単一ループのヒートポンプシステムは、シンプルで効率的、かつ費用対効果が高いものになり得ますが、それは水力条件がヒートポンプの運転要件の範囲内に収まっている場合に限られます。

実際の暖房および冷房プロジェクトでは、空調ヒートポンプは次のようなさまざまな種類の端末ユニットに接続される場合があります。

• 床暖房

• フィルターが汚れる

• ファンコイルユニット

• エアハンドリングユニットコイル

• その他の水熱暖房または冷房端末

これらの端末は常に同時に作動するとは限りません。

サーモスタットが設定値に達すると、ゾーンバルブが閉じられることがあります。ファンコイル制御バルブが変調されることがあります。フィルターが汚れることがあります。システム抵抗が変化することがあります。

その結果、ヒートポンプを流れる実際の水流量は設計流量と大きく異なる可能性があります効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

これは、直接接続または単一ループのヒートポンプシステムにおける最も重要なエンジニアリング上の課題の1つです。

1. なぜ水流量はヒートポンプにとってそれほど重要なのか？

すべての水熱ヒートポンプは、特定の運転条件下で設計およびテストされています。

これらには通常、次のものが含まれます。

• 外気温度

• 給水温度

• 戻り水温度

• 水流量

• 供給-戻り温度差、またはΔT

これらのパラメータの中で、水流量は水側熱交換器にとって特に重要です効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

基本的な熱伝達の関係は次のとおりです。

Q = m × Cp × ΔT

水ベースのHVACシステムの場合、これは次のように簡略化できます。

Q ≒ 1.163 × V × ΔT

ここで、

• Q = 熱伝達能力、kW

• V = 水流量、m³/h

• ΔT = 水温差、K

この方程式は、水流量とΔTを独立して考慮できない理由を説明しています。

所定の熱伝達率の場合：

低流量→高ΔT

と

高流量→低ΔT

2. 水流量が低すぎるとどうなるか？

ヒートポンプが次のように運転するように設計されていると仮定します。

設計水流量 = 4.0 m³/h

実際のシステム流量が20%減少した場合、流量は次のようになります。

3.2 m³/h

ヒートポンプが依然としてほぼ同じ量のエネルギーを伝達しようとしている場合、水側ΔTは増加する必要があります。

しかし、単一ループシステムでは、複数の2方弁を閉じるとシステム全体の流量が減少します。

設計条件

20 kW = 1.163 × 3.44 m³/h × 5 K

流量が約2.75 m³/hに低下し、熱伝達が20 kWのままである場合：

ΔT ≒ 6.25 K

したがって、システムは元の設計条件から離れて移動し始めます。

適度な偏差は管理可能である場合があります。

大きな偏差はそうでない場合があります。

3. 低水流量はヒートポンプの性能を低下させる可能性がある

不十分な水流量はΔTを増加させるだけではありません。

それは次のようなものに影響を与える可能性があります。

• 熱交換器の性能

• 冷媒凝縮圧力

• 冷媒蒸発温度

• コンプレッサーの運転条件

• 戻り水温度の安定性

• 暖房または冷房能力

• COP/EER

• 霜取り運転

• システムの信頼性

結果は暖房運転と冷房運転で異なります。

4. 暖房運転中の低流量

暖房モードでは、冷媒は凝縮器を介して循環水に熱を伝達します。

水流量が低すぎると、水は冷媒側熱交換器から十分に速く熱を除去できません。

これにより、戻り水温度が急速に上昇する可能性があります。

同時に、冷媒の凝縮温度と圧力が増加する可能性があります。

重度の場合は、ヒートポンプが次のような状態になる可能性があります。

• 高圧保護

• 過度の吐出温度

• 不安定な戻り水温度

• コンプレッサーのサイクリング

• 運転効率の低下

• 熱交換器保護アラーム

正確な応答は、ヒートポンプの冷凍サイクルと制御ロジックによって異なります。

暖房モード – 簡略化された関係

↓

単一ループヒートポンプシステムの試運転前に、次のことを確認してください。
↓
十分な水流量
↓
安定した熱伝達
↓
安定した凝縮圧力
↓
通常の運転

不十分な流量

単一ループヒートポンプシステムの試運転前に、次のことを確認してください。
↓
水流量の減少
↓
熱除去の減少
↓
高い水側ΔT
↓
高い凝縮温度/圧力
↓
高圧保護の可能性

これが最小流量を維持することが不可欠な理由です。

5. 冷房中は低流量がさらに重要になる可能性がある

冷房運転中、ヒートポンプは循環水から熱を除去します。

水側熱交換器はここで蒸発器として機能します。

水流量が低すぎると、熱交換器内の水温が過度に低下する可能性があります。

これにより、

低水流量 → 低蒸発温度 → 凍結のリスク

が発生する可能性があります。

状態が深刻になると、プレート熱交換器内の水が凍結する可能性があります。

氷の膨張は熱交換器を機械的に損傷する可能性があります。

損傷したプレート熱交換器は、水が冷媒回路に入る可能性があるため、これは深刻な故障です。

• したがって、冷房システムでは特に次の点に注意が必要です。

• 最小水流量

• 流量スイッチ保護

• 戻り水温度保護

• 凍結防止

• 水質

• 必要に応じたグリコール濃度

ポンプ運転ロジック

6. 設計流量は必ずしも実際の運転流量ではない

これは単一ループシステム設計における最も重要な概念の1つです。

試運転中、すべての端末回路が開いている場合があります。

しかし、単一ループシステムでは、複数の2方弁を閉じるとシステム全体の流量が減少します。

例：

ヒートポンプ設計流量：4.0 m³/h

測定された試運転流量：4.1 m³/h

すべて正常に見えます。

しかし、建物が通常の運転を開始した後はどうなるでしょうか？

システムに6つのファンコイルユニットが含まれていると仮定します。

全負荷時：

FCU 1 + FCU 2 + FCU 3 + FCU 4 + FCU 5 + FCU 6 = 十分な総流量

その後、5つの部屋がサーモスタット設定値に達します。

5つの電動バルブが閉じられます。

アクティブなファンコイルは1つだけです。

システムの水力抵抗は劇的に変化します。

ヒートポンプは、必要な最小水流量よりもはるかに少ない流量しか受け取らなくなる可能性があります。

これは意味します：

試運転中に正常に動作するシステムでも、部分負荷条件下では正常に動作しない場合があります。

これは、建物が暖房シーズンのかなりの割合を部分負荷で運転するため、特にインバーターヒートポンプにとって重要です。

7. 端末ユニットは可変水力抵抗を生み出す

しかし、単一ループシステムでは、複数の2方弁を閉じるとシステム全体の流量が減少します。

例：

床暖房

• 流量は次の要因に影響されます。

• アクティブなループの数

• マニホールドのバランス調整

• 配管長

• 配管径

• アクチュエータの位置

• 混合バルブ

サーモスタット制御

ファンコイルユニット

• 流量は次の場合に変化する可能性があります。

• 2方弁が閉じる

• 制御バルブが変調する

• ファンコイル分岐が隔離される

フィルターが汚れる

ラジエーター

• 流量は次のように変動する可能性があります。

• サーモスタット付きラジエーターバルブ

• バランスバルブ

• ポンプエネルギー

差圧したがって、設計者は計算するだけでなく、効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

を考慮する必要があります。水力システムは、効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

下でも評価する必要があります。

8. なぜ循環ポンプの選定が難しくなるのか

直接接続システムでは、1つの循環ポンプが次の圧力抵抗を克服する必要がある場合があります。

ヒートポンプ + 配管 + バルブ + フィルター + マニホールド + 端末ユニット

したがって、必要なポンプ運転点は次のようになります。

設計流量 + 総揚程

しかし、端末抵抗は必ずしも一定ではありません。

バルブが閉じると、システム抵抗曲線が変化します。

これが、単に「より大きなポンプ」を選択するだけでは常に良い解決策ではない理由です。

• 過剰な循環ポンプは次のような結果を招く可能性があります。

• 過剰な流量

• 差圧

• 流量ノイズ

• バルブの権威の問題

• ポンプの電力消費量の増加

• システムΔTの低下

制御の不安定性の低下

目標は最大のポンプを選択することではありません。

目標は、予想される水力範囲全体で正しく動作できるポンプを選択することです。

9. なぜ最小ヒートポンプ流量は常に保護されなければならないのか

しかし、単一ループシステムでは、複数の2方弁を閉じるとシステム全体の流量が減少します。

例：

設計流量：4.0 m³/h

許容最小流量：2.5 m³/h

システム設計者は、複数の端末ゾーンが閉じられている場合でも、実際のヒートポンプ流量が2.5 m³/hを下回らないようにする必要があります。

これは、全負荷時に設計流量が利用可能であることを確認するだけとは根本的に異なります。

したがって、良好な水力設計は次の2つの質問に答える必要があります。

質問1

システムは最大負荷時に必要な設計流量を提供できますか？

質問2

システムは最小負荷時にヒートポンプの最小必要流量を維持できますか？

両方の条件が重要です。

10. なぜ流量スイッチが必要なのか – しかし十分ではない

ヒートポンプを保護するために、一般的に流量スイッチが設置されます。

その目的は単純です。

十分な流量 → ヒートポンプ運転許可

不十分な流量 → ヒートポンプ停止/保護

これは重要な安全装置です。

しかし：

流量スイッチはヒートポンプを不良な水力条件から保護しますが、水力条件を修正するわけではありません。

この区別は非常に重要です。

端末バルブが継続的に水流量を最小要件以下に減らすと、流量スイッチはヒートポンプを繰り返し停止させる可能性があります。

機器は保護されていますが、暖房システムは依然として正しく機能していません。

したがって、流量保護と水力設計を混同してはなりません。

11. 2方弁と部分負荷の問題

2方弁は現代のHVACシステムで広く使用されています。

部屋が暖房を必要とする場合：

サーモスタットON → バルブ開 → 水流動

部屋が設定値に達した場合：

サーモスタットOFF → バルブ閉 → 水流停止

これにより、部屋レベルで優れた制御が可能になります。

しかし、単一ループシステムでは、複数の2方弁を閉じるとシステム全体の流量が減少します。

例：

全負荷
6つのゾーンが開いている
→ 100% 設計流量

→ ヒートポンプは正常に運転する

部分負荷
3つのゾーンが開いている
→ 流量減少

→ ヒートポンプはまだ正常に運転する可能性がある

最小負荷
1つのゾーンが開いている
→ システム流量が非常に少ない

→ ヒートポンプの最小流量が満たされない可能性がある

これは、マルチゾーン直接接続システムで最も一般的な水力上の課題の1つです。

12. 差圧バイパスバルブ考えられる解決策の1つは、効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

です。

バイパスは供給管と戻り管の間に設置されます。

端末バルブが開いている場合：

差圧低 → バイパス閉

水は端末を流れます。

端末バルブが閉じると：

システム抵抗↑

差圧↑

バイパスバルブは徐々に開きます。

供給水の С часть затем обходит терминальную систему и возвращается непосредственно к тепловому насосу.

これにより、最小循環を維持するのに役立ちます。

簡略化されたロジック

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

戻り

しかし、端末流量が減少すると：

供給 → 差圧バイパス → 戻り

これは、最小ヒートポンプ流量を保護するのに役立ちます。

ただし、バイパス流量は適切に設計する必要があります。過剰なバイパスは、暖房中に戻り水温度を上昇させ、建物への有用な熱供給を低下させる可能性があるためです。

13. 3方弁はより一定の流量を維持できる

別の方法は、3方制御バルブを使用することです。

水流を単純に停止する2方弁とは異なり、3方構成はバイパス経路を通して流量をリダイレクトできます。

概念的に：

部屋が暖房を必要とする場合

供給 → 端末 → 戻り

部屋が暖房を必要としない場合

供給 → バイパス → 戻り

これにより、より安定した一次循環流量を維持できます。

しかし、3方弁は継続的なバイパス流量も発生させ、ポンプのエネルギー消費量を増加させる可能性があります。

したがって、2方弁と3方弁の選択は、コンポーネントの好みではなく、完全な水力設計に基づいて行う必要があります。

14. 可変速ポンプには適切な制御ロジックが必要

可変速循環ポンプは、水力システムの効率を大幅に向上させることができます。

• 一般的な制御モードには次のものがあります。

• 定速

• 定差圧

• 比例差圧

• 外部0-10V制御

• PWM制御

ヒートポンプ統合可変速制御

端末バルブが閉じると、可変速ポンプは速度を下げることができます。

• これにより、次のものを削減できます。

• ポンプエネルギー

• 差圧

• 流量ノイズ

バルブストレス

ただし、ポンプは、ヒートポンプ流量が要求される最小値を下回らないように、速度を下げすぎないようにする必要があります。

したがって：

可変ポンプ制御 ≠ 無制限の流量削減

ヒートポンプの最小流量要件は、依然として支配的な制約です。

15. フィルターとストレーナーもヒートポンプ流量に影響を与える

流量の問題は、常に制御バルブによって引き起こされるわけではありません。

汚れたYストレーナーまたは磁気ダートセパレーターは、システム圧力損失を徐々に増加させる可能性があります。

進行は次のようになります。

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

通常の流量

その後：

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

ヒートポンプの性能問題

• これが、試運転とメンテナンスに次のものが含まれる理由です。

• 流量測定

• 供給/戻り圧力測定

• フィルター点検

• ストレーナー清掃

• 空気抜き

水質検査

新品時に正常に動作したシステムでも、汚染や閉じ込められた空気のために、後に水力上の問題が発生する可能性があります。

16. 水力回路内の空気も流量を低下させる可能性がある

• 空気の蓄積は次の原因となる可能性があります。

• 実効流量の減少

• ポンプのキャビテーション

• 騒音

• 不均一な暖房

• 局所的な循環問題

流量スイッチアラーム

したがって、自動エアベント、エアセパレーター、適切なシステム圧力、および適切な試運転手順は、ヒートポンプの水力設計の重要な部分です。

17. 暖房と冷房は別々に評価する必要がある

リバーシブル空調ヒートポンプは、水力的に暖房モードのみで評価されるべきではありません。

暖房と冷房は異なるリスクを生み出します。

冷房モード

不十分な流量の主な懸念：

熱放出不良 → 高い凝縮温度/圧力

冷房モード

不十分な流量の主な懸念：

過度の水冷却 → 低い蒸発温度 → 凍結リスク

したがって、暖房で許容されるシステムは、冷房でも自動的に安全であるとは限りません。

• これは、特に次のものを使用するシステムで重要です。

• ファンコイル

• 冷水AHU

• 放射冷却

低温プロセス冷却

18. 実用的なエンジニアリングチェックリスト

単一ループヒートポンプシステムの試運転前に、次のことを確認してください。

ヒートポンプ
✓ 設計水流量
✓ 許容最小流量
✓ 許容最大流量
✓ システム水量の最小値
✓ 暖房戻り水温度

✓ 冷房戻り水温度

循環ポンプ
✓ 設計流量
✓ 利用可能な揚程
✓ 制御モード
✓ 最小速度

✓ ポンプ曲線

水力ネットワーク
✓ 配管径
✓ 総圧力損失
✓ バルブ抵抗
✓ フィルター抵抗
✓ 端末圧力損失

✓ 水力バランス調整

端末制御
✓ ゾーン数
✓ 2方弁または3方弁
✓ 開回路の最小数
✓ 部分負荷流量

✓ バイパス要件

保護
✓ 流量スイッチ
✓ 凍結防止
✓ 高圧保護
✓ 自動エアベント
✓ 膨張タンク

✓ 安全弁

最も重要なこと：

最大負荷と最小負荷の両方で水力システムを確認してください。

19. 最も重要な設計原則

単一ループヒートポンプシステムでは、ヒートポンプと建物の配電網は水力的に接続されています。

つまり、端末側のあらゆる変化がヒートポンプに影響を与える可能性があります。

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

冷凍運転条件が変化します。

↓

能力、効率、信頼性が変化する可能性があります。

これが、水力設計をヒートポンプ選定から分離できない理由です。

結論

単一ループの水熱ヒートポンプシステムは、住宅および小規模商業の暖房および冷房にシンプルで非常に効率的なソリューションを提供できます。しかし、成功した運転は効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

に大きく依存します。

設計者は、公称ヒートポンプ能力だけでなく、次のことも考慮する必要があります。

設計流量 → 最小流量 → ΔT → 圧力損失 → ポンプ選定 → 端末抵抗 → ゾーン制御 → バイパス戦略 → システム保護

ヒートポンプは、試運転中にすべての端末が開いている場合は完璧に動作するかもしれませんが、建物が部分負荷運転に入ると不安定になる可能性があります。

したがって、ヒートポンプシステム設計における最も重要な原則の1つは次のとおりです。

全負荷のみを設計しないでください。水力システムを全運転範囲で設計してください。予想されるすべての運転条件下でヒートポンプを流れる十分な水流量を維持することは、効率、快適性、コンプレッサーの信頼性、凍結防止、および長期的なシステム性能

にとって不可欠です。

FAQ: 単一ループヒートポンプシステム設計

ヒートポンプの水流量が低すぎるとどうなりますか？

低水流量は水側温度差を増加させ、熱交換器の性能を低下させる可能性があります。暖房モードでは、深刻な低流量条件は高凝縮圧力と保護アラームに寄与する可能性があります。冷房モードでは、不十分な流量は過度に低い水温と蒸発温度のリスクを高める可能性があります。

なぜヒートポンプは最小水流量を必要とするのですか？

最小流量は、水側熱交換器が過度の温度変化や不安定な冷媒運転条件なしに、必要な熱エネルギーを継続的に伝達できることを保証します。

より大きな循環ポンプは低流量の問題を解決できますか？

必ずしもそうではありません。ポンプ選定は、必要な流量とシステム揚程の両方を考慮する必要があります。過剰なポンプは、根本的な水力設計問題を修正することなく、エネルギー消費量、騒音、差圧を増加させる可能性があります。

ゾーンバルブが閉じると、なぜヒートポンプ流量が減少するのですか？

2方ゾーンバルブを閉じると、配電システムの水力抵抗が増加し、並列の流れ経路がなくなります。より多くのゾーンが閉じられると、システム全体の流量が大幅に減少する可能性があります。

流量スイッチは不十分な水流量の問題を解決しますか？

いいえ。流量スイッチは主に保護装置です。循環が不十分になった場合にヒートポンプを停止させることができますが、低流量の水力原因を修正するわけではありません。

差圧バイパスバルブはいつ検討すべきですか？

端末バルブが閉じられ、ヒートポンプを流れる最小循環を維持する必要がある可変流量直接接続システムでは有用な場合があります。その設定とバイパス流量は、任意に選択するのではなく、工学的に設計されるべきです。

単一ループシステムは複数の暖房ゾーンに適していますか？