada con mezcla de agua y glicol | 32°F a 70°F (0°C a 21°C) por temporada | Viviendas y edificios comerciales con terreno para perforaciones. |
| Circuito abierto (agua de pozo) | Agua subterránea bombeada a través del intercambiador de calor. | 45°F a 60°F (7°C a 16°C) | Propiedades con agua de pozo limpia y confiable y reinyección o drenaje aprobados |
| Circuito de construcción con caldera y torre de refrigeración. | Circuito de agua del edificio compartido; La caldera agrega calor, la torre rechaza el calor. | 60°F a 90°F (16°C a 32°C) | Oficinas multiinquilino, hoteles, edificios de uso mixto |
| Circuito de lago o río | Bucle cerrado sumergido en aguas abiertas. | 35°F a 75°F (2°C a 24°C) | Edificios cerca de cuerpos de agua profunda |
La mayoría de las grandes instalaciones comerciales de WSHP utilizan un circuito de edificio compartido. Cada unidad interior es lo suficientemente pequeña como para caber en un hueco en el techo o en una sala de máquinas pequeña, y todas las unidades se alimentan del mismo circuito de agua de dos tuberías. Cuando algunas zonas necesitan calor mientras que otras necesitan enfriamiento, el calor rechazado por las zonas de enfriamiento es absorbido por las zonas de calentamiento, una característica llamada recuperación de calor . Esto puede reducir la energía simultánea de calefacción y refrigeración por un amplio margen, que es una de las principales razones por las que los propietarios de edificios eligen sistemas de fuente de agua.
Por qué el agua vence al aire: WSHP versus bomba de calor de aire
Ambos sistemas utilizan el mismo ciclo de compresión de vapor. La diferencia es el medio en el lado exterior. El aire cambia de temperatura con el clima; el agua en un circuito cerrado se mantiene mucho más estable. Esa estabilidad cambia todo el panorama del rendimiento.
| Aspecto | WSHP | Bomba de calor de fuente de aire (ASHP) |
|---|---|---|
| Fuente de calor/disipador | Circuito de agua, estable todo el año | Aire exterior, columpios según el tiempo. |
| Rendimiento de calefacción | Se degrada lentamente a medida que cae la temperatura del circuito. | El COP cae bruscamente en un clima helado |
| Rendimiento de refrigeración | Estable incluso en días muy calurosos | Caídas a temperaturas ambiente superiores a aproximadamente 95 °F (35 °C) |
| Ruido | Tranquilo; sin ventilador exterior | Ruido del ventilador del condensador exterior |
| espacio | Sin unidad en la azotea; sala de plantas de interior o espacio vacío en el techo | Necesita unidad exterior y espacio libre a su alrededor. |
| Instalación | Más tuberías; Se requiere infraestructura de circuito de agua. | Generalmente más simple en edificios modernizados. |
| Mantenimiento | Tratamiento de agua, cuidado de bombas e intercambiadores. | Limpieza de serpentines y acceso a refrigerante al aire libre. |
porque el agua tiene Más de 3.000 veces la capacidad calorífica volumétrica del aire. , un intercambiador de calor de agua a refrigerante puede ser mucho más pequeño que un serpentín de aire con la misma función. Para el compresor, el número importante es el aumento de temperatura. Con agua entrante a 60°F en calefacción de invierno, el compresor eleva el refrigerante de aproximadamente 50°F a 100°F, una elevación de 50°F. Es posible que una unidad de fuente de aire en un clima helado necesite elevar el refrigerante de -10 °F a 100 °F, una elevación de 110 °F. Aproximadamente la mitad de la elevación significa aproximadamente el doble del COP de calefacción. Esa relación física es la verdadera razón por la que los sistemas de fuentes de agua ofrecen una mejor eficiencia estacional. Para ver hasta qué punto se extiende el mismo principio, mire el Gama completa de condensadores y evaporadores. utilizado en plantas hidrónicas modernas.
Eficiencia en números: COP, EER y qué esperar
COP (coeficiente de rendimiento) es la relación entre calefacción o refrigeración útil y la entrada eléctrica. Un COP de 4,0 en calefacción significa que por cada 1 kW de electricidad que consume el compresor, la unidad entrega 4 kW de calor. EER (índice de eficiencia energética) es el equivalente de refrigeración, normalmente expresado en Btu por vatio-hora.
¿Qué puede esperar realmente un comprador de un WSHP moderno?
- Calefacción COP entre 3,5 y 5,5 para la mayoría de los sistemas de fuentes de agua, dependiendo de la temperatura del agua entrante.
- EER de refrigeración entre 14 y 22 Btu/W-h en circuitos comerciales típicos.
- Mejor rendimiento a carga parcial, porque el compresor modula o realiza menos ciclos en condiciones suaves.
- El Departamento de Energía de EE. UU. informa que las bombas de calor geotérmicas y agua-aire pueden reducir el consumo de energía en aproximadamente 25 a 50 por ciento en comparación con bombas de calor de fuente de aire en edificios similares (fuente: Departamento de Energía de EE. UU., descripción general de las bombas de calor geotérmicas).
| Entrada de temperatura del agua (modo calefacción) | Rango de COP típico |
|---|---|
| 50°F (10°C) | 4,2 a 5,5 |
| 60°F (16°C) | 4,0 a 5,0 |
| 70°F (21°C) | 3,5 a 4,2 |
Tenga en cuenta la tendencia: un circuito de agua más frío significa un COP más bajo, razón por la cual los circuitos terrestres y el agua de pozo, que se mantienen más calientes en invierno que el aire exterior, producen una mejor eficiencia invernal que los equipos con fuente de aire.
Cinco consideraciones de diseño que deciden el rendimiento en el mundo real
- Caudal de agua. Cada unidad necesita suficiente flujo para transportar calor sin energía excesiva de la bomba. Las unidades comerciales de fuentes de agua se especifican comúnmente en 2,5 a 3 galones estadounidenses por minuto por tonelada de enfriamiento ; Los sistemas más grandes utilizan flujos más bajos con mayores diferencias de temperatura.
- Entrando en el rango de temperatura del agua. Mantenga las temperaturas del circuito dentro de los límites del fabricante, generalmente 50°F a 95°F (10°C a 35°C) en refrigeración and 45°F a 75°F (7°C a 24°C) en calefacción — para proteger el compresor y mantener válidas las clasificaciones de capacidad.
- Calidad del agua y ensuciamiento. Los intercambiadores de calor de placas tienen canales estrechos; Los desechos, las incrustaciones o el crecimiento biológico pueden reducir rápidamente la transferencia de calor y aumentar la presión de condensación. Utilice filtros, tratamiento de agua y, para aguas agresivas, intercambiadores de calor de acero inoxidable.
- Protección contra congelación. Los circuitos de tierra necesitan una mezcla de agua y glicol; Los circuitos de construcción en espacios sin calefacción necesitan anticongelante, rastreo de calor o un procedimiento de drenaje confiable.
- Restablecimiento de la temperatura del circuito. Controle la temperatura del circuito según las condiciones exteriores y la demanda de la zona. Aumentar la temperatura del circuito en refrigeración o bajarla ligeramente en calefacción reduce la elevación del compresor y recorta el uso de energía en toda la planta.
Combinar el circuito de agua con el equipo de refrigeración adecuado
Una bomba de calor con fuente de agua es un elemento de un sistema de refrigeración hidrónico más grande. Los mismos principios de ingeniería (compresión confiable, intercambio de calor del lado del agua limpia y control estable del refrigerante) se aplican al resto de la planta. Para los equipos de proyecto que ensamblan su propia solución de sala de máquinas, la elección del condensador, enfriador y unidad de condensación decide si el circuito realmente alcanzará su eficiencia de diseño.
En el lado de refrigeración, un paquete enfriador enfriado por agua es la forma estándar de eliminar el calor del circuito cuando el edificio tiene una torre de enfriamiento. En el lado del intercambio de calor, el condensador de carcasa y tubos enfriado por agua transfiere calor entre el refrigerante y el agua sobre una superficie grande y fácil de limpiar. En plantas con evaporadores alimentados por bombas, un unidad de condensación de bomba de barril Proporciona la recirculación necesaria para mantener estable el suministro de refrigerante bajo cargas variables.
Fabricantes de unidades de condensación de bomba de barril OEM / ODM KTB, fábrica - Zhejiang Kaidi Como fabricante de unidades de condensación de bomba de barril KTB de China y fábrica mayorista de unidades de condensación de bomba de barril KTB oem/odm, Zhejiang Kaidi Re... Ver producto → 
Proveedor de enfriadores enfriados por agua personalizados, empresa Zhejiang Kaidi Refrigeration Equipment Co., Ltd. es un proveedor de enfriadores enfriados por agua de China y enfriadores enfriados por agua personalizados, que ofrece solu... Ver producto → Si está diseñando una planta de almacenamiento en frío o de enfriamiento de procesos, se aplica la misma lógica de selección cuando Elegir una unidad de condensación para aplicaciones de almacenamiento en frío. . También es necesario hacer coincidir el equipo con el rango de temperatura del circuito, la calidad del agua y el perfil de carga parcial esperado, y vale la pena. discutir esos parámetros con un ingeniero de aplicaciones antes de finalizar el paquete.
Conclusión práctica: el WSHP es tan eficiente como el resto de la planta hidrónica. Las bombas de gran tamaño, el agua sin tratar o una torre de enfriamiento de tamaño insuficiente erosionarán rápidamente la ventaja del COP. Comience con el diseño del circuito, luego seleccione el compresor y el paquete de intercambiador de calor a su alrededor.
Preguntas frecuentes sobre las bombas de calor con fuente de agua
¿Las bombas de calor de fuente de agua funcionan en climas fríos?
Sí. En el modo de calefacción, una unidad agua-aire aún puede ofrecer un COP de 3,0 o mejor con agua entrante a 40 °F (4 °C), lo que está muy por encima de las temperaturas del aire en invierno en la mayoría de las regiones frías. La razón por la que funciona en Harbin, Minneapolis u Oslo es simple: el circuito está enterrado bajo tierra o extraído del agua subterránea, por lo que las temperaturas del aire en invierno nunca tocan la fuente de calor.
¿Es lo mismo una bomba de calor de fuente de agua que una bomba de calor geotérmica?
No exactamente. Una bomba de calor geotérmica o de fuente terrestre es un tipo de sistema de fuente de agua. Utiliza un circuito de tierra cerrado o agua de pozo como fuente de calor y sumidero. Pero muchas WSHP funcionan en un circuito de edificio con una torre de enfriamiento y una caldera, sin ninguna conexión a tierra. Todas las bombas de calor geotérmicas son sistemas de fuente de agua; No todas las bombas de calor de agua son geotérmicas.
¿Puede un circuito de agua calentar y enfriar diferentes zonas al mismo tiempo?
Sí, y esa es una de las mayores ventajas de un sistema WSHP. Cada unidad interior decide de forma independiente si calentar o enfriar. Cuando una oficina necesita refrigeración y otra calefacción, el circuito transfiere calor de una a otra, y la caldera y la torre de refrigeración solo marcan la diferencia.
¿Qué mantenimiento necesita una bomba de calor alimentada por agua?
Tres áreas importan: la calidad del agua, la carga de refrigerante y la limpieza del lado del aire. El circuito necesita filtración y tratamiento de agua regulares para evitar la contaminación en los intercambiadores de calor de placas o de carcasa y tubos; las superficies del intercambiador de calor deben inspeccionarse anualmente; y los serpentines y filtros interiores necesitan el mismo programa de limpieza que cualquier unidad fan-coil. Debido a que no hay ventilador de condensador exterior, los problemas habituales de corrosión y suciedad de las unidades exteriores desaparecen en su mayoría.
¿Cuánto dura una bomba de calor con fuente de agua?
Con un tratamiento de agua correcto, una WSHP comercial de calidad normalmente sirve 20 a 25 años , y el circuito de agua en sí puede durar 50 años o más. El circuito de refrigerante está sellado y el compresor está protegido por la temperatura estable del circuito, a diferencia de las unidades de techo que sufren ciclos térmicos extremos. Muchos propietarios consideran que la ubicación interior del equipo es la verdadera ventaja de por vida: nunca ve nieve, sal o sol de verano.
¿Cómo elijo entre agua-agua y agua-aire?
Las unidades agua-aire son las más habituales en edificios de oficinas porque acondicionan los espacios ocupados directamente a través de conductos. Las unidades agua-agua se utilizan cuando el edificio tiene distribución hidrónica (calefacción por suelo radiante, techos fríos o agua de refrigeración de procesos) porque producen agua caliente o fría en lugar de aire caliente. Para procesos industriales como el enfriamiento por láser o el procesamiento de alimentos, la arquitectura agua-agua suele ser la correcta.
La conclusión
Una bomba de calor con fuente de agua es simplemente una máquina de refrigeración que utiliza un circuito de agua como fuente de calor y disipador. Los componentes son convencionales, el ciclo es el ciclo estándar de compresión de vapor y la ventaja de eficiencia proviene casi por completo de la estabilidad de la temperatura del agua. Ya sea que esté diseñando una torre de oficinas de 40 pisos, un almacén de almacenamiento en frío o un sistema de enfriamiento de procesos, el concepto WSHP es el mismo, y las opciones de equipos en el lado del agua, desde intercambiadores de calor de placas hasta condensadores de carcasa y tubos, deciden qué tan bien funciona ese concepto en operación real.
