Ontwerp buffertank en berekening volume
Voor koelwatersystemen en warmtepompen
Professioneel artikel 31.05.2022In veel gevallen is het zinvol een bufferopslagtank te gebruiken bij een koelmachine of warmtepomp, onder meer om de minimale looptijd van de compressoren te garanderen. Mitsubishi Electric gebruikt een eenvoudige formule om snel en gemakkelijk de minimale grootte van de opslagtank te berekenen.
- Heeft een buffertank zin?
- Bereken het volume van het buffervat - Formule
- Ontwerp van een buffervat voor warmtepompen in ontdooistand
- Opmerking: De factor verandert afhankelijk van het type en de concentratie van het glycol
- Berekening van de waterreserve: als koude- of warmtereservoir
- Mitsubishi Electric Warmtepompen
- Mitsubishi Electric koelmachines
Heeft een buffertank zin?
Wanneer bufferopslag?En indien ja, welk volume moet het hebben? Dit zijn de twee vragen die professionals uit de planning en de handel zich telkens weer moeten stellen bij het ontwerpen van koelers. Het antwoord op de eerste vraag is nog betrekkelijk eenvoudig, aangezien het in de meeste gevallen "ja" is. Een buffertank is alleen in volgende situaties overbodig: wanneer de waterinhoud van het systeem voldoende groot is - bijvoorbeeld door ongewoon lange leidingen - of wanneer de vraag naar constante belasting groter is dan de capaciteit van de kleinste vermogensstap.
Dit laatste is echter zelden het geval in comfort toepassingen, aangezien de belasting door de verbruikers vooral in de tussenseizoenen afneemt. Daardoor stroomt een groot deel van het warm water terug naar de warmtepomp, die niet of slechts zeer kort werkt omdat er geen verwarmingsvraag is. Bijgevolg kan de minimale bedrijfstijd van de compressor in dergelijke gevallen niet worden gewaarborgd. Een ander aspect dat van belang is bij het bepalen van het volume van een buffervat is het aantal starts van de compressor.
"Resultaat zijn sterke schommelingen in de wateruittredetemperatuur rond de instelwaarde," verklaart Michael Lechte, Hoofd Product Marketing bij Mitsubishi Electric, Living Environment Systems.
Door een buffertank in het hydraulische circuit te integreren, kunnen deze problemen worden vermeden. Dit vergroot het watervolume en zorgt zo voor een minimale bedrijfstijd van de compressoren, omdat het op temperatuur brengen van het grotere watervolume langer duurt. Door de langere bedrijfstijd wordt het aantal starts van de compressor op zijn beurt verminderd. Dit voorkomt dat de compressoren door de regeling worden geblokkeerd en er daardoor stilstand ontstaat. Bovendien resulteert de gebalanceerde werking van de compressor in een constante waterafvoertemperatuur die zeer dicht bij het setpoint ligt in een langere levensduur.
Een buffervat is daarom in de meeste gevallen een nuttige aanvulling op de ketel, vooral omdat het ook als hydraulische afscheider kan worden gebruikt. Dit verhoogt de systeemtemperatuur en helpt dus om een constante watertemperatuur te handhaven.
Bereken het volume van het buffervat - Formule
BerekeningAllereerst: De berekening van een buffer voor een koelmachine verschilt in principe niet van de berekening voor een warmtepomp voor een geothermische verwarmingsinstallatie. Naast de hierboven beschreven berekeningsgrondslag voor het aanhouden van de minimale bedrijfstijd van de compressoren, moet bij luchtgekoelde warmtepompen echter ook rekening worden gehouden met het ontdooiproces.
Blijft over de vraag hoe groot de opslag moet zijn. Veel fabrikanten verstrekken deze informatie in de gegevensbladen van hun systemen of in de planningssoftware. In sommige gevallen worden ook vuistregels gebruikt in de zin van "X liter watervolume is nodig per kW koelvermogen".
Bij Mitsubishi Electric adviseren wij onze klanten een formule waarmee zij snel en eenvoudig het exact benodigde bufferopslagvolume kunnen berekenen. Het is gebaseerd op de basisvergelijking van de thermodynamica dat het product van de massastroom van een medium, zijn specifieke warmtecapaciteit en het temperatuurverschil overeenkomt met de verwarmings- of koelingsenergie:
Dit wordt gecombineerd met de vergelijking dat de minimale systeeminhoud van een koelsysteem het product is van de massastroom maal de minimale looptijd van de compressoren:
Om de systeeminhoud te berekenen moeten beide formules aan elkaar worden gelijkgesteld. Daarom wordt de eerste ijking eerst omgezet in ṁ, en wordt de factor 4,19 gebruikt als de specifieke warmtecapaciteit van het water. Als ook de tweede vergelijking dienovereenkomstig wordt omgezet, resulteren de volgende formules na vereenvoudiging van diverse eenheden:
Door het combineren van de twee regels, verdere reducties en een verhouding van de formule tot V, kan men tot de conclusie komen dat de minimale warmtegeleiding van het systeem samenhangt met het product van de ketelenergie, de factor en de minimale looptijd van de compressor, gedeeld door de schakeldifferentieel van de regelaar op het setpunt:
De factor komt in dit geval overeen met 14,32. Deze constante is gebaseerd op de specifieke warmtecapaciteit van water en vloeit voort uit de omrekening van de eenheden als gevolg van de formuleconversie. De koelenergie wordt berekend uit het product van het maximumvermogen van de eenheid QMax en de minimale deellastfase ƒPartiële belasting minus de constante belastingvermindering in het systeem QLast.
Bepaal het maximale koelvermogen en deellastfase
De specificaties voor het maximale koelvermogen en de deellastfase zijn te vinden in het technische gegevensblad van de fabrikant. De waarde QLast komt overeen met het constante koelvermogen dat door de verbruikers wordt verbruikt. Als dit niet beschikbaar is of als er geen precieze informatie beschikbaar is, kan de waarde op "0" worden gezet. De minimale draaitijd van de compressoren is ook constant, maar hangt af van het type: voor een scrollcompressor is dat één minuut, voor een schroefcompressor minstens twee en een halve minuut.
Schakelverschil bepalen
De waarde van het schakelverschil in de regelaar wordt bepaald door de planner of de systeembouwer, die de mogelijkheid heeft de grootte van het buffervat op dit punt te beïnvloeden: Hoe groter de maximaal toegestane schommeling rond het setpoint, hoe langer de bedrijfstijd van de compressor en hoe kleiner de opslagtank kan worden gekozen. Een relatief hoge afwijking van het instelpunt is voor comfort airconditioning niet zo problematisch als voor proceskoeling. Dit kan betekenen dat dezelfde eenheid - afhankelijk van het toepassingsgebied - moet worden gecombineerd met verschillende maten bufferopslagtanks. Als je een bijzonder nauwkeurig resultaat voor het buffervolume wilt, mag je de systeeminhoud in de leidingen en verbruikers van het resultaat aftrekken.
Bepaal de maximale koelcapaciteit
Een aspect waarmee bij de berekening zeker rekening moet worden gehouden, betreft de waarde van het maximale koelvermogen. Dit wordt vaak gespecificeerd onder ontwerpomstandigheden, d.w.z. bij een hoge buitentemperatuur waarbij de belastingseis in comforttoepassingen volgens de norm 100 procent is. In dit geval is er geen buffertank nodig, aangezien de eenheid door de grote capaciteit continu werkt. Luchtgekoelde koelers werken echter efficiënter bij gedeeltelijke belasting, zodat de maximale koelcapaciteit wordt bereikt bij koelere temperaturen. Vooral bij werking in deellastomstandigheden is het buffervat nodig om pendelen van de compressor te voorkomen. Voor meer veeleisende toepassingen is het daarom noodzakelijk de capaciteit te selecteren bij een gematigde buitentemperatuur, bijvoorbeeld 20 °C. Daarom moet voor watergekoelde units de minimale watertemperatuur worden gebruikt om het vermogen te berekenen, en voor luchtgekoelde units de minimale buitentemperatuur.
Rekenblad als rekenhulp
Op basis van de bovenstaande formulering heeft Mitsubishi Electric een rapport opgesteld dat beschikbaar is voor de buitendienst en de technische dienst. Hier vind je enkele voorbeelden van de evaluatie van het bufferopslagvolume. De informatie over het aantal compressoren en hun technologie kan uit een lijst worden gehaald.
De waarden voor ƒdeelbelasting en TLooptijd worden dan automatisch aangepast. De constante "Factor" is altijd ingesteld, alleen de waarden voor QMax, QLast en TRegelaar moeten worden aangepast. De minimale systeemtemperatuur wordt dan automatisch berekend op basis van de ingevoerde waarden. Indien gewenst kan de systeeminhoud van het hydraulische circuit van het resultaat worden afgetrokken om het vereiste volume van het buffervat te verkrijgen. Bovendien berekent het rekenblad de stilstandtijden van de compressoren gedurende welke geen actieve koeling plaatsvindt. Wanneer de stilstandtijd te lang is, wat vooral problematisch is in temperatuurkritische toepassingen, kan het worden ingekort door een voldoende groot buffervolume te gebruiken.
Uiteraard zijn er aspecten waarmee in de bovengenoemde formule geen rekening wordt gehouden, zoals het feit dat, afhankelijk van de installatiesituatie, niet het gehele buffervat wordt gemengd. "De huidige berekening biedt echter een oriëntatie die in de praktijk voldoende nauwkeurig is" verklaart Michael Lechte, Manager Product Marketing Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. En voor resultaten waarvoor geen bufferopslagtank van een geschikte grootte op de markt is, raadt Lechte aan de eerstvolgende grotere versie te kiezen: "Met deze oplossing zit je aan de veilige kant."
Ontwerp van een buffervat voor warmtepompen in ontdooistand
InterpretatieZoals gezegd verschilt de berekening van een buffer voor een koelmachine in principe niet van de berekening voor een warmtepomp. Naast de hierboven besproken berekeningsgrondslag voor het aanhouden van de minimale draaitijd van de compressoren moet ook rekening worden gehouden met de ontdooitijd bij luchtgekoelde warmtepompen.
De belastingvermindering van alle actieve verbruikers tijdens het ontdooien dient hierbij als uitgangspunt. Indien geen andere concrete informatie beschikbaar is, moet de verwarmingscapaciteit van de verbruikers in de ontwerptoestand worden ingevoerd. De vermindering van de belasting van de verbruikers leidt tot een temperatuurvermindering in het hydraulische circuit - evenals de koelcapaciteit van het circuit dat in ontdooiing is. De koelcapaciteit tijdens het ontdooien moet worden opgeteld bij de vereiste verwarmingscapaciteit van de verbruikers. Beide factoren veroorzaken een temperatuurdaling in het systeem. Het koelcircuit dat zich nog in de verwarmingsmodus bevindt, zorgt echter voor een temperatuurstijging.
Daarom moet de resterende warmtecapaciteit worden verdeeld tussen het warmteverbruik van de verbruikers en het warmteverbruik van het ontdooiproces. Voorwaarde is wel dat het apparaat meer dan één koelcircuit heeft. Anders wordt de waarde van de verwarmingscapaciteit op "0" gezet.
Alleen de fabrikant kan bindende uitspraken doen over de maximale duur van het ontdooien. Gewoonlijk duurt het ontdooien tussen 2 en 5 minuten. De duur hangt voornamelijk af van de beschikbare verwarmingscapaciteit, de omgevingstemperatuur en de relatieve vochtigheid. De ∆T in het hydraulische circuit geeft de maximaal toelaatbare temperatuurdaling in het hydraulische circuit tijdens het ontdooien aan.
Voorbeeld berekening
Dit is een geoptimaliseerde, omkeerbare luchtwarmtepomp voor koeling en verwarming in een geluidsarme uitvoering. De warmwatertemperatuur kan worden verhoogd tot 65 °C en de unit werkt tot -20 °C in extra verwarmingsmodus.
- Nominaal koelvermogen: 116 kW, met water van 12 °C/7 °C en 35 °C buitenluchttemperatuur
- Nominaal verwarmingsvermogen: 135 kW, met water van 40 °C/45 °C en 7 °C buitenluchttemperatuur
- Aantal compressoren: 4 scrollcompressoren
- Aantal koelcircuits: 2
Ontwerpvoorwaarden en prestaties:
- Koeling: 116 kW, met water 12 °C/7 °C
en 35 °C buitenluchttemperatuur - Warmte: 69,9 kW met water 40 °C/45 °C
en -14 °C buitenluchttemperatuur
De minimale looptijd van de gebruikte scrollcompressoren is 1 minuut.
De deellastfactor voor de minimale deellastfase bedraagt 25 % vanwege de vier compressoren.
De verwarmingscapaciteit van het toestel bij -14 °C werd genomen als de verwarmingscapaciteit van de verbruikers. Het vermogen van 78 kW komt overeen met het maximale koelvermogen van een circuit tijdens het ontdooien. Deze waarde kan worden gehaald uit het technische gegevensblad van het apparaat of worden opgevraagd bij de fabrikant. Het verwarmingsvermogen van 34,95 kW komt overeen met het verwarmingsvermogen van een koelcircuit tijdens het ontdooien bij -14 °C. De duur van de ontdooiing werd berekend op 5 minuten, waarbij de temperatuurdaling in het hydraulische circuit maximaal 5 K mocht bedragen.
De conclusie hieruit: berekening en het volume van het buffervat dat nodig is voor koelwaterbedrijf om de minimale bedrijfstijd van de compressoren te garanderen en voor ontdooibedrijf verschillen aanzienlijk. Daarom moeten beide berekeningen altijd worden uitgevoerd voor luchtgekoelde warmtepompen. Voor de uitvoering van het project moet dan rekening worden gehouden met het grotere volume. Bij de berekening wordt geen rekening gehouden met eventuele opslagverliezen. Als alternatief kan VDI 4645 worden gebruikt voor de berekening tot 50 kW verwarmingscapaciteit.
Opmerking: De factor verandert afhankelijk van het type en de concentratie van het glycol
Glycol factor
De factor 14,32 is het resultaat van de omrekening van de eenheden.
De grijs gemarkeerde eenheden kunnen tegen elkaar worden ingekort. Voor water wordt een specifieke warmtecapaciteit van 4,19 kJ/kg-K aangenomen. In de volgende stap wordt het volume van de bufferopslag berekend aan de hand van de massastroom "ṁ", de specifieke dichtheid "ρ" en de looptijd van de compressoren. De specifieke dichtheid van het water is 1 kg/l.
Bij gebruik van glycol veranderen zowel de specifieke warmtecapaciteit als de specifieke dichtheid afhankelijk van het type en de concentratie van het glycol. Dit heeft een effect op de factor. De gecorrigeerde factor kan ontleend worden aan de volgende tabel.
Aldus kan het vereiste volume van de minimale systeeminhoud toenemen van 332 l tot 407 l voor koudwaterbedrijf in de vorige berekening met 35 % ethyleenglycol. Dit komt overeen met een stijging van 22,5 %. Door de wiskundige afhankelijkheid stijgt het vereiste volume voor de ontdooifunctie met hetzelfde percentage tot 1.982 l.
Berekening van de waterreserve: als koude- of warmtereservoir
WaterslotEen andere manier om het te bekijken is een hoeveelheid water te leveren om stilstandtijden van de eenheid te overbruggen. Dit komt in aanmerking bij kritische toepassingen zoals datacenters of productieprocessen, waar bijvoorbeeld de tijd tot de eenheid opnieuw opstart en de maximale capaciteit bereikt moet worden overbrugd.
Eerst en vooral moet worden opgemerkt dat, in tegenstelling tot de vorige aanpak, het buffervat in de wateruitlaat van het apparaat moet worden geïnstalleerd. Een hydraulische verbinding met de waterinlaat van het apparaat moet worden vermeden. Dit is de enige manier om ervoor te zorgen dat het buffervat volledig gevuld is met het juiste volume en de vereiste stromingstemperatuur.
De parameters voor de berekening zijn:
- V verbruiker - volumestroom van de verbruiker [m3/h]
- t overbrugging - tijdspanne die moet worden overbrugd [min]
Opmerking: De bufferopslag als koude- of warmteopslag in de wateruitlaat van het toestel vervangt niet de bufferopslag om de minimale looptijd van de compressoren in de inlaat van het toestel te garanderen
Mitsubishi Electric Warmtepompen
Warmtepompen
Warmtepompen
Duurzame, toekomstbestendige oplossingen voor ruimteverwarming, verfrissende koeling in de zomer en altijd warm water. Onze hoogwaardige warmtepompen werken betrouwbaar en leveren energie voor verwarming, warm water en koeling. Of het nu gaat om nieuwbouw of renovatie, particuliere toepassingen, commercieel of industrieel - wij hebben de juiste warmtepompoplossing voor je.
Mitsubishi Electric koelmachines
Koelers
Koelers
Van commerciële en hotel tot industriële toepassingen: Met onze koelers - onze e-Series en Climaveneta producten - vinden we de juiste oplossing voor jouw project. Het maakt niet uit of je alleen wilt koken of alleen wilt verwarmen - in beide gevallen ben je zeker van een zorgvuldig ontworpen, energie-efficiënte en best-in-class oplossing.
