Системы с переменным расходом хладагента (VRF- Variable Refrigerant Flow), которые были впервые разработаны и применены в Японии более 20 лет назад, к настоящему времени стали популярны во многих странах мира, тогда как в Соединенных Штатах они пока практически неизвестны. Данная технология, постепенно расширяя свое присутствие в мире, появилась на европейских рынках в 1987 году, и неуклонно продолжает завоевывать все большую долю рынка по всему миру. В Японии системы VRF используются примерно в 50% коммерческих зданий среднего размера (6500 м2) и в одной трети крупных коммерческих зданий (свыше 6500 м2).
Хотя активный маркетинг VRF-систем в США начался только два-три года назад, в этом году (2007) в США, вероятно, будет продано несколько тысяч систем. Конечно, рынок по-прежнему очень мал по сравнению с рынком систем на базе водоохлаждающих машин, но системы VRF продаются в США как минимум уже пятью производителями. Успех систем VRF в других странах и их исторически ограниченное присутствие на рынке США имеет несколько источников, в том числе:
• Различия в традициях реализации систем ОВиК в строительстве;
• Многолетняя история и обширная база реализованных в США систем центрального воздушного кондиционирования с непосредственным кипением хладагента (DX) и на базе водоохлаждающих машин в сравнении, например, с Европой, где до последних десятилетий многие здания вообще не имели центральных систем кондиционирования воздуха;
• Различия в нормативной документации (например, в Японии приняты нормативные акты, препятствующие применению электрических водоохлаждающих машин для кондиционирования зданий);
• Технология VRF была разработана и активно продвигалась азиатскими компаниями, которые до недавнего времени имели ограниченное присутствие на рынке США. Кроме того, владельцы зданий настороженно относятся к поставщикам оборудования HVAC, у которых пока нет подтвержденной многолетней практикой инфраструктуры, обеспечивающей доступность запасных частей и профессиональную техническую поддержку.
Что такое VRF?
Многие профессиональные компании на рынке систем ОВиК знакомы с фреоновыми сплит-системами кондиционирования, а также вариантом сплит-системы с несколькими внутренними блоками, подключенных к одному компрессорно-конденсаторному блоку, называемым «мультисплит-система». Указанные системы не имеют воздуховодов и принципиально отличаются от систем с воздуховодами тем, что теплота переносится из помещения непосредственно циркулирующим хладагентом в испарителе внутренних блоков, расположенных внутри кондиционированного пространства. Напротив, традиционные системы кондиционирования передают теплоту из помещения в хладагент посредством циркуляции по всему зданию воздуха (в канальных системах) или воды (в системах с водоохлаждающими машинами).
Системы VRF представляют собой более сложные версии мультисплит-систем с внутренними блоками без воздуховодов, но с дополнительной возможностью подключения блоков канального типа. Они по своей конструкции намного сложнее, чем мультисплит-системы, поскольку имеют несколько компрессоров, большое количество внутренних блоков, подключаемых к одному наружному блоку, а также многофункциональные системы управления, контролирующие потоки масла и хладагента. Однако, эти системы не обеспечивают вентиляцию помещений, и поэтому необходимо предусматривать отдельную систему для вентиляции.
Термин «переменный расход хладагента» определяет способность системы кондиционирования контролировать количество хладагента, поступающего в испаритель каждого внутреннего блока, что позволяет использовать множество внутренних блоков различных типов и производительности. Это позволяет обеспечить пользователям индивидуальное управление комфортными параметрами в помещении, одновременный нагрев и охлаждение воздуха в различных зонах здания, и перенос теплоты (рекуперацию) из одной зоны в другую. Алгоритм управления расходом хладагента, являющийся основой систем VRF, является технически сложной задачей, решение которой создает множество преимуществ данной системы. На рисунке 1 показана стандартная конфигурация VRF, а на рисунке 2 показан вариант системы с рекуперацией теплоты, обеспечивающий одновременный нагрев и охлаждение воздуха в различных помещениях здания.
Преимущества VRF-систем
Системы VRF имеют несколько ключевых преимуществ, в том числе:
• Преимущества при монтаже. Монтаж водоохлаждающих машин зачастую не обходится без мощных подъемно-транспортных механизмов, тогда как компактные модульные наружные блоки VRF, обладая малыми массой и габаритами могут быть доставлены на место монтажа при помощи стандартных лифтов. Несколько этих модулей могут быть использованы для построения системы с холодопроизводительностью в сотни киловатт. Каждый наружный блок, состоящий их одного модуля (или из нескольких модулей) имеет свой независимый контур охлаждения, в который входит большое количество внутренних блоков, и функционирование всех этих элементов системы осуществляется с помощью общей системы управления. Модульность конструкции VRF также позволяет осуществлять поэтапный или поэтажный ввод в эксплуатацию системы кондиционирования, например, если здание занято лишь частично, то микроклимат создается только в определенных помещениях. Это аналогично применяемым до настоящего времени автономным системам с переменным расходом воздуха (VAV). Относительно небольшой вес наружных блоков также может снизить требования к усилению конструкций кровли зданий. Поскольку воздуховоды в системе требуются только для подачи свежего воздуха без его охлаждения, то сечения таких воздуховодов будут гораздо меньше, чем сечения воздуховодов воздуховоды в традиционных системах воздушного охлаждения, что также позволяет экономить затраты на строительство.
В тех случаях, когда в здании имеются открывающиеся окна, которые могут обеспечить требуемый нормативами приток свежего воздуха, системы VRF исключительно подходят для оснащения системами кондиционирования старых, и особенно исторических зданий без нарушения их архитектуры и внутренней. И наконец, поскольку наружные блоки VRF обычно размещаются на снаружи, то отпадает необходимость в выделении специальных технических помещений под оборудование.
• Многовариантность конструкции системы. К одному наружному блоку могут быть подключены множество внутренних блоков различной производительности (например, от 1,75 до 14 кВт) и различных типов (например, канальный, кассетный, настенный, напольный консольный). Современные VRF системы позволяют подключать до 20 внутренних блоков к одному конденсаторному блоку. Модульность конструкции наружного блока также позволяет использовать такую систему кондиционирования в случае реконфигурации пространства внутри реконструируемого здания, для чего может потребоваться дополнительная холодопроизводительность или увеличение количества внутренних блоков в качестве доводчиков.
• Техническое обслуживание и ввод в эксплуатацию. Системы VRF с их стандартизированными конфигурациями и сложным электронным управлением были созданы с целью обеспечить минимальные затраты при вводе в эксплуатацию, осуществляя принцип «включай и работай». Поскольку они представляют собой системы с непосредственным испарением хладагента DX, затраты на обслуживание VRF должны быть ниже, чем для водоохлаждающих машин с водяным охлаждением конденсатора, поскольку VRF системы не имеют проблем с очисткой воды. Обычное обслуживание VRF, как и в любой системе DX, состоит в основном из замены фильтров и очистки теплообменников. Однако системы кондиционирования на базе водоохлаждающих машин зачастую имеют срок службы от 20 до 30 лет, что гораздо больше, чем срок службы системы с непосредственным кипением хладагента, в частности VRF. Большое количество компрессоров в системах VRF создает более высокую вероятность отказа одного из компрессоров, хотя несколько компрессоров в одном холодильном контуре приводит, во многих случаях, к большей способности продолжать функционирование системы после проведения ремонта.
• Комфорт. Система VRF обслуживает большое число помещений в одном здании, причем в каждом осуществляется индивидуальное управление параметрами микроклимата, задаваемыми пользователем. Поскольку в системах VRF используются компрессоры с переменной частотой вращения и с широкими возможностями изменения производительности, согласно технической литературе производителей, точность поддержания заданных параметров температуры может составлять до ± 0,6 °C.
• Энергоэффективность. Энергоэффективность систем VRF зависит от нескольких факторов. VRF практически исключает потери теплоты в воздуховодах, которые часто оцениваются в пределах от 10% до 20% от общего воздушного потока в системе кондиционирования, в которой теплоносителем является воздух. Системы VRF обычно включают в себя от двух до трех компрессоров в одном наружном блоке, один из которых имеет переменную частоту вращения, что обеспечивает широкий диапазон изменения производительности системы. Такой подход обеспечивает высокую эффективность при частичной нагрузке, что выражается в высокой сезонной энергоэффективности, поскольку системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха обычно проводят большую часть своего рабочего времени в диапазоне от 40% до 80% от номинальной (максимальной) производительности.
В настоящее время не существует сертифицированной системы оценки для измерения энергетической эффективности систем VRF. Чтобы сделать точные, количественные сравнения систем VRF, должен быть выполнен тщательный анализ всех технических характеристик системы. (Сейчас такие методики разработаны и широко используются см. ГОСТ EN 14825-2017)
Для зданий, в которых помещения требуют одновременного нагрева и охлаждения воздуха, могут использоваться системы VRF с рекуперацией теплоты. В таких системах хладагент циркулирует между различными зонами, передавая теплоту от внутренних блоков, работающих в режиме охлаждения в помещения, в которых требуется нагрев воздуха. Каждый производитель таких систем с рекуперацией имеет собственную запатентованную конструкцию, однако большинство из них использует трехтрубную схему трубопроводов и специальные устройства – блоки рекуперации, содержащие систему клапанов и теплообменники, в которых происходит перераспределение потоков хладагента, которые направляются в зоны охлаждения или нагрева.
Модульность VRF систем также обеспечивает относительно простой метод подсчета потребляемой электроэнергии. Имеется в виду тот факт, что установка электрического счетчика на одном или нескольких компрессорно-конденсаторных блоках является относительно простым, точным и недорогим способом, тогда как измерение эффективности системы с охлажденной водой или другим теплоносителем является более сложным. Несмотря на сложность количественной оценки энергоэффективности, системы VRF имеют возможность осуществлять более высокое энергосбережение, особенно в многоквартирных зданиях, где затраты на создание микроклимата взимаются индивидуально с каждого арендатора, а не скрываться в общих расходах на аренду.
Капитальные затраты
Как и в случае систем с охлажденной водой, капитальные затраты или установленная стоимость (оборудование + его монтаж) на системы VRF сильно варьируются, зависят от проекта и трудно поддаются определению. По оценкам некоторых источников, затраты на организацию системы кондиционирования на базе систем VRF будут на 5–20% выше, чем затраты на систему с охлажденной водой, обеспечивающие эквивалентные производительности. Однако фактические капитальные затраты сильно зависят от проекта. В той же ссылке описывается проект офисного здания площадью 9300 м2 в Бразилии, где система VRF была примерно на 15–22% дороже, чем сопоставимая система с охлажденной водой, но отмечается, что на стоимость VRF была более высокой из-за импортных тарифов на оборудование VRF систем. Также упоминается немецкий отель площадью 4000 м2, где стоимость VRF системы была приблизительно такой же, как и у системы с моноблочной водоохлаждающей машиной. Сравнение, сделанное производителем VRF системы на 700 кВт с водоохлаждающими машинами с воздушным и водяным охлаждением, также показало, что надбавка к установленной стоимости составляет приблизительно от 5% до 20% для VRF, но это было основано на ожидаемых, а не фактических затратах.
Все эти оценки относятся к новому строительству. Замена водоохлаждающей машины и центрального кондиционера новой машиной и кондиционером обычно обходится гораздо дешевле, чем замена их на VRF и систему вентиляции. Основная проблема стоимости заключается в том, что для VRF потребуется прокладка сети фреонопроводов, в то время как в системе с холодильной машиной можно использовать существующие трубопроводы.
В некоторых случаях, когда например, доступ для установки новой холодильной машины требует больших затрат или даже разрушения перегородок или перекрытий, а также если водяные трубопроводы изношены и их невозможно заменить или отремонтировать, VRF система может иметь самую низкую установленную стоимость. Во многих других случаях VRF может и вообще не подходить для решения системы кондиционирования.
Применение
Системы VRF, как правило, лучше всего подходят для зданий с разнообразными зонами, требующими индивидуального контроля и управления параметрами температуры, таких как офисные здания, больницы или гостиницы. Система VRF не может конкурировать с системами на базе крышных кондиционеров (руфтопов) в больших малоэтажных зданиях, таких как супермаркеты и торговые центры. Хотя системы VRF в режиме теплового насоса могут работать при температуре окружающей среды до –20 ° C, их энергетическая эффективность значительно снижается при низких температурах, поэтому в холодных климатических условиях они менее экономичны по сравнению с газовым нагревом.
Выводы
Применение систем VRF не всегда возможно для оснащения больших коммерческих зданий. Тем не менее, эти системы являются еще одним инструментом в арсенале инженеров по ОВиК, а также отличным вариантом решения системы обеспечения комфортных параметров микроклимата для определенных проектов. По мере того, как все больше проектов реализуется с применением систем VRF, и приобретается дополнительный опыт их эксплуатации, многие из сомнений, ранее выраженных профессионалами отрасли по поводу данных систем, очевидно будут развеяны.
Данная статья была опубликована в журнале ASHRAE Journal в апреле 2007. © Copyright 2007 American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.