を設計するとき、空気から水へのヒートポンプシステム重要な決定の 1 つは、ヒート ポンプを建物の冷暖房ターミナルにどのように油圧接続するかです。

比較的単純な住宅および軽商業用途の場合、シングルループ温水システム、としても知られています直結型ヒートポンプシステム、広く使用されています。

その原理は簡単です。

ヒートポンプ → 循環ポンプ → 冷暖房端末 → ヒートポンプ

ヒートポンプとターミナルユニットは、熱源側と負荷側を水圧分離することなく、同じ循環水ループを共有します。

この配置には明らかな利点があり、コンポーネントの数が減り、配管が簡素化され、初期コストが削減され、潜在的にポンピング エネルギーが削減されます。

ただし、シンプルさはエンジニアリング上の重要な課題も生み出します。

ヒートポンプとターミナルは同じ水流を共有するため、負荷側の変化はヒートポンプの動作条件に直接影響します。

シングルループ システムがプロジェクトにとって適切なソリューションであるかどうかを判断する前に、このトレードオフを理解することが不可欠です。

1. シングルループ温水ヒートポンプシステムとは何ですか?

シングルループ システムでは、1 つの共通の水回路がヒート ポンプを次のような端末機器に直接接続します。

• 床暖房

• ファンコイルユニット

• 低温ラジエーター

• エアハンドリングユニットコイル

• その他の温水加熱または冷却端末

多くの設備では、1 つの循環ポンプがヒート ポンプと配水ネットワークの両方に必要な水流を提供します。

これはつまり：

ヒートポンプ流量 ≈ ターミナルシステム流量

これは、ヒートポンプ回路とターミナル回路が異なる流量で動作できる、油圧的に分離されたシステムや一次-二次システムとは根本的に異なります。

シングルループ構成の単純さは、その最大の利点であると同時に主な制限でもあります。

2. 利点: シンプルな油圧アーキテクチャ

最初の大きな利点はシンプルさです。

適切に設計された単一ループ システムには、次のものだけが必要です。

ヒートポンプ + 循環ポンプ + 配電網 + 端末装置

安全性、拡張、濾過、制御のために追加のコンポーネントが依然として必要ですが、基本的な油圧アーキテクチャは依然として単純です。

より複雑なシステムと比較すると、これは次のことを意味します。

• 循環ポンプの削減

• 配管の削減

• 制御コンポーネントの削減

• より簡単な設置

• コミッショニングが容易になる

• 初期投資の削減

• ポンプ間の潜在的な油圧相互作用の問題が減少します

主暖房回路が 1 つある小規模な住宅プロジェクトの場合、このシンプルさは非常に魅力的です。

3. 利点: 循環ポンプのエネルギーが低い

ヒートポンプの効率は、コンプレッサーの COP のみを使用して評価しないでください。

最終的には建物が消費した電力を支払います。完全なシステム。

これには以下が含まれます。

ヒートポンプ + 循環ポンプ + 制御装置 + 補助ヒーター + その他のアクセサリ

したがって、循環ポンプのパワーが重要になります。

たとえば、次のように想像してください。

ヒートポンプ入力電力 = 4.0 kW

そして：

循環ポンプ入力 = 0.3 kW

完全なシステムは実際に次のようなものを消費します。

4.3kW

不要なポンプを追加すると、公表されているヒートポンプの COP が変わらない場合でも、システム全体の効率が低下します。

最新のインバーター ヒート ポンプの効率が向上するにつれて、これはますます重要になります。

コンプレッサーの効率が向上すると、補助電力消費量がシステム全体の電力消費量に占める割合が大きくなります。

4. 大型ポンプがエネルギーを浪費する理由

実際の設置では、ターミナルネットワークの正確な油圧抵抗が常にわかっているわけではありません。

したがって、設計者または設置者は、十分な流量を確保するために、より大きな循環ポンプを選択する場合があります。

推論は理解できます。

「流量が少なすぎるより、流量が多すぎる方が安全です。」

しかし、エネルギー効率の観点から見ると、これは必ずしも正しいとは限りません。

循環ポンプが大きすぎると、次の原因が発生する可能性があります。

• 過剰な電力消費

• より高い差圧

• 過剰な水流速度

• パイプとバルブの騒音

• 低減システムΔT

• バルブの権限が不十分

• 不要なバイパス流

したがって、単に大型のモデルを選択することだけで循環ポンプを選択することはできません。

正しいエンジニアリングアプローチは次のとおりです。

必要な流量 + システム圧力降下 → ポンプ動作点

5. ポンプエネルギーは部分負荷時に特に重要になります

ほとんどの暖房システムは、暖房シーズン全体を通じて設計負荷全体で動作するわけではありません。

屋外の温度変化。

部屋は設定値に達します。

太陽光発電のゲインが増加します。

一部のゾーンは閉鎖されます。

ヒートポンプはコンプレッサーの周波数を下げます。

その結果、建物は長期間にわたって設計暖房能力のほんの一部しか必要としない可能性があります。

完全なシステムが次の目的で設計されたとします。

3m3/h

ただし、部分負荷状態では、アクティブ端末に必要なのは次のものだけです。

1m3/h

固定速度の循環ポンプや制御が不十分な大型循環ポンプは、ターミナル システムが実際に必要とする流量よりもはるかに高い流量で動作し続ける可能性があります。

ポンプは水を循環させるために電力を消費しますが、追加の有用な熱伝達はほとんどありません。

これにより、システム全体の季節効率。

6. 利点: 2 つの回路間で油圧の混合が不要

直結システムのもう 1 つの重要な利点は、通常、ヒート ポンプとターミナルの間に油圧分離がないことです。

建物から戻った水は直接ヒートポンプに戻ります。

これにより、一次流量と二次流量が異なる場合に一部の一次-二次配置で発生する可能性のある混合が回避されます。

ヒートポンプの効率は水温に大きく影響されるため、これは特にヒートポンプに当てはまります。

一般的に：

必要な暖房水温度の低下 → コンプレッサーの揚程の低下 → ヒートポンプ効率の向上

したがって、不必要な混合により戻り水の温度が上昇したり、より高いヒートポンプの流出水温度が必要になったりすると、効率が低下する可能性があります。

正しく設計された直接接続システムは、非常にクリーンな熱経路を提供できます。

ヒートポンプ → ターミナル → ヒートポンプ

不必要な中間混合なし。

7. 利点：低温加熱に優れたポテンシャル

シングルループシステムは特に良好に動作します。床暖房。

床暖房では通常、比較的低い供給水温度が必要であり、多くの場合、従来のラジエーター システムよりも大幅に低くなります。

これは、空気から水へのヒートポンプにとって有益です。

たとえば、システムは次のような環境で動作します。

35℃の給水

一般に、以下を必要とするヒート ポンプよりも効率的にヒート ポンプを動作させることができます。

55℃給水

同等の屋外条件下で。

したがって、インバーターヒートポンプと適切に設計された低温床暖房ネットワークを簡単に直接接続することが効率的なソリューションとなります。

ただし、重要な条件が 1 つあります。

最終流量特性は、ヒートポンプの必要な動作流量と互換性を維持する必要があります。

8. 主な制限: ヒートポンプとターミナルフローは連動している

これは理解すべき最も重要な概念です。

シングルループシステムの場合:

ヒートポンプ流量＝分配流量

より正確には、両側が同じ油圧回路の一部です。

これは、設計者がヒートポンプの流れとターミナルの流れを個別に最適化できないことを意味します。

簡単な例を考えてみましょう。

ある動作条件では:

ヒートポンプの最適流量 = 3 m3/h

すべての端子回路がオープンになります。

システムは完璧に機能します。

その後、ほとんどの部屋が設定温度に達します。

1 つのターミナル ゾーンだけがアクティブのままになります。

そのゾーンに必要なのは次のもののみです。

1m3/h

今、紛争が起きています。

ヒートポンプは次のことを好む可能性があります。

3m3/h

一方、建物には現在次のものが必要です。

1m3/h

直接接続されたシステムでは、当然ながら 2 つの異なる流量を同時に提供することはできません。

これは、シングルループシステムの基本的な油圧制限です。

9. 変動する建築荷重が問題を引き起こす理由

現実の建物は常に変化します。

システムには 6 つの加熱ゾーンが含まれる場合があります。

最大負荷時:

6 ゾーンオープン → 高ターミナルフロー

中負荷時:

3 ゾーンオープン → 下ターミナルフロー

最小負荷時:

1 ゾーンオープン → 非常に低いターミナルフロー

しかし、ヒートポンプには依然として最小水流要件があります。

したがって：

ターミナルフロー↓

必ずしも次のことを意味するわけではありません:

ヒートポンプ必要流量↓同量

この不一致は、独立して制御される場合に特に重要になります。

• 床暖房ゾーン

• ファンコイルユニット

• サーモスタットラジエターバルブ

• 電動二方弁

10. ヒートポンプには独自の最適な運転流量があります

以下を区別することが重要です。

最小許容流量

そして

最適・設計フロー。

通常、最小流量は保護限界です。

設計フローは、ヒート ポンプが特定のテストまたは設計条件下で指定された熱性能を達成することを目的としたフローです。

特定の熱伝達率の場合:

Q ≈ 1.163 × V × ΔT

どこ：

• Q = 熱伝達能力、kW

• V = 水流量、m3/h

• ΔT = 供給と戻りの温度差、K

流量を変化させると、ΔT と熱交換器の動作条件が変化します。

したがって、目的は単純に次のとおりであってはなりません。

「機械が警報を出さないように、十分な水を流しておいてください。」

より良い目標は次のとおりです。

「効率的かつ安定した運転のために適切な油圧条件を維持してください。」

11. ターミナル側にも最適なフローがある

同じ原理が建物の端末にも当てはまります。

床暖房ループ、ラジエーター、またはファン コイルでは、常に最大の水流を必要としません。

必要なフローは以下によって異なります。

• 現在の部屋の負荷

• 給水温度

• 必要な熱出力

• 端子の熱伝達特性

• コントロールバルブの位置

• 室内設定値

負荷が減少すると、ターミナル側は流量が減少することで恩恵を受ける可能性があります。

ただし、ヒートポンプとターミナルシステムが同じ循環ループを共有している場合、ターミナル流量を減らすとヒートポンプ流量も減少します。

これにより、制御上の妥協が生じます。

12. 基本的なシングルループのトレードオフ

問題を非常に簡単に要約することができます。

ヒートポンプの要件

「効率的かつ安全に運用するには十分な流量が必要です。」

端末要件

「現在の建物の負荷を満たすのに十分な流量だけが必要です。」

シングルループシステム

「同じ油圧の流れを共有する必要があります。」

このため、単一ループ システムは適切な条件下では非常に効率的ですが、負荷の変動やゾーニングが複雑になると柔軟性が低下します。

13. ポンプのサイズを大きくしても問題が完全に解決されない理由

一般的な解決策は、より大型の循環ポンプを設置することです。

これにより、多くの端子が開いているときに、適切なヒート ポンプの流れが保証されます。

しかし、最終的な需要が小さくなると、ポンプは必要以上に大量の水を循環させる可能性があります。

これにより、次のような問題が発生する可能性があります。

ポンプ出力の増加 → 補助消費量の増加 → システム全体の効率の低下

また、ターミナルバルブが閉じるときに過剰な差圧が発生する可能性があります。

したがって、ポンプのサイズを大きくしすぎると、1 つの問題が解決される一方で、別の問題が発生する可能性があります。

14. 可変速ポンプが状況を改善する

最新の ECM 可変速度循環ポンプは、固定速度の特大ポンプよりも優れたソリューションを提供します。

システムに応じて、ポンプ制御は以下を使用する場合があります。

• 一定差圧

• 比例差圧

• PWM制御

• 0～10V信号

• ヒートポンプ一体型制御

これにより、システム負荷が減少するにつれてポンプ速度が低下します。

潜在的な利点は次のとおりです。

• ポンプの電力消費量の削減

• 水流速度の低下

• より低い差圧

• ノイズが少ない

• 部分負荷効率の向上

ただし、可変速ポンピングは根本的な制限を完全に取り除くわけではありません。

システムには依然として油圧回路が 1 つだけあります。

ポンプは依然として以下の間の妥協点を見つける必要があります。

ヒートポンプ必要流量

そして

端末に必要な流れ

15. ポンプ電力をシステム効率に含める必要がある理由

さまざまな油圧構成を比較する場合、ヒートポンプの COP を超えて考えることが役立ちます。

考慮する：

有効熱出力 = 12 kW

ヒートポンプ電力:

3.0kW

循環ポンプ電力:

0.3kW

ヒートポンプのみに注目すると、次のようになります。

COP = 12 ÷ 3.0 = 4.0

ただし、ポンプ動力が含まれる場合は次のようになります。

システムCOP = 12 ÷ (3.0 + 0.3)

≈3.64

この簡略化された例は、重要な点を示しています。

補助電力消費は、システム全体の効率に重大な影響を与える可能性があります。

高効率ヒートポンプの場合、ポンプの選択と制御には細心の注意が必要です。

16. シングルループシステムは、適切な条件下では非常に効率的になる可能性があります

これらの制限は、単一ループ システムが非効率であることを意味するものではありません。

まったく逆です。

適切に設計された直接接続システムは、次の場合に最も効率的なソリューションの 1 つとなります。

• 油圧抵抗は予測可能です

• ターミナルフローは比較的安定しています

• ヒートポンプとターミナル設計のフローは互換性があります

• 独立したゾーンがほとんど使用されていない

• 水温要件は同様です

• 適切なサイズの可変速ポンプが使用されている

• ヒートポンプの最小流量を常に維持可能

このような状況では、アーキテクチャのシンプルさが大きな利点となります。

17. シングルループシステムが最適なのはどのような場合ですか?

シングルループ構成は、以下の場合に特に魅力的です。

小規模住宅システム

特に一次加熱回路が 1 つある場合。

床暖房

特に、ほとんどのループが開いたままで、同様の温度で動作する場合。

低温ラジエーター

油圧流量要件がヒートポンプと互換性がある場合。

シンプルなファンコイルシステム

ただし、ターミナル流量が変化してもヒートポンプの最小流量が損なわれないことが条件です。

シンプルさが重要なプロジェクト

ポンプと油圧コンポーネントの数が少ないため、設置とメンテナンスが容易になります。

18. シングルループシステムが適切でなくなるのはいつですか?

次の場合、直接接続システムはより慎重に評価する必要があります。

• 独立したゾーンがたくさんある

• ターミナルの流れが大きく変わる

• ほとんどのバルブは同時に閉じる可能性があります

• 端子回路が異なれば、必要なフローも大きく異なります

• 床暖房、ラジエーター、ファンコイルを一体化

• 異なる供給温度が必要です

• 分配圧力損失が高い

• 複数の循環ポンプが必要

• 複数のヒートポンプがカスケードで動作

• ヒートポンプの最小流量を保証するのは困難

このような状況では、水圧分離により制御が向上する可能性があります。

19. シングルループと一次-二次ループは「良いか悪いか」の問題ではありません

よくある間違いは、決定を次のように扱うことです。

シングルループ = シンプル/安価

そして

初等中等教育 = プロフェッショナル / より優れた

これは間違いです。

どちらのアーキテクチャにも有効なアプリケーションがあります。

正しい質問は次のとおりです。

熱源は、予想される動作範囲全体にわたって負荷側と同じ流量を必要としますか?

答えが一般的に「はい」である場合は、直接接続が優れた解決策である可能性があります。

答えが「いいえ」である場合が多い場合、水圧分離はさらに魅力的になります。

20. 利点と制限の概要

21. エンジニアはシングルループ システムを選択する前に何を確認する必要がありますか?

直結油圧アーキテクチャを選択する前に、以下を計算または検証してください。

ヒートポンプ側

• 水の流れを設計する

• 最小許容水流量

• 最大許容流量

• 必要なΔT

• 水側圧力損失

• 最小システム水量

流通側

• 端末フローの設計

• 最小端子流量

• ゾーンの数

• パイプの圧力降下

• バルブ圧力降下

• 末端圧力降下

• 最大および最小のアクティブ回路

循環ポンプ

• 設計フロー

• 使用可能なヘッド

• ポンプ効率

• 可変速機能

• 部分負荷制御戦略

システム運用

• 全負荷流量

• 部分負荷流量

• 最小負荷流量

• 暖房運転

• 冷房運転

• 霜取り運転

油圧アーキテクチャは、これらの動作条件を理解した後にのみ選択する必要があります。

22. 最も重要なエンジニアリング原則

シングルループ システムの利点と制限は、まったく同じ特性から生じます。

ヒートポンプとターミナルシステムは、1 つの共通の水回路によって油圧的に接続されています。

これにより、以下が提供されます。

シンプル + 少ないポンプ + 少ない混合

ただし、次のものも作成されます。

フローカップリング + 限定された油圧独立性

矛盾はありません。

それは単にエンジニアリング上のトレードオフです。

結論

あシングルループ温水ヒートポンプシステムヒートポンプとターミナルシステムに互換性のある油圧要件がある場合、シンプルで信頼性が高く、エネルギー効率の高いシステムを実現できます。

その主な利点は次のとおりです。

シンプルな構造 + ポンプ数の削減 + 補助消費量の削減 + 不必要な油圧混合なし

その主な制限も同様に明らかです。

ヒートポンプと建物のターミナルは、水の流れを独立して制御できません。

建物の負荷が変化すると、ターミナルに必要な最適な流量がヒートポンプに必要な流量と大きく異なる場合があります。

これが、循環ポンプの選択、ゾーニング戦略、および部分負荷の水理解析が非常に重要である理由です。

単純な住宅用床暖房やその他の比較的安定した温水用途には、直接接続が優れた選択肢となります。

流量が非常に変動し、複数の端子タイプまたは異なる温度要件を備えた複雑なマルチゾーン システムの場合、水圧分離または一次-二次アーキテクチャにより、より優れたシステム制御が提供される可能性があります。

エンジニアリングの目的は、システムをできるだけ単純にすること、またはできるだけ複雑にすることではありません。

それは次のようになります:

最も単純な油圧アーキテクチャを使用することで、ヒート ポンプとターミナル システムが全負荷範囲にわたって効率的、安全かつ確実に動作できるようになります。

よくある質問

シングルループヒートポンプシステムはより効率的ですか?

そうかもしれません。循環ポンプの数を減らし、油圧混合を減らすことで、システム全体の効率を向上させることができます。ただし、ポンプのサイジングが適切でなかったり、部分負荷時の流量の不一致が大きかったりすると、これらの利点が損なわれる可能性があります。

循環ポンプの動力はなぜ重要ですか?

ポンプは完全な加熱システムの一部として動作し、電力を消費します。ヒートポンプ自体が高い COP を維持している場合でも、ポンプ出力が過剰になるとシステム全体の効率が低下します。

循環ポンプは大きいほうが安全ですか?

必ずしもそうとは限りません。サイズが大きすぎると、電力消費量、差圧、水流速度、騒音が増加する可能性があります。ポンプの選択は、計算された流量と揚程の要件に基づいて行う必要があります。

床暖房がシングルループヒートポンプシステムに適しているのはなぜですか?

床暖房は通常、低い水温で動作し、適切に設計されていれば比較的安定した流れを提供でき、どちらも空気から水へのヒートポンプ効率にとって有利です。

シングルループシステムの最大の欠点は何ですか?

ヒートポンプとターミナルシステムは同じ油圧回路を共有しているため、異なる流量で独立して動作することはできません。これは、変動性の高いマルチゾーン システムでは問題になる可能性があります。

プライマリ-セカンダリ システムはどのような場合に検討する必要がありますか?

ヒートポンプとターミナル回路が大幅に異なる、または独立して変化する流量を必要とする場合、複数のポンプが必要な場合、または建物に複雑なゾーニングが含まれておりターミナル温度が異なる場合は、評価する必要があります。