空気から水への熱ポンプの加熱・冷却システムの設計において,最初の水力学的決定の一つは,単ループ直結システムまたはプライマリ・セカンドリー・ヒドロンシステム.

これらの用語は, HVACと熱ポンプ業界で広く使用されていますが,選択は,ある構成が常に他のものよりも効率が良いという仮定に基づかないべきです.

正確な水力装置の配置は,以下のようないくつかの要因に依存します.

• 熱ポンプ容量
• 必要なシステム水流量
• 暖房・冷却負荷
• ターミナルユニットの種類
• 熱帯の数
• 必要な供給水温
• 必要な温度差 (ΔT)
• 循環ポンプの特性
• 変数流量要件
• 熱ポンプの最低水量と流量要求

この記事 で は単ループの水力熱ポンプシステムの動作原理,水力特性,利点,限界および典型的な用途.

1シングルループ水力熱ポンプシステムとは?

A についてシングルループの水力熱ポンプシステム,とも呼ばれる直接接続された水力システム熱ポンプと端末暖房・冷却装置が同じ液圧回路で接続されている水ベースのHVACシステムです.

最もシンプルな形では

熱ポンプ → 循環ポンプ → 暖房/冷却端末 → 熱ポンプ

同じ循環水が熱源と負荷側を通ります

一般的に,小学校と中学校と異なり,熱ポンプ回路と配送回路の間に水力分離器がない.

このシステムは,以下のような端末機器を供給することができる.

• 床暖房
• ラジエーター
• ファンコイルユニット
• 空気処理装置のコイル
• 他の水力暖房・冷却端末

簡素化された水力図

水を供給する
→
│ │ │ │ │ │ │
│ │ │ 流通 │ │
│ 熱ポンプ │ │ │ │
│ │ │
│ │ │ │
│ ▼ 
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ 負荷側 │ 
│ │
│ │ ラジエーター │ 
│ │ 扇風機コイル│ │
│ │ 床暖房 │ 
│ │ │ │ │ │ │
│ │
│ │ │ │ │ │ │ │
←
返水水

基本的な特徴は単純です

熱ポンプとターミナルユニットは同じ循環水流路を共有します.

2単回路式熱ポンプシステムはどのように機能するのですか?

動作原理は2つの基本的な水力パラメータを通して理解できる:

1水温差 (ΔT)
2循環水の平均温度

この2つのパラメータは,熱ポンプと建物の間に送られる熱量と密接に関連しています.

3. 供給と帰還水温を理解する

熱ポンプは,加熱作業中に循環中の水の温度を上昇させます.

例えば:

熱ポンプ → 40°C 給水 → 給水ターミナル → 35°C 返水水 → 熱ポンプ

温度差は

ΔT = 40°C − 35°C = 5 K

ターミナル装置は水から熱エネルギーを取り出し 建物に転送します

冷却器の返水水は熱ポンプに戻り,再加熱されます.

このサイクルが続くのは,熱需要が存在する限りです.

温度プロファイル

熱ポンプ出口
40°C
│
│ 熱が供給される
建物へ
│ │ │ │ │ │
ΔT = 5K 
◄────────────────
▲
│
35°C
熱ポンプ入口

冷却モードでは,原理は逆です:熱ポンプは冷却水を供給し,端末ユニットは室内環境からの熱を吸収します.

4. なぜ ΔT が 重要 な の です か

水力加熱システムでは,転送された熱容量は,次の方法で推定できます.

Q = ṁ × Cp × ΔT

どこに:

• Q について= 熱伝達容量
• ṁ= 水の質量流量
• Cp= 水の特異熱容量
• ΔT=供給/返水水の温度差

水を使用した実用的な HVAC 計算では:

Q (kW) ≈ 1.163 × 流量 (m3/h) × ΔT (K)

だから:

流量 (m3/h) ≈ Q / (1.163 × ΔT)

例

熱ポンプが:

熱容量 = 20 kW

これによって:

ΔT = 5 K

必要な水流量は,約:

20 ÷ (1.163 × 5) ≈ 3.44 m3/h

これは直接接続されたシステムの重要な特徴を示しています.

熱ポンプ容量,端末容量,水流量,ΔTは水力学的に調整されなければならない.

熱ポンプが端末配送システムよりもはるかに多くまたは少なく水流を必要とする場合,直接接続は制御が困難になる可能性があります.

5単回路システムにおけるエネルギーバランス

安定した運用条件下では,熱ポンプによって生成される熱エネルギーは,建物によって吸収される熱エネルギーにほぼ一致する.

熱ポンプ出力 ≈ ターミナル熱伝送 ≈ 建物の加熱負荷

しかし,これらの値は,常に同じとは限らない.

建築物への負荷は,次の原因によって絶えず変化する.

• 室外温度
• 太陽放射線
• 占拠量
• 内部熱増量
• 温度計の設定
• ゾーンバルブ開閉
• 扇風機コイル操作
• 天気条件

水素式熱ポンプシステムは常にバランスを保とうとしています熱発生と熱消費.

6熱ポンプの出力が建物の需要を超えるとどうなるのか?

起動時にシステムを考えてください.

建物と循環水は最初は冷たいものかもしれません

この時点で:

• 暖房の需要は高い.
• 返水水温が低い
• 端末側での熱伝達は高い
• 熱ポンプは比較的高い出力で動作します.

建物が目標温度に近づくにつれて 端熱需要は減少します

熱ポンプが 建物に吸収できるより多くの熱を 生成し続けると過剰な熱エネルギーは,循環中の水の温度とシステムの熱質量を一時的に増加させます..

結果として:

平均水温が上昇します

熱ポンプの制御装置は次の方法で反応します.

• インバーターシステムにおける圧縮機の周波数低下,または
• 目標温度に達すると圧縮機を停止する.

これは理由のひとつです全直流インバーター熱ポンプは,適切に設計された低温水力システムに特に適しています..

コンプレッサーは 完全停止する代わりに 建物の需要の変化に合わせて 生産量を調整できます

7システム水量の重要性

水の量は熱慣性を供給する.

簡略化して理解するには

熱ポンプは熱を発生させる
↓
│ │ │ │
システム 水 │ 
│ 量 │ 
│ │ │ │ │ │
↓
暖房端末
↓
建築物

熱生産と熱消費が一時的に異なる場合,水量はこの不均衡の一部を吸収することができます.

十分な水量 は,以下 の こと に 役立ち ます.

• 水温を安定させる
• 圧縮機の急速なサイクルを減らす
• 熱ポンプの稼働安定性を向上させる
• 臨時状態で熱エネルギーを供給する
• いくつかのシステム構成で解凍操作をサポートする

しかし水の量が多くても 自動的に良くなるとは限らない.

過剰なバッファ容量は増加する:

• 設置費用
• 空間要求
• スタンド熱損失
• システム温める時間

したがって,正しい容量は,熱ポンプ製造者の最低水量要求とプロジェクトの水力特性に基づいて決定されるべきです.

8. 熱ポンプ容量と水温の関係

現代のインバーター式熱ポンプは,動作条件に応じて出力を絶えず調整します.

暖房需要が増えると

高い負荷 → 高い必要熱出力

制御戦略に応じて,システムは次の方法で反応する.

• 圧縮機の周波数が高くなる
• 供給水の高温
• 流通量増加
• あるいはこれらの要因の組み合わせです

暖房需要が減ると:

低負荷 → 低熱ポンプ出力

だから...天気補償/屋外リセット制御熱ポンプの効率に重要です

暖房期間中,水温を不必要に高く保つ代わりに,制御器は,より穏やかな屋外環境では,供給水の目標温度を下げることができます.

供給水の温度が低い場合,コンプレッサーの引き上げが一般的には減少し,季節性熱ポンプの効率が向上します.

9典型的な単ループ熱ポンプ構成

実践的なシステムには,次の内容が含まれます.

空気から水への熱ポンプ
│
▼
循環ポンプ
│
▼
供給ヘッダー
│
│ │ │ │
▼ ▼ ▼ 
ラジエーター フルーツ
暖房
│ │
│ │ │ │
▼
返信ヘッダー
│
▼
熱ポンプ

システム設計に応じて,追加のコンポーネントには以下の要素が含まれます.

• 拡張船
• 自動換気機
• 安全バルブ
• 磁気汚れ分離器
• Yストレナー
• チェックバルブ
• 圧力計
• 温度センサー
• 流量計または流量スイッチ
• バランスバルブ
• ゾーンバルブ
• 差圧バイパスバルブ

これらのコンポーネントは必ずしもシステムを次要システムに変換するものではありません.

決定的な問題は,熱ポンプ回路と端末配送回路が水力的に直接接続されている.

10循環ポンプの選択は極めて重要です

循環ポンプは,液圧回路の総圧力低下を克服しながら十分な流量を提供しなければならない.

設計者は次のことを考慮すべきである.

必要な流量 + システム全体の抵抗 = 循環ポンプの動作点

総抵抗には以下のものが含まれる.

• 熱ポンプの水側熱交換器
• 供給・帰還管
• 配列
• フィルター
• バルブ
• マニフォールド
• ラジエーター
• 扇風機コイル
• 床暖房回路

可能な頭部をチェックせずに,名目流量に基づいてのみ選択されたポンプは,循環が不十分になる可能性があります.

また,大きすぎたポンプは,以下のような原因を引き起こすことがあります.

• 水の速度が過剰である
• ポンプのエネルギー消費量が高くなる
• 騒音
• バルブ制御の問題
• ΔT を減らせる

したがって,循環ポンプの選択は,常に実際のシステム液圧計算に基づいて行うべきである.

11常流と変流

単回路式熱ポンプシステムにおける最も重要な考慮事項の1つは,配送システムがほぼ恒定流量または変動流量で動作するかどうかである.

恒常または比較的安定した流れ

直接接続は,以下のような場合,比較的簡単です.

熱ポンプの必要な流量 ≈配送システム流量

例えば,ほとんどの回路が常に開いている簡単な床暖房装置では,比較的安定した水力状態が確保できます.

変数流量

複数の温度調節器とゾーンバルブが 独立して 異なる領域を制御するときに 状況はさらに複雑になります

例えば:

ゾーン1 オープン
熱ポンプ ──────── ゾーン2 閉鎖
│ │ 3号区 閉じる
4号区は閉鎖

複数のゾーンが閉鎖されると システム全体の流れが 大きく下がる可能性があります

熱ポンプの最低水流量を下回る可能性があります.

可能性のある結果には,以下が含まれます.

• 低流量保護アラーム
• 高い ΔT
• 水温が不安定
• 熱交換器の性能低下
• コンプレッサーの頻度
• 解凍性能が悪い

これは直接接続されたシステムの主要な限界の1つです

12. シングルループ水力熱ポンプシステムの利点

シンプル な 水力 設計

単回路システムでは,一般的に水力部品が少なくなります.

これは以下を減らすことができます.

• 装置の複雑さ
• ポンプ数
• パイプワーク
• 制御要件

初期コストが低い

液体分離と追加の配送ポンプは必要ないため,設備と設置コストは低くなります.

ポンプ エネルギー が 低下 する

適切に選択された高効率の循環ポンプが全システムに供給できれば,補助電力の消費量が削減できます.

液体混合を減らす

水力分離機とバッファタンクは,特定の動作条件下で混合を導入することができます.

正しく設計された直接システムでは,この混合効果なしに熱ポンプから出た水を直接暖房端に送ることができます.

これは低温熱ポンプの用途では有利である.

インバーター熱ポンプとの良好な互換性

水流量が必要な動作範囲内に留まる場合,インバーター熱ポンプは,効率的に建物負荷を追跡するために容量を調節することができます.

13単回路システムの限界

直接接続されたシステムは すべてのプロジェクトに適していません

主な制限は以下のとおりです.

熱ポンプ と 負荷 流れ は 互換 的 な もの で ある べき です

両側が同じ液圧回路を共有しているため,必要な熱ポンプ流量と端末流量との間に大きな差があるため,制御の問題が生じる可能性があります.

複数のゾーンが 流れの不安定を引き起こす

熱静止装置や電動閥を閉めると,システム全体の流量と圧力が変化します.

異なる 終端 温度 は より 難しい

以下のものを含む建物を考えてみましょう.

• 床暖房: 30~40°C
• 扇風機コイル:40°C~45°C
• ラジエーター: 45°C~55°C

これらの端末には異なる供給温度と異なる流量特性が必要である.

したがって,単純な直接接続ループは不十分である可能性があります.

ポンプ の サイズ が より 重要 に なり ます

熱ポンプと配送ネットワークの両方の圧力損失を克服するために,単一のポンプが必要かもしれません.

最低熱ポンプ流量は常に保護されなければならない.

現代の熱ポンプでは,通常最低稼働水流が指定されます.

この値を下回ると,信頼性の高い動作は保証できません.

14単回路式熱ポンプシステムが推奨されるのはいつですか?

単ループの配置は特に魅力的である場合:

• このシステムは比較的小さい
• 液体ネットワークはシンプルです
• 熱ポンプと端末流量要件は類似しています
• ほとんどのターミナルは,水温が同じで動作します
• 独立地域は少ない
• 流れは比較的安定している
• 熱ポンプの循環ポンプは十分な利用頭を持っています
• 熱ポンプの最小流量は常に維持することができます
• システム水量は,製造者の要求を満たす

典型的な用途には以下のものが含まれる.

熱ポンプ + 床暖房

あるいは

熱ポンプ + 1 つのメインファンコイル回路

あるいは

熱ポンプ + 低温散熱装置

15小学校・中学校制度を考えるべき時期は?

主要・二次水素系は以下のような場合により魅力的になる.

• 建物には多くの独立区域があります
• ターミナルフローは大きく異なります
• 異なる端末回路には異なる流量が必要である
• 水温が違う
• 配送ネットワークは高い水力抵抗を持っています
• 熱ポンプの循環ポンプは,ネットワーク全体を供給することはできません
• 複数の循環ポンプが必要です
• 複数の熱ポンプが連続して動作する
• 熱ポンプを通る安定した最小流量が保証されなければならない.

これらの場合,水力分離器または適切に設計されたバッファ装置は,暖房ポンプ側と建物配送側を水力的に分離することができます.

概念的には

熱源側 負荷側

熱ポンプ・ラジエーター
│ ▲ 
主要ポンプ │ 
│ 二次ポンプ │
▼ │ 
│ │ │ │ │ │ │ │
│ 液体 │ ◄────────────────────── │ マニフォールド │ │
│ 隔離器 │ │──────────
│ │ │ │
▲ ▼ 
│ 扇風機コイル
│
基本回路

強い水力相互作用なしに異なる流量で動作できます.

16シングルループ vs プライマリ・セカンドリー: どちらがより効率的ですか?

普遍的な答えはありません

よくある誤解は

"単回路システムでは ポンプが少ないので より効率的です"

もう"つの誤解は

"小学校と中学校は,より専門的なシステムだからです"

どちらも技術的に正しいものではありません.

システム効率は完全な水力設計に依存します

よく設計された直線システムは 非常にシンプルで効率的です

しかし,複雑なマルチゾーン装置を単一の液圧ループに押し込むことは,不安定な流量,過剰なサイクル,低温制御を引き起こす可能性があります.

逆に,シンプルな住宅システムに不要なバッファタンク,ポンプ,ミックス装置を追加すると,設置コストと寄生的な電力消費が増加します.

正確な原則は

必要な流量,温度,圧力,制御安定性を期待されるすべての動作条件下で維持できる最も単純な水力構造を使用する.

17よくある質問

シングルループ熱ポンプシステムとは?

A single-loop heat pump system is a hydronic configuration in which the heat pump and heating/cooling terminals share the same water circulation circuit without hydraulic separation between the heat source and load sides.

シングルループシステムにはバッファタンクが必要ですか?

いつもそうじゃない

バッファータンクは,最低システム水量,最小コンプレッサー動作時間,解凍要件,各プロジェクトに自動的に設置される代わりに,ゾーン化戦略と製造者の推奨事項.

一つの循環ポンプで システム全体を供給できるのか?

はい,ポンプが計算された総システムヘッドで必要な設計流量を供給し,同時に熱ポンプの必要な動作流量範囲を維持できる場合です.

シングルループシステムでは ラジエーターと床暖房を一緒に使用できますか?

水温と流量が 異なることが多いので 慎重に設計する必要があります混合回路や水力分離配送システムがより適している場合がある..

単回路式システムはインバーター式熱ポンプに適していますか?

そうです.インバーター熱ポンプは,正しく設計された直接接続システムで特にうまく機能します.最低水流量と最低システム容量の要件は依然として遵守されなければならない..

水力系では熱量を出力を決めるのは何ですか?

熱伝達は主に水の流れと供給回帰温度差によって決定されます.

Q ≈ 1.163 × 流量 × ΔT

したがって,熱ポンプ容量,端末容量,流量,ΔTを一緒に考慮する必要があります.

結論

A についてシングルループの水力熱ポンプシステム空気から水への熱ポンプを建物の暖房や冷却端末に接続する最も簡単な方法です

その主な特徴は,熱源と負荷側が同じ水力回路と循環水流を共有する.

熱ポンプと循環ポンプと端末システムが正しくマッチされている場合,この配置はいくつかの利点があります.

• シンプルな水力設計
• 設置コストの低さ
• 循環ポンプ の 減少
• 補助エネルギー消費量が低い
• 供給水をターミナルに直接供給する
• 低温暖房との優れた互換性

しかし 単純さ は 水力 工学 の 必要 を 排除 し て い ませ ん.

設計者は,次のことを確認しなければならない.

加熱/冷却負荷 → 熱ポンプ容量 → 設計 ΔT → 必要な水流量 → システム圧力低下 → ポンプ選択 → 最低流量 → 水量 → 制御戦略

これらのパラメータが適切に調整されたときのみ,直接接続された熱ポンプシステムが効率的かつ信頼性のある動作を行うことができます.

複合的な多ゾーンビル,変流システム,または異なる端末温度を使用する装置では,プライマリ・セカンドリー・ヒドロンシステムより良い水力安定性と制御を提供できる.

したがって,目的は,単回路系か,次要系系か,より普遍的に優れているかどうかを判断することではありません.

目的は,プロジェクトの実際の運用要件に最も適合する水力構造を選択することです.