Eine 4-Rohr-Heiz- und Kühlanlage enthält sowohl zentrale Heiz- als auch Kühlgeräte und ist in der Lage, Heizwasser und Kühlwasser gleichzeitig über vier Rohre (ein Heizwasservorlauf, ein Heizwasserrücklauf, ein Kaltwasservorlauf und eins) an das Gebäude zu liefern Kaltwasserrücklauf). Heiz- und Kühlgeräte innerhalb des Gebäudes, die an ein 4-Rohr-System angeschlossen sind, haben vier Rohranschlüsse, es sei denn, das Gerät liefert entweder nur Heizen oder nur Kühlen. In diesem Fall hätte das Gerät nur zwei Rohranschlüsse.
Die obige Abbildung ist ein schematisches Diagramm der Rohrleitungen für eine Heiz- und Kühlanlage mit 4 Rohren, die zwei kondensierende Heißwasserkessel und zwei wassergekühlte Kältemaschinen verwendet. Die Pumpenanordnung ist sowohl für das Heizwasser- als auch für das Kühlwassersystem primär-sekundär. Sowohl das Heiz- als auch das Kühlwassersystem sind Systeme mit variablem Durchfluss und Frequenzumrichtern, die die Drehzahl der (sekundären) Heiz- und Kühlwassersystempumpen steuern. Eine der beiden gezeigten Pumpen für das Heiz- und Kühlwassersystem und eine der Kondensatorwasserpumpen ist eine Standby-Pumpe. Jedem Chiller ist eine separate Kondensatorwasserpumpe und ein separater Kühlturm zugeordnet. Automatische Absperrventile sind für die Verflüssigerwasserversorgung, den Rücklauf und die Ausgleichsleitungsanschlüsse ausgelegt, um den Kühlturm im Leerlauf zu isolieren, wenn nur eine Kältemaschine in Betrieb ist.
Eine 2-Rohr-Heiz- und Kühlanlage enthält sowohl zentrale Heiz- als auch Kühlgeräte, ist jedoch nicht in der Lage, Heizwasser und Kühlwasser gleichzeitig an das Gebäude zu liefern. Es arbeitet entweder im Heizmodus oder im Kühlmodus und liefert entweder Heizwasser oder Kühlwasser durch zwei Rohre (ein Zweitemperatur-Wasservorlauf und ein Zweitemperatur-Wasserrücklauf) an das Gebäude. Heiz- und Kühlgeräte innerhalb des Gebäudes, die an ein 2-Rohr-System angeschlossen sind, haben zwei Rohranschlüsse.
Die obige Abbildung ist ein schematisches Diagramm der Rohrleitungen für eine 2-Leiter-Heiz- und Kühlanlage, die zwei kondensierende Heißwasserkessel und einen wassergekühlten Kühler umfasst. Wenn die Anlage im Heizmodus betrieben wird, ist die Pumpenanordnung ein Primär-Sekundär-Pumpensystem mit einer Primärpumpe, die jedem Kessel zugeordnet ist, um einen konstanten Wasserfluss durch jeden Brennwertkessel sicherzustellen. Die Zweitemperatur-Wassersystempumpen haben eine konstante Drehzahl und fungieren als Sekundärpumpen.
Eine der zwei Pumpen, die für die Zweitemperatur-Wassersystempumpen und die Kondensatorwasserpumpen gezeigt werden, ist eine Standby-Pumpe.
Im Kühlbetrieb arbeitet die Anlage primär nur pumpend. Bei dieser Anordnung muss das Wassersystem mit zwei Temperaturen ein System mit konstantem Durchfluss sein, um während des Kühlbetriebs einen konstanten Wasserfluss durch den Kühler aufrechtzuerhalten. Wenn eine primäre Pumpe für den Kühler ausgelegt wäre, könnte das Wassersystem mit zwei Temperaturen ein System mit variablem Durchfluss sein, wobei Antriebe mit variabler Frequenz die Drehzahl der (sekundären) Wasserpumpen mit zwei Temperaturen steuern.
Entwurfsüberlegungen
Auslegungsüberlegungen für 4-Rohr- und 2-Rohr-Heiz- und Kühlanlagen lauten wie folgt:
Es ist üblich, die Ausrüstung in Heizsystemen (wie Boiler und Pumpen) redundant zu planen, da es bei einem Ausfall des Heizsystems zu einem Einfrieren des Gebäudes kommen kann. Andererseits ist es nicht üblich, die Ausrüstung in Kühlsystemen (z. B. Kältemaschinen und Pumpen) redundant zu gestalten, da die Komfortkühlung im Allgemeinen nicht als kritisch angesehen wird. Jedoch können Kühlsysteme, die kritischen Funktionen dienen, wie beispielsweise Computer oder Einrichtungen des Gesundheitswesens, eine redundante Kühlausrüstung erfordern.
Da normalerweise eine gewisse Redundanz in den Kesseln erforderlich ist, ist es üblich, dass jeder der beiden Kessel in einem 4-Leiter- oder 2-Leiter-System für zwei Drittel der Spitzenheizlast des Gebäudes ausgelegt ist. Dies bietet 67 % Redundanz, um die Gebäudetemperatur über dem Gefrierpunkt zu halten, wenn ein Boiler ausfällt.
Bei kleinen Systemen ist es üblich, ein Pumpsystem mit konstantem Durchfluss und nur primärem Betrieb zu verwenden. Für größere Systeme (bei denen die Pumpenergie erheblich ist) wird jedoch ein Primär-Sekundär-Pumpsystem empfohlen, da der System- (oder Sekundär-) Durchfluss variiert werden kann, um den Energieverbrauch der Sekundärpumpe zu reduzieren. In einem Primär-Sekundär-Pumpsystem hat jede Primärausrüstung, wie z. B. ein Boiler oder ein Kühler, eine eigene Primärpumpe. Energieeinsparungen werden auch mit Primär-Sekundär-Pumpsystemen erzielt, indem die Primärausrüstung (und die zugehörigen Pumpen) als Reaktion auf die Systemlast gestuft werden.
Die obigen Abbildungen veranschaulichen ein Pumpsystem mit konstantem Durchfluss und nur primär und ein primär-sekundäres Pumpsystem. Beachten Sie, dass ein Primär-Sekundär-Pumpsystem ein gemeinsames Rohr erfordert, das die primären und sekundären Pumpschleifen verbindet. Das gemeinsame Rohr sollte für den vollen Sekundärstrom dimensioniert und maximal 10 Rohrdurchmesser lang sein, um unerwünschte Vermischungen zu reduzieren und den Druckverlust durch dieses Rohr auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.
Es ist üblich, eine vollständige Redundanz für die Systempumpe (oder die Sekundärpumpe in einem Primär-Sekundär-Pumpsystem) bereitzustellen, indem zwei Pumpen konstruiert werden, die jeweils so bemessen sind, dass sie den vollen Durchfluss zirkulieren. Eine Pumpe läuft immer, während die andere Pumpe auf Standby-Basis verfügbar ist, falls die Hauptpumpe ausfallen sollte.
Ein primär-sekundäres Pumpsystem wird fast immer für hocheffiziente (Brennwert-)Kessel verwendet, da sie einen konstanten Wasserfluss benötigen. Einige hocheffiziente Kessel sind mit Primärpumpen ausgestattet, die in den Kesseln selbst installiert sind, um sicherzustellen, dass die Wärmetauscher den minimal erforderlichen Wasserdurchfluss erhalten. Wie bereits in diesem Kapitel erwähnt, benötigen einige Brennwertkessel für einen ordnungsgemäßen Betrieb keine Mindestdurchflussmenge mehr. Infolgedessen können diese Boiler an ein Heizwassersystem angeschlossen werden, das eine Pumpenanordnung mit variablem Durchfluss und nur Primär verwendet.
Eine übliche Steuerstrategie für Heizwassersysteme besteht darin, die Temperatur des Heizwassers, das der Heizausrüstung im Gebäude zugeführt wird, basierend auf der Außentemperatur neu einzustellen. Diese Strategie ermöglicht eine bessere Regelung der Raumtemperatur und reduziert auch den Wärmeverlust aus dem Heizwasser-Rohrleitungssystem während des Teillastbetriebs.
Ein üblicher Heizwasser-Rückstellplan für nicht kondensierende Kessel sieht wie folgt aus:
- 180 °F Heizungswasservorlauftemperatur bei einer Außentemperatur von 0 °F.
- 140 °F Heizwasservorlauftemperatur bei einer Außentemperatur von 50 °F.
Die Heizwasservorlauftemperatur variiert proportional zwischen 180 und 140°F, da die Außentemperatur zwischen 0 und 50°F variiert.
Wie bereits erwähnt, müssen nicht kondensierende Kessel jedoch eine Rücklaufwassertemperatur von mindestens 140 °F aufrechterhalten; Daher wäre es nicht möglich, den oben aufgeführten Rückstellplan durch Rückstellung der Heizwasservorlauftemperatur von den Kesseln zu erreichen. Daher ist die Hinzufügung eines 3-Wege-Mischventils zum Mischen des Heizwasserrücklaufs mit dem Heizwasservorlauf erforderlich, um die Heizwasservorlauftemperatur basierend auf der Außentemperatur neu einzustellen.
Ein üblicher Heizwasser-Rückstellplan für Brennwertkessel sieht wie folgt aus:
- 140°F Heizungswasservorlauftemperatur bei einer Außentemperatur von 0°F.
- 30 °C Heizwasservorlauftemperatur bei 15 °C Außentemperatur.
Die Heizwasservorlauftemperatur variiert proportional zwischen 140 und 90°F, da die Außentemperatur zwischen 0 und 50°F variiert.
Die Rückstellung der Heizwassertemperatur erfolgt bei Brennwertkesseln einfach durch die Rückstellung der Heizwasservorlauftemperatur von den Kesseln auf Basis der Außentemperatur. Wie bereits erwähnt, steigt der Wirkungsgrad von Brennwertkesseln mit sinkender Rücklauftemperatur.
Es ist am besten, die gleichen Kriterien für die Rohrdimensionierung für die zentrale Anlage zu verwenden, die für das Verteilungssystem verwendet wird.
Die Nachspeisewasserbaugruppe für alle geschlossenen Systeme besteht aus einem Rückflussverhinderer, einem Druckminderventil und Absperrventilen.
Aus den oben genannten Gründen sollte der Heizkessel an der Stelle des niedrigsten Drucks installiert werden, den die Pumpe des Heizwassersystems entwickelt (Saugseite der Pumpe).
Bei Kühlanlagen, die aus mehreren wassergekühlten Kältemaschinen bestehen, ist es üblich, dass jede Kältemaschine einen dedizierten Kühlturm (oder eine Kühlturmzelle innerhalb eines mehrzelligen Kühlturms) und eine dedizierte Kondensatorwasserpumpe hat. Eine zusätzliche Kondensatorwasserpumpe kann als Standby-Pumpe für jeweils zwei Kondensatorwassersysteme dienen, sofern die Systeme denselben Wasserdurchfluss benötigen und geeignete Ventile installiert sind, um die Pumpen zu isolieren.
Bei zentralen Kühlanlagen mit nur einem Kaltwassersatz und einem Kühlturm kann eine dritte Pumpe als Standby-Pumpe sowohl für das Kaltwasser- als auch für das Kondensatorwassersystem fungieren, sofern die Pumpe einen geeigneten Betriebspunkt für beide Systeme hat.
Ein großer Nachteil von 2-Leiter-Heiz- und Kühlsystemen ist die Zeit, die für die Umstellung vom Heizbetrieb auf den Kühlbetrieb im Frühjahr eines jeden Jahres benötigt wird, da Kältemaschinen im Allgemeinen eine Wassereintrittstemperatur zum Verdampfer von mehr als 70 nicht vertragen °F. Daher muss der Zweitemperatur-Wasserkreislauf von einer Heizwassertemperatur von mindestens 140 °F (für nicht kondensierende Boiler) auf 70 °F abkühlen, bevor Zweitemperatur-Wasser durch den Kühlerverdampfer zirkuliert und gekühltes Wasser erzeugt werden kann.
Das Problem dabei ist, dass es keinen Wärmebedarf gibt, wenn das Gebäude gekühlt werden muss. Somit gibt es keine Möglichkeit für das warme Wasser im Zweitemperatur-Wassersystem, seine Wärme abzugeben. Der Zweitemperatur-Wasserkreislauf muss aufgrund von Wärmeverlusten aus der isolierten Zweitemperatur-Wasserleitung abkühlen, was je nach Größe des Systems bis zu 2 oder 3 Tage dauern kann.
Eine Lösung für dieses Problem ist vorhanden, wenn die Kältemaschinen wassergekühlt sind. Die Umstellungszeit kann durch den Einbau eines Zweitemperatur-Wasserkühlsystems stark verkürzt werden. Dieses System nutzt den Kühlturm als Wärmeabgabequelle für das Wassersystem mit zwei Temperaturen, wenn es sich im Heizmodus befindet. Die Hinzufügung eines Platten- und Rahmenwärmetauschers, 3-Wege-Umleitventile und Steuerungen sind erforderlich, um diese Betriebsart zu erreichen, deren Einzelheiten den Rahmen dieses Buches sprengen würden.
HVAC Design Sourcebook – W. Larsen Angel, PE, LEED AP, ist ein Direktor des MEP-Beratungsingenieurbüros Green Building Energy Engineers
