7月の広州にある4階建てのオフィスビルを想像してみてください。冷房負荷は増大しており、どの階にも冷たい空気が必要ですが、屋根は静かなままで、凝縮器ファンの音が鳴り響くこともありません。これを可能にしているのは、建物内を静かに流れる水のループです。各階の工場室内には、 水源ヒートポンプ（WSHP） エアコンと同じ働きをしますが、決定的な違いが 1 つあります。それは、熱を外気ではなく水と交換することです。
直接的な答えは次のとおりです。 水源ヒートポンプは、加熱モードでは配管された水ループから熱を吸収し、冷却モードでは熱を同じループに排出する冷凍機です。熱を作り出すのではなく、ある場所から別の場所に熱を移動させます。水ループは外気よりもはるかに安定した温度に保たれるため、コンプレッサーの仕事量が減り、ユニットは消費する電力 1 キロワットごとに、より有用な暖房または冷房を提供します。
簡単な答え: 水源ヒートポンプがどのように熱を移動させるか
WSHP を含むすべてのヒート ポンプは、同じ 4 段階の冷凍サイクルで動作します。 蒸発、圧縮、凝縮、膨張 。暖房モードでは、冷たい液体冷媒が水側熱交換器に入り、水から熱を吸収し、沸騰して低圧の蒸気になります。コンプレッサーはその蒸気を引き込み、圧力と温度を上げます。高温高圧ガスは室内コイルに流れ、そこで凝縮して液体になり、熱を室内空気または温水暖房システムに放出します。熱膨張弁が液体を計量して蒸発器に戻し、このサイクルが繰り返されます。
冷却モードでは、四方逆転バルブが流れを反転します。室内コイルは蒸発器となって部屋から熱を吸収し、水側熱交換器は凝縮器となってその熱を水ループに捨てます。結果は、 1 台の機械で、単一の水回路を使用して加熱と冷却の両方を行うことができます。 .
機能する 4 つのコンポーネント
コンプレッサー
コンプレッサー 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.
四方切換弁
ヒートポンプが通常のエアコンと異なるのは逆転弁です。バルブが切り替わると、冷媒の流れの方向が逆転し、蒸発器と凝縮器の役割が入れ替わります。小さなソレノイドパイロットがメインスプールを動かします。暖房モードでは、高温ガスが室内コイルに送られます。冷却モードでは、高温ガスが水側熱交換器に送られます。
冷媒と水の熱交換器
これが WSHP の名前の由来です。 WSHP は、フィン付きコイルと屋外ファンの代わりに、ろう付けプレート熱交換器またはシェルアンドチューブ熱交換器を使用します。水は伝熱面の片側を流れます。もう一方には冷媒が流れます。水は空気よりも熱伝達率がはるかに高いため、この交換器は同じ量の熱を移動させながら空気コイルよりも物理的に小さくすることができます。より大きなシステムでは、水側はシェルアンドチューブ構造であることが多く、本質的にはシステムと同じ技術です。 シェルアンドチューブ水冷コンデンサー 産業用冷凍プラントで使用されます。チューブの材質の選択は重要です。多くの商用ユニットでは銅チューブが標準ですが、攻撃的な用途や海水用途にはステンレス鋼チューブが好まれます。
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凝縮器と蒸発器の間の膨張装置 (通常はサーモスタット膨張弁 (TXV) または電子膨張弁 (EEV)) が冷媒の圧力を下げ、蒸発器への適切な流量を計測します。 EEV は負荷の変化により速く反応し、過熱をより厳密に維持するため、部分負荷での効率が向上します。 WSHP システムでは、入水温度は年間を通じて変化するため、膨張装置は継続的に適応する必要があるため、これは重要です。
暖房モードと冷房モード: 逆の同じサイクル
暖房モード
暖房モードでは、水ループが熱源になります。ほとんどの市販のループ設計では、水がユニットに侵入するのは約 50°F ～ 68°F (10°C ～ 20°C) 。冷媒はその水から熱を吸収して蒸発します。次に、コンプレッサーはガスを、屋内コイルが暖かい供給空気を供給するのに十分な温度 (通常は 32 °C ～ 40 °C) まで上昇させます。ループが約 45°F (7°C) 以上に留まっている限り、ユニットは電気バックアップ熱に依存せずに有用な加熱を維持できます。
冷却モード
冷却モードでは、ループがヒートシンクになります。戻りループ水は通常、 70°F および 90°F (21°C ～ 32°C) 。屋内コイルは部屋から熱を吸収し、コンプレッサーは冷媒の温度を水温よりも十分に上げ、冷媒と水の熱交換器がその熱をループに伝達します。ループ水が温かいほど、コンプレッサーはより困難に動作する必要があります。そのため、冷却塔制御と水温リセットは、適切に稼働する WSHP プラントにとって非常に重要な部分です。
クローズドループ、オープンループ、ビルディングループ: 水はどこから来るのでしょうか?
WSHP は複数の水源で動作します。選択は効率と設置コストの両方に影響します。
| システムタイプ | 水源 | 典型的な入水温度 | 最適な用途 |
|---|---|---|---|
| クローズドグランドループ | 水とグリコールの混合物で埋められた HDPE パイプ | 季節ごとに 0°C ～ 21°C (32°F ～ 70°F) | ボーリング孔用の土地を備えた住宅および商業ビル |
| オープンループ（井戸水） | 熱交換器を通して汲み上げられた地下水 | 45°F ～ 60°F (7°C ～ 16°C) | 清潔で信頼性の高い井戸水を使用し、再注入または排水が承認されている物件 |
| ボイラーと冷却塔を備えたループの構築 | 建物の共用水ループ。ボイラーは熱を加え、タワーは熱を拒否します | 60°F ～ 90°F (16°C ～ 32°C) | 雑居ビル、ホテル、複合ビル |
| 湖または川のループ | 開放水域における水没した閉ループ | 35°F ～ 75°F (2°C ～ 24°C) | 深層水域近くの建物 |
大規模な商用 WSHP インストールのほとんどは、共有ビルディング ループを使用します。各室内ユニットは天井の隙間や小さな工場室に収まるほど小型で、すべてのユニットが同じ 2 管の水回路から汲み上げられます。一部のゾーンが熱を必要とし、他のゾーンが冷却を必要とする場合、冷却ゾーンによって拒否された熱は加熱ゾーンによって吸収されます。これは、と呼ばれる機能です。 熱回収 。これにより、同時の冷暖房エネルギーを大幅に削減できます。これが、建物の所有者が水源システムを選択する主な理由の 1 つです。
水が空気に勝る理由: WSHP と空気源ヒートポンプ
どちらのシステムも同じ蒸気圧縮サイクルを使用します。違いは屋外側の媒体です。空気は天候によって温度が変化します。閉ループ内の水ははるかに安定しています。その安定性がパフォーマンス全体の状況を変えます。
| アスペクト | WSHP | 空気熱源ヒートポンプ（ASHP） |
|---|---|---|
| 熱源/シンク | ウォーターループ、一年中安定 | 外気、天候による変動 |
| 暖房性能 | ループ温度が下がるとゆっくりと劣化します | 氷点下ではCOPが急激に低下する |
| 冷却性能 | 猛暑日でも安定 | 周囲温度が約 95°F (35°C) を超えると落下 |
| 騒音 | 静かです。室外機なし | 室外コンデンサーファンの騒音 |
| 宇宙 | 屋上ユニットはありません。屋内植物室または天井の空洞 | 室外機とその周囲にスペースが必要 |
| インストール | 配管の増設。ウォーターループインフラが必要 | 通常、改修された建物ではより単純になります |
| メンテナンス | 水処理、ポンプ、交換器のケア | 屋外でのコイルの洗浄と冷媒へのアクセス |
なぜなら水には 空気の体積熱容量の 3,000 倍以上 、水から冷媒への熱交換器は、同じ役割の空気コイルよりもはるかに小さくできます。コンプレッサーの場合、重要な数値は温度上昇です。冬の暖房時に 60°F の水が入ると、コンプレッサーは冷媒を約 50°F から 100°F に上昇させます (50°F の上昇)。氷点下での空気源ユニットでは、冷媒を -10°F から 100°F (110°F の上昇) まで上昇させる必要がある場合があります。揚力が約半分になるということは、暖房 COP が約 2 倍になることを意味します。この物理的な関係が、水源システムが季節効率を向上させる本当の理由です。同じ原則がどこまで適用されるかを確認するには、 凝縮器と蒸発器の全範囲 現代の温水プラントで使用されています。
数字で見る効率性: COP、EER、および期待されること
COP (性能係数) は、電気入力に対する有効な加熱または冷却の比率です。暖房における COP 4.0 は、コンプレッサーが消費する電力 1 kW ごとに、ユニットが 4 kW の熱を供給することを意味します。 EER (エネルギー効率比) は冷却当量であり、通常はワット時あたりの Btu で表されます。
購入者は現実的に最新の WSHP に何を期待できますか?
- 暖房 COP 3.5 ～ 5.5 ほとんどの水源システムでは、入る水の温度に応じて異なります。
- 14 ～ 22 Btu/W-h の冷却 EER 典型的なコマーシャルループで。
- 穏やかな条件下ではコンプレッサーの変調やサイクルが少なくなるため、部分負荷のパフォーマンスが向上します。
- 米国エネルギー省は、地熱ヒートポンプと水から空気へのヒートポンプによりエネルギー消費量を約削減できると報告しています。 25 ～ 50 パーセント 同様の建物の空気熱源ヒートポンプとの比較 (出典: 米国エネルギー省、地熱ヒートポンプの概要)。
| 入力水温（暖房モード） | 典型的なCOP範囲 |
|---|---|
| 50°F (10°C) | 4.2～5.5 |
| 60°F (16°C) | 4.0～5.0 |
| 70°F (21°C) | 3.5～4.2 |
傾向に注意してください。ループ水が冷たいほど COP が低くなります。これが、屋外の空気よりも冬でも暖かい地上ループと井戸水が空気源機器よりも優れた冬季効率を生み出す理由です。
実際のパフォーマンスを決定する 5 つの設計上の考慮事項
- 水の流量。 各ユニットには、過剰なポンプ エネルギーを使用せずに熱を運ぶのに十分な流量が必要です。商用水源ユニットは通常、次のように指定されます。 冷却量 1 トンあたり 2.5 ～ 3 US ガロン/分 ;より大きなシステムでは、温度差が大きくなり、使用する流量が少なくなります。
- 水温範囲に入っています。 ループ温度をメーカーの制限内に維持します (通常は) 冷却時 10°C ～ 35°C (50°F ～ 95°F) そして 暖房時 7℃～24℃ — コンプレッサーを保護し、容量定格を有効に保つため。
- 水質と汚れ。 プレート式熱交換器には狭いチャネルがあります。破片、スケール、または生物学的増殖により、熱伝達が急速に低下し、凝縮圧力が上昇する可能性があります。ストレーナー、水処理、および攻撃的な水の場合はステンレス鋼の熱交換器を使用します。
- 凍結防止。 グラウンドループには水とグリコールの混合物が必要です。加熱されていないスペースにループを構築するには、不凍液、ヒートトレース、または信頼性の高いドレンダウン手順が必要です。
- ループ温度をリセットします。 屋外の状況とゾーンの需要に基づいてループ温度を制御します。冷却時にループ温度を上げるか、加熱時にループ温度をわずかに下げると、コンプレッサーの揚力が減少し、プラント全体のエネルギー使用量が削減されます。
水ループと適切な冷凍装置の適合
水源ヒートポンプは、より大規模な温水冷凍システムの 1 つの要素です。同じエンジニアリング原則 (信頼性の高い圧縮、きれいな水側熱交換、安定した冷媒制御) がプラントの残りの部分に適用されます。独自の工場室ソリューションを組み立てるプロジェクト チームにとって、コンデンサー、チラー、および凝縮ユニットの選択によって、ループが実際に設計効率を達成するかどうかが決まります。
冷却面では、パッケージ化されています。 水冷チラー これは、建物に冷却塔がある場合にループから熱を除去する標準的な方法です。熱交換側では、シェルアンドチューブの水冷コンデンサーが、掃除しやすい大きな表面上で冷媒と水の間で熱を伝達します。ポンプ式蒸発器を備えたプラントでは、 バレルポンプ凝縮ユニット 負荷が変動しても冷媒供給を安定させるために必要な再循環を行います。
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実際のポイント: WSHP の効率は、温水プラントの他の部分と同程度です。過大なポンプ、未処理の水、または過小な冷却塔は、COP の利点を急速に損ないます。ループ設計から始めて、その周りのコンプレッサーと熱交換器のパッケージを選択します。
水源ヒートポンプに関するよくある質問
水源ヒートポンプは寒冷地でも動作しますか?
はい。暖房モードでは、水対空気ユニットは、ほとんどの寒冷地域の冬の気温をはるかに上回る 40°F (4°C) の水を入力しても 3.0 以上の COP を実現できます。ハルビン、ミネアポリス、オスロでそれが機能する理由は単純です。ループは地下に埋められているか、地下水から汲み上げられているため、冬の気温が熱源に触れることはありません。
水源ヒートポンプは地中熱ヒートポンプと同じですか？
正確には違います。地熱または地中熱ヒートポンプは、水源システムの一種です。熱源とシンクとして閉じた地上ループまたは井戸水を使用します。しかし、多くの WSHP は、冷却塔とボイラーを備えた建物のループ上で稼働しており、接地接続はまったくありません。すべての地中熱ヒートポンプは水源システムです。すべての水源ヒートポンプが地熱であるわけではありません。
1 つの水ループで異なるゾーンを同時に加熱および冷却できますか?
はい、それが WSHP システムの最大の利点の 1 つです。各室内ユニットが独立して暖房するか冷房するかを決定します。あるオフィスが冷房を必要とし、別のオフィスが暖房を必要とする場合、ループは一方から他方へ熱を伝達し、ボイラーと冷却塔はその差を補うだけです。
水源ヒートポンプにはどのようなメンテナンスが必要ですか?
水質、冷媒充填量、空気側の清浄度という 3 つの領域が重要です。プレートまたはシェルアンドチューブ熱交換器の汚れを防ぐために、ループには定期的な濾過と水処理が必要です。熱交換器の表面は毎年検査する必要があります。屋内のコイルとフィルターは、ファン/コイル ユニットと同じ清掃スケジュールが必要です。室外凝縮ファンがないため、室外機にありがちな腐食やゴミの問題がほとんどなくなります。
水源ヒートポンプの寿命はどのくらいですか?
適切な水処理を行えば、高品質の商用 WSHP は通常、適切な機能を発揮します。 20～25年 、そして水ループ自体は50年以上続く可能性があります。極度の熱サイクルにさらされる屋上ユニットとは異なり、冷媒回路は密閉されており、コンプレッサーは安定したループ温度によって保護されています。多くの所有者は、機器を屋内に設置できることが生涯の真の利点であると考えています。つまり、雪、塩分、夏の太陽にさらされることがありません。
水から水への通信と水から空気への通信のどちらを選択すればよいですか?
水対空ユニットは、ダクトを通じて直接占有スペースを調整するため、オフィスビルで最も一般的です。水対水ユニットは、建物に温水供給 (床暖房、冷天井、プロセス冷却水) がある場合に使用されます。これは、温風の代わりに加熱または冷水を生成するためです。レーザー冷却や食品加工などの工業プロセスでは、通常、水対水が正しいアーキテクチャです。
結論
水源ヒートポンプは、単に水ループを熱源およびシンクとして使用する冷凍機です。コンポーネントは従来のもので、サイクルは標準的な蒸気圧縮サイクルであり、効率の利点はほぼ完全に水温の安定性によってもたらされます。 40 階建てのオフィスタワー、冷蔵倉庫、プロセス冷却システムのいずれを設計している場合でも、WSHP のコンセプトは同じです。プレート熱交換器からシェルアンドチューブ凝縮器まで、水側の機器の選択によって、そのコンセプトが実際の運用でどの程度うまく機能するかが決まります。
