Обоснованный выбор трехтрубных VRF систем кондиционирования

Системы кондиционирования с переменным расходом хладагента (VRF), сравнительно недавно появившись в нашей стране, захватывают все новые и новые отрасли рынка. Они заняли место, устанавливаемых ранее, воздушных (VAV) или водяных (чиллер — фанкойлы) систем многозонального кондиционирования. Наряду с такими преимуществами VRF систем, как компактность, энергоэффективность и низкие эксплуатационные расходы, мультизональные кондиционеры обладают качественно новым уровнем комфорта — полной функциональной независимостью работы индивидуального внутреннего блока от режима работы системы в целом. Данное качество (рекуперация тепла) реализовано в трехтрубных VRF системах кондиционирования воздуха и является довольно большим шагом вперед в эволюции климатической техники. Если двухтрубные системы с переменным расходом хладагента позволяют работать внутренним блокам либо полностью на охлаждение, либо полностью на обогрев, то трехтрубные системы не накладывают никаких ограничений на выбор потребителями параметров работы внутреннего блока.
Рассмотрим конструкцию и принципы работы трехтрубных VRF систем на примере кондиционеров GENERAL [1]. Отличительной особенностью трехтрубных VRF систем от двухтрубных является наличие третьей трубы и RB блока, которые позволяют независимо переключать внутренние блоки с одного режима на другой. В режимах охлаждения и обогрева третья труба хладагента не используется, поэтому для изучения наиболее интересен режим с рекуперацией тепла (рис. 1).

Рис. 1. Режим рекуперации тепла трехтрубных VRF систем кондиционирования воздуха

На рис. 1 изображен вариант, когда два внутренних блока работают в режиме обогрева, а третий в режиме охлаждения. Газообразный фреон, с высокой температурой, поступает из компрессора по линии газа высокого давления (третья труба) к соленоидным вентилям RB блоков. Если внутренний блок включен в режиме обогрева (блоки № 1 и № 2), то соленодные вентили на линии газа высокого давления открыты. Газ поступает во внутренний блок, где происходит его конденсация при высокой температуре. Из внутреннего блока выходит жидкий хладагент и попадает в жидкостную линию. Так как внутренний блок № 3 включен в режиме охлаждения, то соленоидный вентиль RB блока на линии газа высокого давления закрыт, а вентиль на линии газа низкого давления открыт. Жидкий хладагент из внутренних блоков № 1 и № 2 проходит по жидкостной трубе к внутреннему блоку № 3, где происходит его кипение при низкой температуре. После внутреннего блока № 3 газ поступает в трубу газа низкого давления, а затем на всасывание компрессора.
В данной схеме кондиционирования воздуха предусмотрено двойное использование хладагента: сначала хладагент попадает в блоки, работающие на тепло, затем, не используя дополнительную энергию компрессора, он становится источником холода для блоков, работающих в режиме охлаждения. Поэтому, затрачиваемая энергия компрессора на выработку одинакового количества тепла и холода, в 1,5-2 раза ниже, в сравнении с двухтрубными системами.
Кроме того, потенциальным источником холода и тепла в трехтрубных системах является внутренний воздух с параметрами 20-25 °С. Энергетическая эффективность систем кондиционирования, работающих в режиме охлаждения либо теплового насоса, в значительной степени зависит от параметров окружающей среды. В режиме теплового насоса системы кондиционирования работают при наружной температуре ниже +8 °С. Чем ниже температура наружного воздуха (источника тепла для двухтрубных систем), тем ниже коэффициент энергетической эффективности системы кондиционирования в целом. Удельная затрата работы или эквивалентной ей электрической энергии, отнесенной к единице полученной теплоты с температурой Тв, определяется для идеального цикла Карно по формуле:

где Тв и Тн — верхний и нижний температурные уровни, К.
Таким образом, при снижении отношения Тн/Тв увеличивается Эид и снижается энергетическая эффективность систем, работающих в режиме теплового насоса. В трехтрубных системах кондиционирования источником тепла и холода является внутренний воздух, отношение Тн/Тв близко к 1, что дополнительно увеличивает КПД трехтрубных систем.
Поэтому коэффициент энергетической эффективности трехтрубных VRF систем может достигать 8, что является рекордным значением для систем кондиционирования.

Рис. 2. Загрузка компрессоров в режиме рекуперации тепла трехтрубных VRF систем кондиционирования воздуха

На рис. 2 показаны режимы работы трехтрубных VRF систем. При работе всех блоков полностью на холод или полностью на тепло, компрессоры загружены на 100 %. Однако, при совместной выработке тепла и холода, нагрузка на компрессоры и, соответственно, их энергопотребление, значительно снижаются. Особенно интересна центральная схема, на которой мощность внутренних блоков, работающих в режиме холода, равна мощности блоков, работающих в режиме тепла. Теплообменник наружного блока в данном режиме не задействован, а нагрузка на компрессоры минимальна (работает только один компрессор).
Как видно из рисунков 1 и 2, работа трехтрубных систем в режимах “полностью охлаждение” и “полностью обогрев” ничем не отличается от работы двухтрубных систем. Преимущества в энергопотреблении и функциональных возможностях появляются только при работе трехтрубных систем в комбинированном режиме выработки тепла и холода. Насколько необходима комбинированная выработка тепла и холода для систем кондиционирования, попробуем разобраться на примере административных (офисных) зданий.

Характеристика производственного процесса помещений административных зданий

Широкое внедрение компьютерной техники, проникновение ПК практически во все сферы деятельности людей, привело к возникновению большой группы однотипных помещений, в которых производственный процесс построен на взаимодействии людей и офисной техники. Человек с помощью компьютера стал выполнять различные виды работ: от проектирования и составления документов, до управления технологическими процессами и мониторингом всего предприятия. В таблице 1 приведены параметры помещений административных (офисных) зданий.
Для анализа теплового режима производственного процесса используется уравнение типа:

где Qn — полные теплопоступления в помещение, Вт;
Qвн — внутренние теплопоступления от людей, оргтехники и т.д., Вт;
Qогр — кондуктивные теплопоступления через наружные ограждения, Вт;
Qинф — теплопоступления с инфильтрующимся воздухом, Вт;
Qинс — теплопоступления от солнечной радиации, Вт.
Величины в правой части уравнения (2) являются случайными, с различными степенями достоверности. Внешние воздействия логичнее представлять с вероятностно-неопределенными свойствами, так как, даже при вероятностной форме задания параметров наружного воздуха, нет четких корреляционных связей между солнечной радиацией, температурой наружного воздуха, направлением и скоростью ветра. Внутренние возмущения также относятся к классу вероятностно-неопределенных величин. Поэтому, искомая величина Qп, не обладает свойствами статистической устойчивости, и может задаваться вариантами возможных значений без указания вероятностей отдельных значений членов правой части уравнения (2). Такой способ учета определяющих первичных факторов, обеспечивает решение задач с выявлением зоны неопределенности решений [2]. Неопределенность решения уравнения (2) означает, что получение однозначного значения невозможно. Как правило, необходимо ориентироваться на некоторую зону, внутри которой лежат все возможные значения искомой функции. В качестве характеристик этой зоны необходимо принять минимальные и максимальные значения Qп.

Наименование помещений	Занимаемая площадь на 1 работника, м2	Площадь, %	Величина теплопоступлений, Вт/м2
Помещения персонала	6	76	40-190
Кабинеты руководителей	15-72	15	10-160
Залы совещаний	0,9	6	0-220
Технологические помещения (серверные, ИБП)	–	3	100-500

С другой стороны, расчетные теплопотери административных зданий зависят от расчетной температуры наружного воздуха и максимально составляют 65-100 Вт/м2 [3].
Учитывая то, что нагрузка на системы кондиционирования определяется балансом тепла и холода для обслуживаемых помещений, отобразим величины теплопоступлений и теплопотерь в виде графиков для различных помещений административных зданий. Температура приточного и вытяжного воздуха принята равной внутренней температуре.

Рис. 3. График теплового баланса помещений персонала

 

Рис. 4. График теплового баланса кабинетов руководителей

Помещения персонала
Все возможные значения искомой функции теплового баланса помещения принадлежат области, ограниченной линиями нижней и верхней границ теплового баланса.
Теплопотери помещений, в большинстве случаев, пропорциональны разнице температур наружного и внутреннего воздуха. Температура внутреннего воздуха принята +20°С.
Минимально возможные теплопоступления наблюдаются в пасмурные дни, когда величина солнечной радиации равна нулю, а оборудование помещений частично загружено. Они также не зависят от периода года и наружной температуры.
Максимально возможные теплопоступления наблюдаются в теплый период, когда наружная температура, внутренние тепловыделения, солнечная радиация максимальны. В большей степени максимально возможные теплопоступления зависят от величины солнечной радиации, поэтому в диапазоне от +10 °С до +30 °С условно показаны постоянными.
Нижняя граница теплового баланса показывает минимальные значения полных теплоизбытков помещения. Она вычисляется путем вычитания теплопотерь из минимально возможных теплопоступлений.
Верхняя граница теплового баланса показывает максимальные значения полных теплоизбытков помещения. Она, в свою очередь, вычисляется путем вычитания теплопотерь из максимально возможных теплопоступлений.
Анализируя данный график, можно сделать вывод о том, что в период от 0°С наружной температуры и выше, для поддержания комфортной температуры в помещениях персонала всегда требуется охлаждать внутренний воздух.
В период от 0°С до –25°С может понадобиться как охлаждение, так и обогрев помещения. При температуре наружного воздуха ниже –25°С однозначно необходимо обогревать данные помещения. Причем сделанные выводы относятся к дневному периоду использования помещений. В ночное время, когда внутренние теплопоступления равны нулю, необходимо обогревать помещения в холодный и переходный периоды.

Кабинеты руководителей
В период от 15°С наружной температуры и выше, для поддержания комфортной температуры в кабинетах руководителей всегда требуется охлаждать внутренний воздух.
В период от 15°С до –20°С может понадобиться как охлаждение, так и обогрев помещения. При температуре наружного воздуха ниже –20°С однозначно необходимо обогревать данные помещения. По сравнению с помещениями персонала, теплоизбыток в кабинетах руководителей меньше, соответственно период обогрева увеличен.

Залы совещаний
Залы совещаний имеют наибольшую неравномерность тепловой нагрузки по сравнению с другими помещениями административных зданий. Перед началом совещаний в холодный и переходный период необходимо обогревать помещение. Однако, во время использования зала, выделение тепла людьми, как правило, превышает теплопотерю помещения. В период от 20 °С наружной температуры и выше для поддержания комфортной температуры в залах совещаний всегда требуется охлаждать внутренний воздух.
В период от 20 °С до -30 °С может понадобиться как охлаждение, так и обогрев помещения.

Рис. 5. График теплового баланса залов совещаний

 

Рис. 6. График теплового баланса технологических помещений (серверных, ИБП)

Технологические помещения (серверные, ИБП)
Технологические помещения, сравнительно со всеми остальными помещениями административных зданий, имеют наибольшие удельные тепловые нагрузки. Практически при любой наружной температуре помещения необходимо охлаждать.
Наибольшую наглядность для оценки периодов охлаждения и нагрева помещений дает совмещенный график тепловых нагрузок здания. Для определения параметров совмещенного графика воспользуемся уравнениями (3) и (4):

где qmin и qmax усредненные минимальное и максимальное значения удельных тепловых нагрузок здания, Вт/м2,
qi min и qi max минимальное и максимальное значения удельных тепловых нагрузок помещений площадью Si, Вт/м2.
Подставляя значения минимальных и максимальных удельных тепловыделений в уравнения (3) и (4) для административных зданий, при различной температуре наружного воздуха, получаем значения совмещенного графика тепловых нагрузок здания в режиме охлаждения и в режиме нагрева.
Таким образом, в диапазоне от +30°С до +20°С все помещения административных зданий требуется охлаждать и необходимости в одновременной работе системы как на охлаждение, так и на обогрев нет. Однако, во всем остальном диапазоне от +20 °С до –30°С, необходимо часть помещений административных зданий охлаждать, а другую часть нагревать. Следовательно, большую часть времени года, трехтрубные VRF системы кондиционирования административных зданий будут работать в режиме одновременного охлаждения и нагрева, т.е. перераспределения тепловой энергии внутри здания, что обуславливает необходимость их применения.

Рис. 7. Совмещенный график тепловых нагрузок здания

Список литературы:
1. Многоблочная система кондиционирования воздуха для зданий VRF GENERAL. Конструкция и технические данные. FUJITSU GENERAL LIMITED. 2001.
2. Сотников А.Г. Системы кондиционирования с переменным расходом воздуха. — Л.: Стройиздат, 1984.
3. СНиП II-3-79* Строительная теплотехника (с изменениями 1-4).

---