VRF или чиллер - Кондиционеры GENERAL · Рис. 2. Принципиальная схема vrf системы кондиционирования. В отличие

VRF или чиллер? Сравнительный анализ на основе теории оптимизации

Сергей Брух. Ассоциация Японские Кондиционеры [email protected] Введение. Развитие систем кондиционирования воздуха на сегодняшнем этапе подошло к одновременному существованию двух принципиально различных, но функционально подобных систем центрального кондиционирования. Их использование приводит к практически идентичному результату, поэтому только глубокое знание особенностей проектирования, монтажа и эксплуатации оборудования позволяет определить оптимальный вариант для конкретного объекта. Оптимальность любого выбора зависит, прежде всего, от критериев, которые используются для сравнения вариантов друг с другом. Любая система комфортного кондиционирования предназначена для удовлетворения индивидуальных потребностей в первую очередь ее пользователя или, говоря языком бизнеса – заказчика. Следовательно, определить приоритеты критериев сравнения может только заказчик, поэтому это первый и единственный фактор, влияющий на выбор той или иной системы кондиционирования. Отсюда главная задача этой статьи не определение «лучшей» или «худшей» системы кондиционирования, а рассмотрение всевозможных критериев, по которым именно потребитель сможет выбрать наиболее подходящий для него вариант. Количество критериев сравнения систем кондиционирования может быть бесконечным, тем не менее, в данной статье делается попытка комплексной оценки и выявления тенденций в развитии систем кондиционирования на современном этапе. Общая информация. Система кондиционирования типа «чиллер - фанкойлы». Чиллером называют холодильную машину, предназначенную для охлаждения жидкого теплоносителя (воды или незамерзающей жидкости). Охлажденная жидкость с помощью насосов по трубопроводам подается в водо-воздушные теплообменники с вентилятором, располагаемые в охлаждаемых помещениях. Такие теплообменники называют фанкойлами. Конструктивная схема системы кондиционирования типа «чиллер – фанкойлы» показана на рис 1.

Регулирующий вентиль

Бак аккумулятор

Расширительный бак

Насос Теплообменник вода - фреон

ТРВ

Конденсатор

Компрессор

Фанкойлы

Гидравлический модуль Чиллер

Рис. 1. Конструктивная схема системы кондиционирования типа «чиллер – фанкойлы». Использование компрессора постоянной производительности приводит к ступенчатой регулировке мощности холодильной машины. Поэтому в составе гидравлического модуля предусматривают бак – аккумулятор, сглаживающий температурные колебания охлажденной воды. Для компенсации температурного расширения воды или незамерзающей жидкости применяют расширительный бак. После гидравлического модуля охлажденный теплоноситель по системе трубопроводов поступает к фанкойлам, для изменения мощности которых применяют двух- или трехходовые регулирующие вентили. Система кондиционирования типа VRF. Мультизональные системы кондиционирования, системы кондиционирования с переменным расходом хладагента, VRF системы – все это названия одного класса систем кондиционирования, использующие в качестве энергоносителя не воду, а фреон. Основное отличие VRF систем от ставших классическими сплит систем заключается в реализации принципа многозональности, т.е. перераспределение хладагента между внутренними блоками по мере необходимости (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема VRF системы кондиционирования. В отличие от системы кондиционирования типа «чиллер – фанкойлы» в конструкции VRF систем нет промежуточных теплообменников, поэтому при одинаковых функциональных возможностях конструктивно VRF системы проще. Классический подход к сравнению систем кондиционирования воздуха А.А. Рымкевичем в 80-х годах уже прошлого века разработана теория выбора оптимальных систем кондиционирования воздуха [1]. Для объективного сравнения систем типа VRF и «чиллер – фанкойлы» воспользуемся данной методикой. Сравнение (оптимизация) систем кондиционирования воздуха должна проводиться несколькими этапами. Каждому этапу оптимизации соответствуют свои критерии сравнения: Функционально – технологические критерии характеризуют степень выполнения системой заданных функций, т.е. поддержания системой кондиционирования требуемой температуры, относительной влажности, чистоты и подвижности внутреннего воздуха. Также к функционально - технологическим показателям относятся критерии надежности и уровня шума оборудования. В группу конструктивно – компоновочных показателей включаются индустриальность и удобство монтажа системы, габариты оборудования, занимаемые строительные площади, расход материалов при монтаже, эстетические качества. Эксплуатационно – энергетические показатели включают энергетическую оценку системы, условия эксплуатации, расход материалов при эксплуатации и ремонте, а также сведения о расходе электроэнергии и топлива, которые могут быть выражены в виде энергетического или эксергетического КПД. Экономические критерии выражают все предыдущие показатели в денежном исчислении. В обобщенном виде они представляются капитальными, эксплуатационными и приведенными затратами.

Сравнение систем кондиционирования по функционально – технологическим критериям

1. Стабильность холодопроизводительности внутренних блоков (фанкойлов) при

изменении температуры в кондиционируемом помещении.

В технических каталогах и рекламных проспектах обычно приводится так называемые номинальные характеристики внутренних блоков, которые определяются при следующих температурных условиях (таблица 1).

Таблица 1.

Параметры Режим охлаждения 1. Температура внутреннего воздуха по сухому термометру 27 °С 2. Температура внутреннего воздуха по влажному термометру

19 °С

Оптимальные параметры внутреннего воздуха, принимаемые при расчетах систем кондиционирования воздуха для теплого периода года [2] приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Период года Температура Относительная Скорость движения

воздуха, °С влажность воздуха, % воздуха, м/с, не более

Теплый 20 – 22

23 – 25

60 – 30

60 – 30

0,2

0,3

Как видно из таблицы 2, российские нормативные параметры внутреннего воздуха отличаются от номинальных параметров, установленных для испытания кондиционеров. Если стандартная температура испытания систем кондиционирования составляет 27 ˚С, то фактическая температура внутреннего воздуха помещений будет значительно ниже. Очевидно, что производительность внутренних блоков при изменившихся расчетных параметрах также измениться (рис. 3).

Мощность внутренних блоков по холоду

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

20 21 22 23 24 25 26 27

Температура внутреннего воздуха, С

кВт

GENERAL AU14G LENNOX CWC050

Рис. 3. Изменение мощности по холоду внутренних блоков VRF систем GENERAL и систем «чиллер – фанкойлы» LENNOX Как следует из рисунка 3, мощность внутренних блоков при уменьшении температуры внутреннего воздуха падает. Это является следствием уменьшения градиента температуры на теплообменнике, что в свою очередь приводит к потерям мощности по холоду внутреннего блока. Примечательно, что потери мощности внутренних блоков для систем «чиллер – фанкойлы» значительно больше, чем потери VRF систем. Объяснить этот факт довольно просто, если рассмотреть процесс теплопередачи внутреннего блока:

( )охлсрвоздвн ttFkQ −××= .. (1) где k - коэффициент теплопередачи внутреннего блока, Вт/(м2˚С); F - площадь теплообменной поверхности внутреннего блока, м2;

..срвоздt - средняя температура воздуха во внутреннем блоке, ˚С;

охлt - температура охлаждающей среды, ˚С. Произведение постоянная величина, зависящая от конструктивных особенностей внутреннего блока. А вот разности температур

Fk ×( )охлсрвозд tt −.. для фреоновых и водяных

систем значительно отличаются друг от друга. При средней температуре воздуха во внутреннем блоке 20 ˚С, температура теплообменника для VRF систем постоянна и равна температуре кипения фреона +5 ˚С (разность температур 15 ˚С). Для водяных систем эта температура равна средней температуре охлажденной воды +10 ˚С (разность температур

10 ˚С). Поэтому даже в начальных условиях температурный потенциал для процесса теплообмена у VRF систем в 1,5 раза больше. Вывод 1. При одинаковой номинальной мощности охлаждения фактическая мощность охлаждения фанкойлов значительно меньше мощности внутренних блоков VRF систем (до 30 %).

2. Точность поддержания температуры внутреннего воздуха. Процесс регулирования мощности внутренних блоков VRF систем основан на изменении расхода фреона, поступающего во внутренний блок. Производительность по холоду внутреннего блока при этом:

фрвнвн qGQ ×= (2)

где внG - расход фреона во внутреннем блоке, кг/с;

фрq - теплота фазового перехода 1 кг фреона, Дж/к Так как для получения холода используется теплота фазового перехода, температура хладоносителя (температура кипения фреона) постоянна и равна +5 ˚С. Следовательно, процесс регулирования температуры внутреннего воздуха строится только на компенсации тепловых возмущений окружающей среды. У систем «чиллер – фанкойлы» источником холода для фанкойлов является охлажденная вода. Параметры охлажденной воды (холодоносителя) постоянно меняются в первую очередь за счет ступенчатого регулирования мощности чиллера. Также возмущающее воздействие на температуру охлажденной воды вносят неравномерный режим потребления холода фанкойлами и изменение давления в подающей и обратной магистралях. Температура охлажденной воды в подающей магистрали постоянно меняется в пределах 7÷10 ˚С. Поэтому процесс регулирования температуры внутреннего воздуха систем «чиллер – фанкойлы» строиться не только на компенсации тепловых возмущений окружающей среды, но и на компенсации нестационарных параметров холодоносителя (рис. 4).

Требуемая мо

щность

VRF системы «чиллер – фанкойлы»

Время

Рис. 4. Сравнительная точность поддержания требуемой мощности охлаждения. Вывод 2. Благодаря постоянной температуре хладоносителя VRF системы обладают лучшими характеристиками для точной регулировки температуры внутреннего воздуха.

3. Поддержание относительной влажности внутреннего воздуха. Область комфортных (оптимальных) значений параметров внутреннего воздуха ограничена линиями относительной влажности 30 – 60 % и температуры 20 – 25 ˚С (рис.

5). Системы комфортного кондиционирования, к которым без сомнения принадлежат VRF системы и системы «чиллер – фанкойлы», должны поддерживать параметры внутреннего воздуха в пределах данной области. Если значения требуемой температуры внутреннего воздуха можно задавать и поддерживать с помощью внутреннего блока местного кондиционера, то значения относительной влажности нельзя задавать и поддерживать с помощью систем данного класса, хотя в процессе охлаждения воздуха будет происходить его осушение. С другой стороны количество поступающей влаги в помещения от людей, с приточным воздухом и т.д. постоянно изменяется. Поэтому значение относительной влажности, которое установится в помещении, зависит как от характеристик кондиционера, так и от характеристик помещения. Что бы определить фактическое значение относительной влажности помещения с местным кондиционированием, рассмотрим процесс охлаждения воздуха. Основной характеристикой, влияющей на относительную влажность помещений при кондиционировании, является луч процесса (углового коэффициента) ассимиляции тепло и влагоизбытков помещения:

вл

изб

МQ

dI

=×∆∆

= 1000ε (3)

Где I∆ - разница энтальпий между начальным и конечным состоянием процесса, кДж/кг. d∆ - разница влагосодержаний между начальным и конечным состоянием процесса, г/кг. избQ - полные тепловыделения в помещении, Вт.

влМ - влаговыделения в помещении, г/с. Для офисных помещений, как наиболее часто использующих системы кондиционирования, луч процесса принимает значения от 5000 до 15000 кДж/кг. Процесс обработки внутреннего воздуха системами кондиционирования типа VRF и «чиллер – фанкойлы» выглядит следующим образом (рис. 5):

Рис. 5. Область оптимальных значений внутреннего воздуха (зеленые линии), процесс обработки воздуха VRF системами (красная линия), процесс обработки воздуха фанкойлами (синяя линия). Так как средняя температура холодоносителя в системах «чиллер – фанкойлы» больше, чем температура кипения фреона во внутренних блоках VRF систем, линия процесса обработки воздуха фанкойлами на i-d диаграмме сдвинута вправо, при равном угловом коэффициенте. Это приводит к повышенному значению относительной влажности помещений для водяных систем при одинаковой температуре внутреннего воздуха. Повышенная влажность внутреннего воздуха приводит к ухудшению теплообмена организма человека с окружающей средой, поэтому для обеспечения теплового комфорта необходима пониженная температура внутреннего воздуха, что в свою очередь требует больших затрат энергии. Вывод 3.

При одинаковой температуре внутреннего воздуха в помещениях с системами кондиционирования типа «чиллер – фанкойлы» поддерживается повышенное значение относительной влажности. Это приводит к ухудшению теплообмена организма человека с окружающей средой и необходимости пониженной температуры внутреннего воздуха.

4. Воздушный режим кондиционируемых помещений. Выбор типа и характеристик внутреннего блока производится с учетом воздушного режима помещения. Для этого необходимо учитывать максимальную скорость движения воздуха в рабочей зоне и допустимое отклонение скорости воздушной струи от расчетной скорости в рабочей зоне. Параметры внутренних блоков фреоновых и водяных систем кондиционирования (таблицы 3, 4 – номинальные условия).

Таблица 3. Внутренние блоки кассетные VRF системы GENERAL серии S

Модели AUG7 AUG9 AUG14 AUG18 Мощность охлаждения, кВт

2,15 2,8 4,0 5,0

Расчетный расход воздуха, м3/ч

530 530 580 640

Удельный расход воздуха, м3/(ч*кВт)

246 189 145 128

Таблица 4.

Фанкойлы кассетные LENNOX Модели CWC020 CWC030 CWC040 CWC050 Мощность охлаждения, кВт

1,95 2,7 3,3 4,2


650 650 880 920

Удельный расход воздуха, м3/(ч*кВт)

333 240 266 219

Процесс охлаждения воздуха в местных системах с фреоновым хладоносителем протекает при большем градиенте температур, так как температура кипения фреона составляет около +5 ˚С, а средняя температура воды в фанкойлах около +10 ˚С. Поэтому для увеличения теплообмена водяные системы по сравнению с фреоновыми обладают несколько большим удельным расходом воздуха (порядка 250 м3/(ч*кВт). Для оценки величин скорости воздуха свяжем среднюю подвижность воздуха в объеме помещения с расходом подаваемого воздуха [3]. Исходя из баланса кинетической энергии приточной струи и воздуха помещения можно написать следующее уравнение:

22

22ср

вVMVG = (6)

где вG - массовый расход воздуха через местный кондиционер, кг/с;

V - скорость воздуха на выходе из местного кондиционера, м/с; помWМ ×= ρ - масса воздуха в объеме помещения, кг.

срV - средняя квадратичная скорость воздуха в объеме помещения, м/с. Отсюда можно определить среднюю скорость воздуха в помещении:

пом

вср W

LVMG

VV == (7)

Учитывая, что удельная тепловая нагрузка помещений в среднем равна 150 Вт/м2, возможно определить среднюю скорость воздуха в помещениях для VRF систем и систем «чиллер – фанкойлы». Для VRF систем:

смW

LVVпом

ср /19,03600

5016,04 =×

== (8)

Для систем «чиллер – фанкойлы»:

смW

LVVпом

ср /24,03600

5025,04 =×

== (9)

Максимальная скорость воздуха в рабочей зоне кондиционируемых помещениях составляет 0,2 м/с. Поэтому VRF системы кондиционирования удовлетворяют этому условию, а системы «чиллер – фанкойлы» создают повышенные скорости воздушных потоков. Пользуясь формулой (7) необходимо иметь в виду, что рассчитанная средняя квадратичная скорость воздуха относится ко всему объему помещения, в то время как подвижность воздуха нормируется в рабочей зоне. Поэтому формула (7) при подаче воздуха в верхнюю зону дает завышенный результат скорости воздуха в рабочей зоне, а при подаче воздуха в рабочую зону – заниженный. Вывод 4. Средняя скорость воздушных потоков в кондиционируемом помещении при использовании систем «чиллер – фанкойлы» больше, чем средняя скорость воздушных потоков при использовании VRF систем.

5. Уровень шума внутренних блоков. Уровень шума в значительной степени зависит от расхода воздуха через внутренний блок (фанкойл). При одинаковой мощности охлаждения VRF системы обладают меньшими расходами воздуха, следовательно, меньшим уровнем шума (таблицы 5 и 6).

Таблица 5. Фанкойлы кассетные LENNOX

Модели CWC020 CWC030 CWC040 CWC050 Мощность охлаждения, кВт

1,95 2,7 3,3 4,2


650 650 880 920

Уровень шума, dB(A) 40 40 44 48



2,15 2,8 4,0 5,0


530 530 580 640

Уровень шума, dB(A) 38 38 41 44 Вывод 5.

Уровень шума внутренних блоков VRF систем меньше уровня шума фанкойлов при равной холодопроизводительности.

6. Надежность систем кондиционирования. Надежность систем кондиционирования напрямую зависит от степени обеспеченности (или необеспеченности) параметров внутреннего микроклимата кондиционируемых помещений, которая нормируется и зависит от класса СКВ.

Таблица 7 Нормируемая степень обеспеченности параметров внутреннего воздуха

Класс СКВ Необеспеченность (вероятность отказа) при односменной работе,

час/год.

Необеспеченность (вероятность отказа) при круглосуточной

работе, час/год. Первый 70 (0,03) 100 (0,01) Второй 175 (0,08) 250 (0,03) Третий 315 (0,15) 450 (0,05) Общая вероятность безотказной работы зависит от многих факторов, в том числе и от надежности конструкции систем кондиционирования. Кроме того, каждый фактор снижает общую вероятность безотказной работы системы кондиционирования. Единицы измерения надежности систем кондиционирования – часы в год – показывают необходимость учета не только количество выходов из строя оборудования (поломок) но и время для их устранения. Основное отличие VRF от систем «чиллер – фанкойлы» с точки зрения надежности заключается в модульности конструкции. Благодаря этому выход из строя одного элемента не приводит к остановке всей системы кондиционирования. С другой стороны, большее количество элементов в системе кондиционирования VRF приводит к большей вероятности отказа одного из них. Чтобы оценить эти два фактора, рассмотрим надежность системы кондиционирования относительно любого контрольного помещения объекта кондиционирования. На обеспеченность параметров внутреннего воздуха влияют два фактора надежности: Первый фактор надежности - вероятность отказа - в данном случае будет зависеть от числа элементов системы кондиционирования и надежности каждого элемента:

.......... водтонасуэтрсфртоклвкнадеж wwwwwwwww ×××××××= , (10) где:

кw - надежность компрессоров;

вw - надежность вентиляторов;

клw - надежность клапанов;

фртоw . - надежность теплообменников фреон - воздух;

водтоw . - надежность теплообменников фреон - вода;

..трсw - надежность соединительных трубопроводов;

..уэw - надежность систем электронного управления;

насw - надежность насосов. Для систем VRF и «чиллер – фанкойлы» надежности каждого элемента подобны, но количество элементов систем различны (рис. 1, рис. 2). Использование промежуточного

холодоносителя у водяных систем приводит к появлению в конструкции дополнительных элементов: циркуляционных насосов, теплообменников фреон – вода и т.д. Поэтому надежность системы кондиционирования «чиллер – фанкойлы» для контрольного помещения с точки зрения количества отказов будет меньше. Второй фактор надежности – время ремонта – зависит в первую очередь от наличия вышедшего из строя элемента, времени его поставки и ремонта. Модульность конструкции VRF систем в данном случае значительно упрощает процесс ремонта и длительность поставки необходимого оборудования. Например, срок поставки вышедшего из строя компрессора на систему «чиллер – фанкойлы» может занимать до двух месяцев. А капитальный ремонт VRF системы не требует больше двух – трех дней, так как однотипное оборудование всегда присутствует на складе. Вывод 6. Благодаря модульности конструкции и отсутствию промежуточного контура холодоносителя надежность VRF систем для контрольного помещения выше.

Сравнение систем кондиционирования по конструктивно – компоновочным критериям

7. Габаритные размеры внутренних блоков (фанкойлов).

Интенсивность теплообмена между холодоносителем и воздухом помещения зависит от градиента температур теплообменивающихся сред (формула 1). Благодаря использованию прямого испарения, при средней температуре воздуха во внутреннем блоке 20 ˚С, температура теплообменника для VRF систем постоянна и равна температуре кипения фреона +5 ˚С (разность температур 15 ˚С). Для водяных систем эта температура равна средней температуре охлажденной воды +10 ˚С (разность температур 10 ˚С). Поэтому температурный потенциал процесса теплообмена у VRF систем в 1,5 раза больше, чем у систем «чиллер – фанкойлы». Следовательно, при одинаковой мощности внутреннего блока площадь теплообменной поверхности фанкойла в 1,5 раза больше, чем площадь теплообменной поверхности внутренних блоков VRF систем (таблица 8 и таблица 9).

Таблица 8. Фанкойлы кассетные LENNOX

Модели CWC020 CWC040 CWC070 CWC090 Мощность охлаждения, кВт

2,0 4,4 6,7 8,5

Габариты, мм. 575*575*298 575*575*298 1175*575*298 1175*575*298Объем, м3 0,099 0,099 0,201 0,201



2,15 5,0 7,05 8,8

Габариты, мм. 570*570*230 570*570*230 830*830*246 830*830*246 Объем, м3 0,075 0,075 0,169 0,169 Вывод 7. При одинаковой мощности внутреннего блока и фанкойла, объем фанкойла больше объема внутреннего блока VRF систем.

8. Габаритные размеры наружных блоков (чиллеров).

Благодаря отсутствию промежуточного теплообменника в системах VRF габариты одного наружного блока всегда меньше габаритов чиллера, при одинаковой мощности охлаждения (таблица 10 и таблица 11).

Таблица 10. Наружные блоки VRF систем GENERAL серий J, S и Sup

Модели AOG54 J AOG90 S AOG126 Sup 7 блоков AOG126 Sup

Мощность охлаждения, кВт

15,4 28 40 280

Габариты, мм. 900*900*370 1380*1300*650 1500*1300*650 7*1500*1300*650Объем, м3 0,30 1,17 1,27 8,87

Таблица 11. Чиллеры с воздушным охлаждением и

встроенным гидравлическим модулем LENNOX Модели ECOLEAN

STD 0151 ECOLEAN STD 0251

ECOLOGIC SLN 40

ECOLOGIC SLN 300

Мощность охлаждения, кВт

13 23 41 286

Габариты, мм. 1195*660*1395 1195*980*1615 3304*1083*1942 6404*1904*2002Объем, м3 1,10 1,89 6,94 24,4 При использовании VRF систем для кондиционирования объектов с большой величиной теплоизбытков применяют модульный принцип набора требуемой мощности. Для систем «чиллер – фанкойлы» практически всегда можно подобрать один чиллер с требуемой производительностью по холоду. Примечательно, что и в этом случае занимаемый оборудованием объем для VRF систем значительно меньше. Вывод 8. При одинаковой мощности наружных блоков VRF систем и чиллера, занимаемый чиллером объем больше объема наружных блоков VRF систем.

9. Габаритные размеры соединительных трубопроводов. Принципиальным отличием в функционировании VRF систем и систем «чиллер – фанкойлы» является использование различных типов энергоносителей для транспортировки холода от его источника к потребителям. Водяные системы используют воду или незамерзающие жидкости, поэтому основным параметром, влияющим на расход энергоносителя, является его теплоемкость:

( )подобр

хол

ttcQG

−×= (11)

Чем больше удельная теплоемкость энергоносителя с (кДж/(кг*˚С)) и перепад температур между подающей и обратной линией (tобр – tпод) (˚С), тем меньше расход охлаждающей жидкости G и меньше диаметр трубопровода. VRF системы используют для процесса охлаждения теплоту фазового перехода.

фр

хол

qQG = (12)

где фрq - теплота фазового перехода 1 кг фреона, Дж/кг.

Сравнительные характеристики различных энергоносителей представлены в таблице 12. Таблица 12.

Система кондиционирования

«чиллер – фанкойлы»

«чиллер – фанкойлы»

VRF S GENERAL

VRF Sup GENERAL

Холодоноситель Вода 40% раствор этиленгликоля

Фреон R22 Фреон R410A

Теплоемкость, кДж/(кг*˚С)

4,19 3,82 - -

Энергоемкость, кДж/кг 21 19 201 222 Плотность, кг/м3 1000 1032 1267(ж)

25 (г) 1152 (ж)

34 (г) Объемная энергоемкость (жидкость), кДж/м3

21000 19716 254667 255744

Диаметр трубопровода для 28 кВт холодильной нагрузки (подача), мм

40 50 12,7 9,52

Диаметр трубопровода для 28 кВт холодильной нагрузки (обратка), мм

40 50 28,53 22,22

Вывод 9. Объемная энергоемкость фреона в 14 раз больше объемной энергоемкости воды. Благодаря использованию в VRF системах фреона как энергоносителя размеры соединительных фреонопроводов в несколько раз меньше, чем размеры трубопроводов систем «чиллер – фанкойлы».

10. Ограничения на длину магистралей и перепад высот между элементами оборудования.

Энергетические характеристики фреона в значительной степени зависят от его фазового состояния. Фазовое состояние в свою очередь зависит от давления в рассматриваемой точке фреонопровода. Движение жидкого хладагента в трубопроводе приводит к появлению потерь давления по длине и на местных сопротивлениях, что является причиной вскипания хладагента и потери холодильной мощности. Поэтому для VRF систем в отличие от систем «чиллер – фанкойлы» характерны ограничения по максимальной длине трубопроводов и перепаду высоты между наружным и внутренними блоками.

Рис. 6. Ограничения максимальной длины трубопроводов и перепада высот между внутренними и наружным блоками. Вывод 10. Для VRF систем характерны ограничения на длину трубопроводов и перепады высот между оборудованием. Для систем «чиллер – фанкойлы» таких ограничений нет.

Сравнение систем кондиционирования по эксплуатационно - энергетическим критериям

11. Максимальный расход электроэнергии (установочная мощность).

Критерий энергоэффективности оборудования при выборе системы кондиционирования зачастую становится определяющим. Такой подход обоснован не только экономией энергии в период эксплуатации. Так как подводимая энергия тратиться только по назначению, то, как правило, энергоэффективное оборудование отличается лучшими показателями надежности, меньшими уровнями шума и вибрации, большим сроком эксплуатации. Для оценки энергетических характеристик холодильных установок чаще используется холодильный коэффициент ε (СОР)

NQQ хпx )( ..−

=ε (13)

Конструкция холодильного контура VRF систем кондиционирования воздуха и систем «чиллер – фанкойлы» значительно отличаются друг от друга, что логично приводит к различным величинам холодильного коэффициента. Холодопроизводительность системы кондиционирования (кВт) зависит от величины теплоизбытков объекта кондиционирования и является одинаковой величиной для VRF систем и систем «чиллер – фанкойлы». Кроме холодопроизводительности существует величина потерь холода (кВт) при его транспортировке от чиллера к фанкойлам. Потери холода для систем «чиллер – фанкойлы» можно определить по формуле:

хQ

..хпQ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−××=2..

опвтртрхп

tttFkQ (14)

Где: трk - коэффициент теплопроводности стенок и изоляции подающего и обратного

трубопроводов охлажденной жидкости, кВт. трF - площадь поверхности трубопроводов охлажденной жидкости, аккумулирующего

бака, циркуляционных насосов, запорно-регулирующей арматуры, м2. вt - температура внутреннего воздуха, ˚С.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

2оп tt - средняя температура охлажденной жидкости.

Величина потерь холода (кВт) при его транспортировке нормируется и ограничена 10% от мощности холодильной машины. Фактическая величина потерь зависит от эффективности тепловой изоляции и, как правило, составляет 3% от мощности холодильной машины.

..хпQ

VRF системы используют для транспортировки холода от наружных блоков к внутренним жидкий фреон. Причем температура фреона падает только во внутреннем блоке, а температура подающего трубопровода равна температуре окружающей среды, поэтому потерь холода через поверхность трубопроводов для VRF систем нет.

Величины энергопотребления (кВт) для рассматриваемых систем также различны. Энергопотребление VRF систем складывается из энергопотребления компрессоров , вентиляторов наружных блоков , вентиляторов внутренних блоков :

NкN

... вентбнN ... вентбвнN

...... вентбвнвентбнкVRF NNNN ++= (15) Энергопотребление систем «чиллер – фанкойлы» складывается из энергопотребления компрессоров , вентиляторов холодильных машин , вентиляторов фанкойлов

и циркуляционных насосов : кN ..вентчN

..вентфN ..насцN

...... насцвентфвентчкФЧ NNNNN +++=− (16) Посчитаем энергопотребление рассматриваемых систем кондиционирования на 100 кВт холодильной мощности. Для VRF систем (на основе S серии GENERAL):

NVRF = 31,07 + 1,07 + 0,55 = 32,69 кВт

Для систем «чиллер – фанкойлы» (на основе серии ECOLOGIC LENNOX): NЧ-Ф = 38,18 + 3,41 + 1,31 + 2,66 = 45,56 кВт

Отсюда можно определить холодильный коэффициент в расчетном (максимальном) режиме: Для VRF систем:

кВтN

QQVRF

хпx 06,369,32

)0100()( .. =−

=−

=ε

Для систем «чиллер – фанкойлы» (на основе серии ECOLOGIC LENNOX):

кВтN

QQФЧ

хпx 13,256,45

)3100()( .. =−

=−

=−

ε

Вывод 11. За счет отсутствия циркуляционных насосов и потерь холода по длине трубопроводов максимальный расход электроэнергии (установочная мощность) для VRF систем в полтора раза меньше, чем для систем «чиллер – фанкойлы при одинаковой полезной холодопроизводительности.

12. Средний расход электроэнергии за сезон (энергопотребление). Потребление электрической энергии системами кондиционирования воздуха в энергетическом балансе здания в теплый период занимает ведущее место. Достаточно отметить, что на кондиционирование одного квадратного метра площади здания расходуется от 30 до 70 Вт электроэнергии. Тенденция роста тарифов требует внимательного отношения к расходованию энергии и внедрения различных энергосберегающих технологий в системах кондиционирования воздуха. Для проектирования систем кондиционирования воздуха важно знать как максимальную (расчетную) величину энергопотребления системами кондиционирования, так и средние значения за сезон. Причем на величину энергопотребления здания в первую очередь влияют именно средние величины. На территории России значения расчетных температур наружного воздуха приведены в таблице 2.

Таблица 13.

Расчетные значения температуры наружного воздуха в теплый период.

Город Параметры Б Параметры А Средняя температура, ºС.

ºС. ºС.

Москва 28,5 22,3 18,2

С. Петербург 24,8 20,6 16,4

Мурманск 22 16,6 15

Краснодар 30,8 28,6 19,4

Сочи 30,2 25,9 19,1

Пермь 26,3 21,8 17,2

Якутск 28,6 23 18,3

Если величина наибольшего энергопотребления наблюдается при наибольших температурах наружного воздуха, то расчетная средняя температура наружного воздуха для определения энергопотребления системами кондиционирования в теплый период лежит в диапазоне от расчетной максимальной температуры (параметры Б) до средней температуры наружного воздуха в теплый период. Следовательно, необходимый температурный диапазон для определения энергоэффективности систем кондиционирования воздуха лежит в пределах от +15 ºС, до +20 ºС.

Также на величину среднего энергопотребления влияет степень загрузки системы кондиционирования. Максимальная холодопроизводительность наблюдается в период максимальных наружных температур. Большую часть времени системы кондиционирования работают при загрузке от 50% до 80% своей максимальной мощности.

Рисунок 7.

Изменение холодильного коэффициента при изменении температуры наружного воздуха и степени загрузки системы

012345678

35 (100%) 31 (90%) 27 (80%) 23 (70%) 19 (60%) 15 (50%)

Температура наружного воздуха, С (загрузка системы)

Холо

диль

ный

коэф

фиц

иент

VRF GENERAL "чиллер-фанкойлы"

При уменьшении температуры наружного воздуха и степени загрузки системы холодильный коэффициент VRF систем увеличивается. Для систем «чиллер – фанкойлы»

также происходит увеличение холодильного коэффициента, но в значительно меньшей степени.

Сравнивая значения холодильных коэффициентов VRF систем и систем «чиллер – фанкойлы», можно отметить, что лидирующее положение по данному фактору занимают VRF системы. Причем если при максимальных нагрузках холодильный коэффициент отличается примерно в полтора раза, то при средних нагрузках за сезон холодильный коэффициент VRF систем больше практически в два раза.

Вывод 12. Средний расход электроэнергии (энергопотребление) для VRF систем в полтора – два раза меньше, чем для систем «чиллер – фанкойлы при одинаковой полезной холодопроизводительности.

Сравнение систем кондиционирования по экономическим критериям

13. Капитальные затраты.

Величина капитальных затрат нередко становиться определяющей при выборе варианта системы кондиционирования. Многозональные системы кондиционирования, к которым относятся как VRF системы, так и системы «чиллер – фанкойлы», предназначены для обслуживания помещений с различным тепловым режимом. Причем необходимо разделять помещения, тепловой режим которых может отличаться друг от друга по величине, и помещения, величина теплоизбытков которых может отличаться и по величине и по знаку. Для начала рассмотрим помещения, величина теплоизбытков которых отличается друг от друга по величине (рис. 8). К таким объектам кондиционирования относятся помещения, расположенные по разным фасадам здания.

Рис. 8. Неравномерный тепловой режим помещений. Так как функциональные зависимости изменения теплоизбытков помещений совершенно различны, невозможно использование систем кондиционирования с регулированием мощности по какому-либо одному помещению. Если мы настроим однозональную систему кондиционирования на поддержание температуры внутреннего воздуха в одном из помещений, то в других помещениях может наблюдаться как переохлаждение воздуха, так и его недостаточное охлаждение. Вообще тепловой режим любых помещений является в большей или меньшей степени неравномерным. Поэтому многозональные системы кондиционирования являются сегодня единственным вариантом, обеспечивающим возрастающие требования к индивидуальному комфорту пользователей.

Регулирование мощности многозональных систем кондиционирования производится как по всей системе в целом, так и индивидуально по помещениям. Характеристики многозональных систем кондиционирования воздуха показаны в таблице 14.

Таблица 14. Характеристики

многозональных СКВ «Чиллер – фанкойлы» VRF

Тип системы Двухтрубные фанкойлы с трехходовыми вентилями и системой автоматизации

Двухтрубные VRF системы

Производитель (модель)

LENNOX (COMFAIR HC) GENERAL (серии J, S, Sup)

Капитальные затраты за 1 кВт

700$- 1500$ 720$ - 900$

Коэффициент энергетической эффективности

1,9 – 3,0 3,1 – 5,5

В переходный период обеспечение комфортного микроклимата в помещениях офисных зданий возможно при применении многозональных СКВ, которые позволяют не только индивидуально регулировать расход холода или тепла, но и индивидуально изменять режим работы местного кондиционера (внутреннего блока). Теплоизбытки таких помещений могут изменяться не только по величине, но и по знаку (рис. 9).

Рис. 9. Неравномерные и знакопеременные теплоизбытки помещений. Многозональные системы кондиционирования с независимым выбором режима работы с одной стороны достаточно дороги, но с точки зрения энергоэффективности и комфортности микроклимата являются вершиной развития климатической техники. Пользователю такой системы кондиционирования не надо думать о том, в каком режиме включена вся система и где находится «главный» пульт управления, он устанавливает именно тот режим и параметры воздуха, которые ему в данный момент необходимы. Характеристики многозональных систем кондиционирования воздуха с независимым выбором режима работы показаны в таблице 15.

Таблица 15. Характеристики

многозональных СКВ «Чиллер – фанкойлы» VRF

Тип системы Четырех трубные фанкойлы с трехходовыми вентилями и системой автоматизации

Трехтрубные VRF системы

Производитель (модель) LENNOX (COMFAIR 4) GENERAL (серия S) Капитальные затраты за

1 кВт 950$- 1700$ 900$ - 1200$

Коэффициент 1,0 – 3,0 3,1 – 8,0

энергетической эффективности

При выборе системы кондиционирования воздуха необходимо в первую очередь учитывать характеристики объекта кондиционирования. Причем на конечную стоимость влияет не только величина, но и характер изменения расчетных теплоизбытков помещений. Наиболее распространенными являются на сегодня многозональные системы кондиционирования без возможности независимого изменения режима работы (таблица 14), хотя наиболее функциональными (комфортными) являются многозональные СКВ с независимым выбором режима работы. Трехтрубные VRF системы кондиционирования, по сравнению с другими представителями класса многозональных систем, обладают максимальными показателями энергетической эффективности. Распределение затрат по статьям «оборудование», «материалы», «монтаж» для данных систем неодинаково (рис. 10).

VRF

74%

15%

11%

"Чиллер - фанкойлы"

57%23%

20%

Рис. 10. Распределение затрат по статьям «оборудование», «материалы», «монтаж». Стоимость оборудования для VRF систем занимает большую часть капитальных затрат (74%). Для систем «чиллер – фанкойлы» стоимость оборудования значительно меньше и занимает около 50% капитальных затрат. Больший объем монтажных работ для систем «чиллер – фанкойлы» требует больших затрат по статье «монтаж». По сравнению с VRF системами стоимость монтажных работ в два раза больше. Большое влияние на выбор системы кондиционирования имеет удельная стоимость систем кондиционирования на 1 кВт мощности охлаждения (рис. 11).

0

500

1000

1500

2000

2500

30 230 430 630 830

Теплоизбытки, кВт.

Удельн

ые капи

таль

ные затраты

, $/кВ

т.

VRF системадвухтрубная

VRF систематрехтрубная

Двухтрубныефанкойлы иреверсивный чиллер

Четырехтрубныефанкойлы,реверсивный чиллер,теплоснабжение

Рис. 11. Удельная стоимость систем кондиционирования Чем больше объект кондиционирования, тем больше величина его теплоизбытков. А такая характеристика оборудования, как мощность охлаждения, значительно влияет на удельную стоимость одного кВт холода. Для систем «чиллер – фанкойлы» происходит значительное уменьшение удельной стоимости оборудования при применении более мощного оборудования. А для VRF систем, отличающихся модульным принципом построения, либо не происходит изменения удельной стоимости при изменении суммарной мощности, либо происходит увеличение удельной стоимости (так как больший объект требует большей длины соединительных трубопроводов). Вывод 13. Удельные капитальные затраты значительно зависят от характеристик и величины объекта кондиционирования. Если требуемая мощность охлаждения меньше 400 кВт удельные капитальные затраты меньше для VRF систем, если больше 400 кВт - то для систем «чиллер – фанкойлы». Сводная таблица сравнительных характеристик систем VRF и «чиллер

– фанкойлы»

Критерий сравнения VRF Чиллер - фанкойл

Стабильность холодопроизводительности внутренних блоков (фанкойлов) при изменении температуры в кондиционируемом помещении.

да нет

Точность поддержания температуры внутреннего воздуха.

да нет

Относительная влажность внутреннего воздуха.

меньше больше

Скорость воздушных потоков в помещении меньше больше Уровень шума внутренних блоков. меньше больше Надежность систем кондиционирования. больше меньше Габаритные размеры внутренних блоков меньше больше Габаритные размеры наружных блоков (чиллеров).


Габаритные размеры соединительных трубопроводов.


Ограничения на длину магистралей и перепад высот между элементами оборудования

есть нет

Максимальный расход электроэнергии (установочная мощность).


Средний расход электроэнергии за сезон (энергопотребление).


Капитальные затраты. 720-1200 $/кВт 700-1500 $/кВт Текущие затраты меньше больше Общие затраты (до 600 кВт холода) меньше больше Общие затраты (более 600 кВт холода) больше меньше Список литературы.

1. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. – М.: Стройиздат, 1990.

2. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». ГОССТРОЙ РОССИИ, Москва, 2004.

3. Сотников А.Г. Современные автономные кондиционеры (теория, оборудование, проектирование, испытание, эксплуатация). СПБ. 2004.

4. FUJITSU GENERAL LIMITED. Variable Refrigerant Flow System. Multi Air Conditioning System for Buildings. Technical data. 2004.

5. LENNOX. Каталог продукции. 2003.

Documents

VRF или чиллер - Кондиционеры GENERAL · Рис. 2. Принципиальная схема vrf системы кондиционирования. В отличие