Klimatizace – Air-Conditioning

Regulace chladivovýchklimatizačních systémů

Basic Principles of Cooling and Air-Conditioning Systems

Recenzentprof. Ing. Jiří Bašta, Ph.D.

Článek volně navazuje na dříve publikovaný příspěvek ve VVI s názvem „Technické aspekty při projektování chladivo-vých systémů“ a seznamuje čtenáře se základními principy regulace chladivových klimatizačních systémů.Klíčová slova: regulace, chlazení, chladicí zařízení, klimatizace

The article picks up loosely the threads of formerly published article “Technical Aspects of Refrigerant Systems Design”in the technical magazine VVI (Heating, Ventilation and Installation). Authors deal with basic principles of cooling andair-conditioning systems.Key words: control, cooling, cooling system, air-conditioning

ÚVOD

Chladivový systém je nutné vnímat jako kompaktní chladivový okruh,jehož venkovní a vnitřní část se přímo ovlivňují. Teplotní poměry na výpar-níku a kondenzátoru mají zásadní vliv na funkci celého systému. Prosprávnou funkci chladivového systému je nutná zejména regulace vnitř-ních parametrů chladivového okruhu. Požadovanou teplotu klimatizované-ho prostoru zajiš�uje tzv. regulace vnějších parametrů, kterou nelze oddělitod regulace vnitřní. Požadavky vnitřní regulace spolu s tlakem na co nej-vyšší účinnost systému mívají přednost před kvalitou regulace vnejší. Přisprávném návrhu klimatizačních zařízení je proto nutné podrobněji pronik-nout do chodu klimatizačních jednotek.

REGULACE VNITŘNÍCH PARAMETRŮ CHLADIVOVÉHOOKRUHU

Základním regulačním prvkem chladicího okruhu s přímým výparníkem jeexpanzní ventil. Z volby a nastavení expanzního ventilu při požadovanéexpanzi vyplývá hmotnostní průtok chladiva a následně požadavky klade-né na výparník a všechny ostatní prvky chladicího okruhu. Výparník přidané výparné teplotě musí chladivu předat tolik tepla, aby došlo k plnémuodpaření chladiva. Kompresor pak musí mít dostatečný výkon, aby zajistilkompresi plynné fáze chladiva na tlak určený teplotou, při které chladivozkapalní v kondenzátoru. Kondenzátor předává teplo dodané chladivu vevýparníku společně s teplem, které chladivo získá v kompresoru v podoběkompresní práce třetí teplonosné látce. Kondenzátor je nejčastěji výměníkchladivo-vzduch, který je navržen tak, aby popsaný tepelný tok předal přirozdílu teplot vzduchu na vstupu a teploty kondenzační ne vyšším než 7 K.Teplotou vzduchu vstupující do kondenzátoru je pak jednoznačně určenakondenzační teplota a tlak.

Při regulaci vnitřních parametrů chladivového okruhu je nutné zajistit:� plné odpaření chladiva aby se nedostala kapalina do kompresoru,� vhodný expanzní poměr aby nedošlo k přetížení kompresoru,� přehřátí kompresoru příliš vysokou teplotou výstupních par.

Regulace expanze v závislosti na stavu vypařováníExpanzní ventil je regulován podle přehřátí chladiva SH za výparníkem(obr. 1), aby bylo zajištěno úplné odpaření chladiva a kompresoru nehrozilkapalinový ráz (vniknutí chladiva do kompresoru). Ke stanovení přehřátíchladiva jsou nutné dva údaje: výparný tlak a teplota za výparníkem. Po-kud je přehřátí par vyšší než požadované, expanzní ventil přidá do výpar-níku chladivo, pokud je nižší, průtok chladiva sníží.

Důsledek této funkce expanzního ventilu je změna vypařovací teplotychladiva. Pokud se tepelný tok předávaný chladivu ve výparníku výraz-ně sníží (například snížením průtoku vzduchu klimatizační jednotkou),dojde k nedostatečnému odpařování chladiva následované sníženímprůtoku chladiva expanzním ventilem při současném snížení výparnéteploty, které může klesnout pod bod mrazu a zapříčinit namrzání výmě-níku. Pokud chladivový okruh nezareaguje, zvýší se tlaková ztráta namr-zajícího výparníku s následným snížením průtoku vzduchu, na které ex-panzní ventil reaguje dalším snížením průtoku chladiva s následnýmúplným zamrznutím výměníku. Z tohoto důvodu je chladivový okruh vy-baven přídavným regulačním zařízením (viz odstavec Regulace výpar-ného tlaku).

Vypařovací tlak je u expanzních ventilů s vnitřním vyrovnáním tlaku měřenv expanzním ventilu za expanzí. Expanzní ventily s vnějším vyrovnánímtlaku jsou doplněny odděleným měřením tlaku a odběr měřeného tlaku jeumís�ován těsně za výparník. Expanzní ventily s vnějším vyrovnáním tlakuse doporučuje použít tam, kde nastává tlaková ztráta mezi expanznímventilem a výparníkem, nebo tam, kde má výparník sám o sobě velkou tla-kovou ztrátu. Expanzní ventily mohou být doplněny o funkci MOP (maxi-mum operating pressure – nejvyšší provozní přetlak), která zajiš�uje roz-běh chladivového okruhu z tzv. teplého stavu. V době kdy chladivovýokruh není v provozu, může dojít k zaplavení výparníku kapalným chladi-vem, které se při zapnutí kompresoru začne odpařovat při teplotě odpoví-dající aktuální teplotě ve výparníku. Pokud je teplota ve výparníku vysokádojde ke zvýšení tlaku na sání kompresoru. Aby byl tento stav co nejrych-leji překonán, uzavře expanzní ventil s funkcí MOP průtok chladiva, dokudneklesne výparná teplota pod nastavenou mez. Tato mez je odvozenaz nejvyššího povoleného sacího tlaku kompresoru. Limitní výparná teplotanesmí být vyšší než 3 K nad teplotou odpovídající tomuto meznímu tlaku,

2 Vytápění , větrání , instalace 1/2013

K l i m a t i z a c e – A i r - C o n d i t i o n i n g

Ústav techniky prostředí

Ing. Michal DUŠKA, Ph.D.Ústav termomechaniky, AV ČRdoc. Ing. Vladimír ZMRHAL, Ph.D.ČVUT v Praze, Fakulta strojní,Ústav techniky prostředíIng. Jiří KREPINDLINT CZ s. r. o.

Obr. 1 Přehřátí chladiva za výparníkem v diagramu p-h

dále by mez neměla být nižší než výparná teplota navýšená o 5 K. Obvyk-lá mezní teplota pro MOP je 15 °C.

Termostatický expanzní ventilNejjednodušším expanzním zařízením je kapilára, kterou lze použít pouzeza předpokladu, že provozní podmínky chladivového okruhu jsou velmiblízko podmínkám návrhovým (např. domácí chladnička). Použití kapiláryv chladivovém okruhu určeném pro klimatizaci s kondenzátorem chlaze-ným venkovním vzduchem je nevhodné.

Termostatický expanzní ventil je autonomní expanzní zařízení, které jeschopno reagovat na změnu poměrů v chladivovém okruhu. Jde o mecha-nické zařízení, které reguluje nástřik chladiva proměnným zdvihem jehlyovládané teplotně roztažnou kapalinou nebo plynem ve snímacím prvku(„tykavky“) připojenou k chladivovému potrubí za výparníkem a propoje-nou s jehlou expanzního ventilu kapilárou. Termostatické expanzní ventilyjsou konstruovány ve variantách s vnitřním a vnějším vyrovnáním tlakutak, jak bylo popsáno výše.

Nástřik chladiva je regulován tak, aby bylo dosaženo požadované hodnotypřehřátí chladiva ve výparníku. Přehřátí se skládá ze dvou částí: ze static-kého přehřátí nastavené výrobcem ventilu, které je zpravidla možné měnitnastavením ventilu a dynamického přehřátí vyplývajícího z provozníchpodmínek na chladivovém okruhu. Dynamické přehřátí je možné do znač-né míry eliminovat vhodnou volbou ventilu. Některé termostatické ventilyjsou konstruovány tak, že mají v sobě integrovanou funkci MOP (plynovátepelně roztažná náplň).

Elektronický expanzní ventilElektronický expanzní ventil (EEV) je mechanické zařízení ovládané přesservopohon elektronickým regulátorem na požadované přehřátí chladivastanovené podle teplotního a tlakového čidla umístěných těsně za výpar-níkem. Průtok elektronickým expanzním ventilem je regulován, bu� ob-dobně jako u termostatických expanzních ventilů zdvihem jehly (propor-cionální ventil) nebo v případě clonky s neměnným průřezem opakovanýmuzavíráním a otvíráním průtoku chladiva (impulsní nebo cyklovací ventily).EEV umožňují ve spojení s elektronickými regulátory přesné řízení přehřá-tí, mohou mít integrovanou funkci MOP a mezi jejich další výhody patří:

� možnost změny výparné teploty za provozu,� přesnější řízení přehřátí za pomoci tlakového a teplotního čidla,� obousměrný průtok výhodný pro zapojení reverzibilních okruhů,� využití stejného hardwaru pro širší řadu chladicích výkonů a chladiv.

Elektronické expanzní ventily dále umožňují integrovat funkci LOP (nejniž-ší provozní tlak – z angl. low operation pressure). Provozní podmínky,nebo vysoké přehřátí vedou k nízkému výparnému tlaku, regulace LOPzajiš�uje, aby mezní tlak nebyl podkročen postupným otevíráním expanz-ního ventilu. Současně, však nesmí dojít k riziku kapalinového rázu a ex-panzní ventil musí stále zajistit minimální požadované přehřátí.

Regulace výparného tlakuExpanzní ventil v důsledku své funkce není schopen primárně regulovatvýparný tlak, jeho hlavním cílem je ochrana kompresoru proti kapalinové-mu rázu (regulace přehřátí SH). Pokud dojde ke snížení tepelného toku,který je ve výparníku předáván chladivu, dojde v důsledku reakce ex-panzního ventilu ke snížení výparného tlaku. Výparný tlak, popřípadě tlakna sání kompresoru, lze regulovat s použitím regulátoru obtoku horkýchpar.

Pokud expanzní ventil sníží průtok chladiva, potřebné množství chladivapro vyrovnání tlaku na požadovanou mez zajistí obtok horkých par, kteréjsou vedeny z výstupu kompresoru přes regulační ventil před výparník.Regulační ventil zajiš�uje snížení tlaku horkých par na požadovaný tlak,páry jsou před výparníkem míseny se směsí studené kapaliny a par ex-pandujících na tlak řízený regulačním ventilem. Regulační ventil může býtbu� samočinný, nebo elektronický.

Regulace kondenzačního tlaku/teplotyKondenzační tlak a teplota jsou jednoznačně určeny teplotou, při které jekondenzátor (nejčastěji výměník chladivo-vzduch) schopen předat tepelnýtok z chladiva do ohřívané tekutiny. Kondenzační teplotu ovlivňují následu-jící faktory: teplosměnná plocha výměníku (dále označovaná jako velikostvýměníku), prostup tepla teplosměnnou plochou (na kterou má v případěkondenzátoru chladivo-vzduch nejvýraznější vliv přestup tepla na straněvzduchu a účinnost žebra výměníku), teplota tekutiny na vstupu do výmě-níku (teplota venkovního vzduchu resp. rovnocenná sluneční teplota) a te-pelná kapacita průtoku této tekutiny (součin hmotnostního průtoku a měr-né tepelné kapacity tekutiny W = m.c).

Výměník kondenzátoru a průtok vzduchu jsou navrhovány tak, aby přijmenovitém výkonu chladivového okruhu a extrémní teplotě ohřívané teku-tiny nebyl rozdíl mezi kondenzační teplotou a teplotou nasávaného vzdu-chu vyšší než 7 K. Kompresor je následně volen tak, aby byl schopen za-jistit kompresi na požadovaný tlak. Pokud dojde ke snížení teploty nasáva-ného vzduchu, klesne i kondenzační teplota. Kompresor stlačuje plynnéchladivo na nižší tlak se současným poklesem jeho příkonu.

Pokud se kondenzační teplota začne přibližovat teplotě výparné, nejčastějiv důsledku poklesu teploty venkovního vzduchu, dojde na základě povelunízkého tlaku na výtlaku kompresoru k odstavení kompresoru. Z popsa-ných vlivů je zřejmé, že kondenzační teplotu je možné zvýšit (pomine-li seohřev vzduchu před kondenzátorem) zmenšením teplosměnné plochy vý-měníku (prostým zakrytím), nebo snížením hmotnostního průtoku vzdu-chu kondenzátorem například snížením otáček ventilátoru což je častějivyužívaná varianta.

Poměry na kondenzátoru se mohou měnit i v opačném směru. Nárůstkondenzační teploty a tlaku nad povolený pracovní tlak kompresorus jeho následným odstavením bývá zapříčiněn bu� nesprávným návr-

Vytápění , větrání , instalace 1/2013 3

K l i m a t i z a c e – A i r - C o n d i t i o n i n g

Obr. 2 Zjednodušené schéma přímého výparníku s expanzním ventilemObr. 3 Schéma regulace výparníku obtokem horkých par (HGB – Hot Gass By-pass)

hem zařízení, nebo snížením průtoku kondenzátorem v důsledku zane-sení výměníku. Jako příklady lze uvést nesprávný odhad teploty vzdu-chu nasávaného do kondenzátoru např. v důsledku umístění sání vzdu-chu v blízkosti zdrojů tepla (typickým příkladem je umístění kondenzáto-ru na ploché střeše neošetřené reflexním nátěrem apod.), nebo výskytpylů v jarním období.

Řízení kompresoruZ hlediska řízení kompresoru chladivového klimatizačního systému jsouv zásadě možné tři druhy provozního řízení:� kompresor bez plynulé regulace výkonu je spínán podle požadav-

ků na chladicí výkon předávaný chladivový okruhem (vypnuto/zap-nuto),

� kompresor umožňující plynulou regulaci výkonu (tzv. „invertor“) můžezměnu výkonu využít:– pro optimalizaci účinnosti chladivového okruhu regulací výkonu

podle podchlazení kapalného chladiva SC za kondenzátorem.Otáčky kompresoru jsou regulovány tak, aby chladivo v kondenzá-toru stačilo plně zkondenzovat a došlo k jeho podchlazení (přiblí-žení se teplotě ohřívané tekutiny v kondenzátoru),

– výkon kompresoru může být řízen podle požadavků na chladicí vý-kon výparníku, potažmo výparné teploty (viz dále).

REGULACE VNĚJŠÍCH PARAMETRŮ CHLADIVOVÉHOSYSTÉMU

Regulace teploty vzduchuChladivový klimatizační systém slouží k odvodu tepelné zátěže. Volba re-gulační strategie výrazně ovlivňuje schopnost systému udržet tepelný stavprostředí v požadovaném rozmezí. V komfortní klimatizaci rozlišujeme dvězákladní regulační strategie:1. klimatizační systém udržuje požadovanou teplotu v klimatizovaném

prostoru,2. klimatizační systém zajiš�uje požadovanou teplotu přiváděného vzduchu.

Regulace teploty vzduchu v prostoruRegulace teploty vzduchu v prostoru klimatizovaném chladivovým systé-mem neklade vysoké požadavky na přesnost regulace. Obvykle tedy není

nutná plynulá regulace výkonu zařízení a plně postačí dvou, nebo třístup-ňová regulace.

Příklad průběhu teploty vzduchu v prostoru s chladivovým klimatizačnímsystémem je uveden na obr. 4, odkud je zřejmé značné kolísání teplot bě-hem dne.

Nejjednodušším případem je dvoupolohová jednostupňová regulace(vypnuto/zapnuto). Tato regulace se používá u chladivových systémůs jedním kompresorem bez regulace výkonu a jednookruhovým výparní-kem. Kompresor je spouštěn, pokud teplota v prostoru překročí hornímez požadované vnitřní teploty a naopak vypnut, pokud je dolní mezpodkročena. Tento typ regulace teplot v prostoru je však běžný i u chla-divových systémů vybavených plynule řízeným kompresorem (inverto-rem) s PID regulací elektronického expanzního ventilu. Tyto prvky všakčasto slouží k regulaci vnitřních parametrů chladivového okruhu, nikolivvšak k plynulé regulaci teploty vzduchu v prostoru.

V případě potřeby plynulejší regulace je možné použít vícestupňovou skoko-vou regulaci. Z pohledu životnosti zdroje chladu lze doporučit dvou a vícekompresorové zařízení s kompresory stejných výkonů, které lze spouštětv libovolném pořadí, a lze tak zajistit jejich rovnoměrné opotřebení. Z pohle-du plynulosti regulace je naopak výhodné použít třístupňovou regulacis dvouokruhovým zařízením. Požadovaný chladicí výkon je rozdělen mezidva kompresory jejichž výkon je rozdělen na 1/3 a 2/3. Zařízení má dva okru-hy se dvěma kompresory, ale umožňuje třístupňovou regulaci.

Dalším krokem k dosažení přesnější regulace teploty vzduchu v prostoruje použití dvou PID regulátorů v sérii viz obr. 5. První regulátor na základěrozdílu mezi žádanou a aktuální teplotou vzduchu v prostoru stanoví poža-dovanou teplotu přiváděného vzduchu, což je vstupní hodnota druhého re-gulátoru, který na základě rozdílu mezi žádanou a měřenou teplotou přivá-děného vzduchu stanoví požadovaný výkon zdroje chladu. Požadavek navýkon zdroje chladu je sice plynulý, ale ve stupňovitém spínači je převedenna skokovou regulaci výkonu vícestupňového zdroje chladu.

Regulace teploty přiváděného vzduchuPro dosažení plynulé regulace teploty přiváděného vzduchu (jako primární-ho regulovaného parametru, nikoli pouze pomocného) je ve většině případůnutné použít plynulou regulaci výkonu zdroje chladu. Pro tento druh regulacese chladivový systém musí skládat z plynule řízeného kompresoru („inverto-rem“) a elektronického expanzního ventilu. Expanzní ventil s krokovým ser-vopohonem je řízen PID regulátorem tak, aby bylo zajištěno požadovanépřehřátí chladiva SH. Regulaci požadované teploty přiváděného vzduchu za-jiš�uje PID regulátor plynule regulující otáčky kompresoru. Změnou otáčekkompresoru dochází ke změně průtoku chladiva a následnému posunutíhodnoty výparného tlaku, a tedy regulaci teploty přiváděného vzduchu.

Pokud jsou otáčky kompresoru řízeny podle požadavku na teplotu přivá-děného vzduchu, není možné současně řídit chod kompresoru podle pod-chlazení SC. Takto regulovaný chladivový systém proto nemusí dosahovatoptimální účinnosti.

4 Vytápění , větrání , instalace 1/2013

K l i m a t i z a c e – A i r - C o n d i t i o n i n g

Obr. 4 Příklad průběhu teploty vzduchu v prostoru klimatizovaném chladivovým systé-mem (klimatizace kanceláře nepřetržitě v chodu, zatáhnuté vnitřní žaluzie)

Obr. 5 Použití dvou sériově řazených regulátorů PID

ZÁVĚR

Komfortní klimatizace s nízkými požadavky na kvalitu vnitřního prostředínebývá nepřekonatelným problémem pro běžně dostupné chladivové sys-témy, i přes to, že PID regulace se v podstatě netýká regulace teplotyvzduchu. Pokud budeme chtít chladivový systém použit v situacích, kde je

nutné udržovat teplotu přívodního vzduchu v úzkém intervalu, neobejde-me se bez speciální regulace chladivového systému.

Účelem článku bylo poskytnout čtenáři zevrubné informace o regulacichladivových klimatizačních systémů, které nejsou běžně dostupné. Vý-robci chladivových systémů totiž z pochopitelných důvodů detailní technic-ké informace tají. I když prezentované informace nejsou vyčerpávající,předkládají v současnosti dostupné údaje o reálné funkci chladivovýchsystémů.

Kontakt na autora: duska@it.cas.cz

Seznam veličinMOP nejvyšší provozní přetlak [Pa]pk kondenzační tlak [Pa]pv výparný tlak [Pa]SH přehřátí plynné fáze chladiva [K]SC podchlazení kapalné fáze chladiva [K]te teplota venkovního vzduchu [°C]tk teplota kondenzační [°C]tv teplota vypařovací [°C]

Použité zdroje:[1] Daikin Europe Extranet. Extranetové stránky firmy Daikin. Dostupné z:

<http://extranet.daikineurope.com>[2] Krepindl J., Regulace chladivových systémů a přímé výparníky ve vzducho-

technice. Přednáška na semináři Chladivové klimatizační systémy. Nepubliko-váno. STP. 2007

[3] Zmrhal V., Krepindl J., Duška M., Technické aspekty při projektování chladivo-vých systémů, In: Větrání vytápění, instalace, 2008, roč. 17, č. 5. �

Vytápění , větrání , instalace 1/2013 5

K l i m a t i z a c e – A i r - C o n d i t i o n i n g

Obr. 6 Plynulé řízení teploty s elektronickým expanzním ventilem EEV a invertorem