Классификация VRF-систем

Конструкции VRF-систем в настоящее время достаточно разнообразны. Рассмотрим VRF-системы с точки зрения их функциональных характеристик.

I. Классификация VRF-систем

Уровень классификации №1: по типу наружных блоков

С точки зрения типа наружных блоков VRF-систем, их мощности и назначения сложилось устойчивое их разделение на три класса.

Первый класс — «младшая» серия VRF-систем или, как её ещё называют, мини-VRF-системы. Основное конструктивное отличие — это горизонтальный выброс воздуха. Хотя производительность по холоду наружных блоков этих систем сегодня достаточно большая (до 56 кВт), обозначение «мини» уже как-то неактуально. Диапазон производительности составляет от 4 до 56 кВт, чего хватает не только для кондиционирования квартиры или коттеджа, но и, без сомнения, для кондиционирования офисных помещений.

Сравнивая с наружными блоками более мощных серий с вертикальным выбросом воздуха, можно понять, что отличия не только в мощности (на границах серий мощности как раз могут пересекаться), но и в конструктивных отличиях. «Младшей» серии не нужно иметь допустимую длину фреоновых магистралей, например, 200 м, в большинстве случаев достаточно 70 м. Поэтому конструкция наружного блока несколько упрощена. К тому же все мини-VRF-системы оснащены наружным блоком настенной установки, что удобнее на небольших объектах, кондиционирование которых осуществляется с помощью одного или двух наружных блоков (рис. 1).

Рис. 1. «Младшая» серия VRF-систем

Вторая по мощности и конструкции серия VRF-систем — стандартная, или моноблочная (рис. 2). Стандартная, потому что в настоящий период большинство применяемых наружных блоков на объектах в мире — некомбинированные блоки мощностью от 8 до 42 HP (22–117 кВт холода). Эта серия самая удобная для больших объектов, так как, с одной стороны, компоновочные характеристики уже позволяют набрать любую мощность охлаждения, возможная длина магистралей также максимальна для VRF-систем. С другой стороны, мощность наружного блока в пределах одного фреонового контура относительно небольшая, что удобно с точки зрения эксплуатации и надёжности всех систем в целом.

Рис. 2. Наружный блок мощностью 24 HP в моноблочном исполнении 

Третья серия — комбинированная или комбинаторная. Комбинированный из нескольких отдельных модулей наружный блок может иметь производительность у разных компаний от 14 до 120 HP, что соответствует мощности охлаждения от 40 до 336 кВт в пределах единого фреонового контура. Для компоновки нескольких наружных блоков в единый фреоновый контур ранее выпускали специальные «добавочные» блоки упрощённой конструкции для расширения мощности обычных «мастер»-блоков (рис. 3).

Рис. 3. Схема компоновки (устаревшая) комбинированных наружных блоков 30–42 HP

Сегодня в один фреоновый контур объединяют одинаковые наружные блоки, что позволяет осуществлять их ротацию в процессе работы с целью одинакового износа компрессоров (рис. 4).

Рис. 4. Подключение трёх современных наружных блоков в одну систему

Уровень классификации №2: по режимам функционирования

Второй уровень классификации включает различные варианты VRF-систем по возможным режимам функционирования. Системы самой простой конструкции — «только холод». Основное их назначение — охлаждение помещений в тёплый период года до требуемой температуры. С точки зрения мирового рынка данный класс оборудования находит применение в регионах со стабильно жарким климатом (Африка, Юго-Восточная Азия и т. д.).

Для России с её длительной и прохладной зимой в системах кондиционирования воздуха (СКВ) очень актуален режим теплового насоса. Поэтому 99% продаж в нашей стране приходится на VRF-системы с тепловым насосом («тепло/холод»).

С точки зрения цены данные системы ненамного дороже систем «только холод» (до 5%), но работа на выработку теплоты увеличивает период функционирования СКВ, тем более что тепловой коэффициент Coefficient of Performance (COP) у современных систем достаточно высок и составляет от 2,5 (при температуре наружного воздуха −20°C) до 4,0 (при температуре на улице +7°C).

VRF-системы кондиционирования с «рекуперацией тепла» позволяют пользователю, независимо от режима работы остальных внутренних блоков системы, выбирать те параметры в помещении и режим работы внутреннего блока, которые ему в данный момент необходимы. Системы с рекуперацией тепла построены на использовании трёхтрубных наружных блоков, которые одновременно подают к внутренним блокам как жидкий хладагент для блоков, работающих на охлаждение, так и газообразный высокого давления для блоков, работающих на обогрев. Хотя у компании Mitsubishi Electric система с рекуперацией реализована по двухтрубной схеме, и, в отличие от систем «тепло/холод», системы с рекуперацией содержат специальные блоки распределения хладагента, переключающие режим работы внутреннего блока.

За счёт более дорогих наружных блоков, стоимости добавочных блоков переключения хладагента и трёх труб обвязки вместо двух системы с рекуперацией тепла обходятся на 30–35% дороже, чем аналогичные по мощности VRF-системы «тепло/холод».

Уровень классификации №3. Тип охлаждения конденсатора

Классическим типом охлаждения конденсатора VRF-систем является воздушное охлаждение. Более 98% реализованных наружных блоков в мире приходится на блоки с воздушным охлаждением конденсаторов. Причин тому несколько.

Во-первых, это наиболее эффективный способ охлаждения, при котором достигается максимально быстрая прямая передача теплоты от фреона к наружному воздуху. В случае водяного конденсатора появляется дополнительная ступень между фреоном и наружным воздухом — водяной теплообменник (сухая градирня). Поэтому требуются дополнительные затраты энергии на циркуляционные насосы для водяного контура. Кроме того, снижается температурный потенциал между окружающим воздухом и источником теплоты, что также ухудшает энергетическую эффективность VRF-систем с водяным конденсатором.

Во-вторых, надёжность работы VRF-системы с водяным охлаждением конденсатора начинает зависеть от дополнительных элементов: надёжности циркуляционных насосов, эффективности работы выносных градирен, водяного контура в целом. Все это не увеличивает надёжность работы VRF-системы.

Ну и, в-третьих, цена систем с водяным охлаждением конденсатора значительно выше цены систем с классическим воздушным конденсатором, что также не располагает заказчиков к выбору более сложного варианта.

Область эффективного применения VRF-систем с водяным конденсатором — это высотные здания, где требуется большой перепад или длина трубопроводов между наружным и внутренними блоками. Если перепад больше 100 м или расстояние превышает 220 м — альтернативы VRF-системам с водяным конденсатором нет, кроме чиллерных систем. Ещё существуют множество объектов (отели, аквапарки, спа-центры), где в тёплый период года постоянно требуется тепловая энергия для подогрева санитарной воды в системе ГВС. В случае использования «бесплатной» теплоты от водяного конденсатора VRF-систем возможно значительное сокращение эксплуатационных затрат в тёплый период года.

Уровень классификации №4. Тип привода компрессора

Самый энергопотребляющий элемент VRF-системы — компрессор. До 95% всей электроэнергии необходимо именно для привода компрессора. Поэтому на объектах с дефицитом электричества возможен вариант кондиционирования VRF-системами с газовым двигателем для компрессора. Например, компания Panasonic выпускает газоприводные VRF-системы серии GHP. Источником энергии является природный или сжиженный газ, электричество требуется только для работы вентиляторов внутренних и наружных блоков, а также для системы автоматизации.

Необходимость в данном типе систем возникает редко, основным вариантом привода компрессора всё-таки остаётся обычный электрический двигатель. Тем более что газовые системы требуют как особых вариантов установки (исключающих попадание выхлопных газов в жилую зону), так и более частого обслуживания наружного блока.

Уровень классификации №5. Режим компрессорно-конденсаторного блока

VRF-системы могут использоваться не только как самостоятельные и законченные устройства для поддержания температуры воздуха в обслуживаемых помещениях, но и как часть систем вентиляции, охлаждая или нагревая приточный воздух до требуемой температуры. То есть они могут функционировать как классический компрессорно-конденсаторный блок (ККБ), но с плавным изменением своей производительности.

Уровень классификации №6. Возможность подогрева или охлаждения воды

Современное здание требует не только поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха, но и системы горячего водоснабжения. VRF-системы могут содержать в себе внутренние блоки, предназначенные для подогрева воды, которая может использоваться для санитарных нужд. В тёплый период года это особенно выгодно, так как вода подогревается за счёт «бесплатной» теплоты, сбрасываемой в окружающую среду наружным блоком. Также можно охлаждать воду и использовать её для фанкойлов.

II. VRF-системы кондиционирования «младшей» серии — мини-VRF

VRF-системы «младшей» серии предназначены для кондиционирования квартир, коттеджей, мини-гостиниц и небольших офисов. Их часто называют мини-VRF-системами, так как они обладают минимальными мощностями наружного блока — 2–12 HP (у некоторых производителей до 20 HP). Но их отличие от других серий заключается не только в небольшой мощности — в стандартной серии VRF-систем также иногда присутствуют блоки мощностью 6 HP.

Наружные блоки VRF-систем младшей серии, как правило, выпускаются в двухтрубном варианте (только «на холод» или с режимом «теплового насоса») и обладают следующими характеристиками:

• производительность от 2 до 12 HP (модели некоторых производителей — до 20 HP);
• блок настенной установки с горизонтальным выбросом воздуха;
• длина фреоновых магистралей до 100 м (некоторые модели до 150 м);
• упрощённая конструкция фреонового контура.

Наружные блоки «младшей» серии VRF-систем позволяют подключать, как правило, до 30 внутренних блоков с коэффициентом неодновременности до 150%.

Подключение внутренних блоков с производительностью, на 50% превышающей производительность наружного блока, не даёт соответствующее приращение суммарной мощности. В сумме наружный блок выдаёт именно 100% своей производительности, но за счёт перераспределения хладагента с помощью регулировочных клапанов возможно устанавливать большую мощность внутренних блоков. Коэффициент неодновременности учитывает отличие по времени тепловой нагрузки на внутренние блоки — соответственно, фактическая нагрузка на наружный блок будет всегда меньше, чем арифметическая сумма максимальной нагрузки на внутренние блоки. А вот величина коэффициента неодновременности является функцией в первую очередь здания, то есть объекта кондиционирования. VRF-система лишь задаёт максимально возможный для неё коэффициент, но реальный коэффициент должен определяться теплотехническим расчётом.

Рис. 5. Компоновочные характеристики для наружного и внутренних блоков мини-VRF

Компоновочные характеристики мини-VRF-системы позволяют использовать их скорее для небольших и средних зданий, ведь общая длина фреоновых трубопроводов (жидкостная линия) может достигать 100 (150) м, длина главной фреоновой магистрали (от наружного до самого удалённого внутреннего) — 70 м, а максимальный перепад высоты между наружным и внутренним блоками — 30 м (рис. 5).

Наружный блок способен развивать мощность в режиме охлаждения до 56 кВт, поэтому возможно кондиционирование с помощью одной системы помещений общей площадью до 560 м². Температурный диапазон работы системы, гарантированный заводом-изготовителем, составляет, как правило, от −20 до +15°C в режиме обогрева и от −15 до +43°C в режиме охлаждения.

Классический фреоновый контур мини-VRF-системы представлен на рис. 6.

Рис. 6. Схема фреонового контура мини-VRF-системы

В наружном блоке установлен один компрессор с инверторным управлением. После компрессора газообразный хладагент высокого давления и температуры поступает через четырёхходовой клапан в теплообменник наружного блока, где происходит его конденсация. Далее фреон поступает в жидкостный трубопровод. Расход хладагента к внутренним блокам задаёт клапан EEV в зависимости от показаний датчиков температуры внутреннего воздуха и запрашиваемой температуры в помещении. Во внутренних блоках фреон испаряется, охлаждает теплообменник и соответственно, воздух помещения. После внутренних блоков по газовой трубе фреон возвращается в наружный блок на всасывание компрессора. Для защиты компрессора от возможного попадания жидкого хладагента на всасывании установлен специальный аккумулятор, где происходит «докипание» фреона.

Как видно по схеме фреонового контура, представленной на рис. 6 на примере мини-VRF-системы, она значительно проще, чем стандартные серии. Мини-VRF-система не имеет системы маслоотделения, а также у неё отсутствует система переохлаждения фреона. Поэтому в целом понятно, почему 1 кВт холода мини-VRF-систем стоит меньше, чем у их полноразмерных аналогов.

III. VRF-системы кондиционирования стандартной серии (моноблочные)

Рис. 7. Схема моноблочной VRF-системы кондиционирования

К стандартной серии относятся VRF-системы с одним наружным блоком (рис. 7) и вертикальным выбросом воздуха. Производительность наружных блоков стандартной серии у различных производителей разная, например: компания с условным названием X выпускает наружные блоки от 8 до 42 HP, блоки большей мощности в едином фреоновом контуре уже возможны в варианте комбинированной серии. А компания с условным названием Y имеет в линейке стандартных блоков от 8 до 24 HP, и с мощности 26 HP начинается комбинированная серия. То есть мощность блока в данном случае не показатель — важно, что в стандартной серии наружный блок состоит из одного модуля.

Рис. 8. Ограничения на длину трубопроводов и перепад высот в VRF-системе стандартной серии

Основные компоновочные характеристики VRF-систем стандартной серии (рис. 8) таковы:

• в пределах фреонового контура содержится один наружный блок;
• фактическая допустимая длина фреоновых магистралей до 180 (220) м;
• допустимый перепад высот (между внешним блоком и самым высоким внутренним) до 50 (110) м;
• наружный блок с вертикальным выбросом воздуха.

VRF-системы данной серии предназначены для кондиционирования различных зданий: бизнес-центров, банков, жилых домов, супермаркетов, многофункциональных зданий. Стандартной данная серия называется потому, что около 80% всех VRF-систем монтируется именно в таком варианте.

С одной стороны, компоновочные характеристики наружных блоков стандартной серии не уступают комбинированной серии — у них такая же длина фреоновых магистралей и количество модулей. Множество примеров установки во всём мире VRF-систем кондиционирования в различных зданиях показывает, что с помощью данной серии возможно кондиционирование практически любого здания. С другой стороны, как показала практика, при мощности наружного блока от 12 до 18 HP VRF-система более удобна при эксплуатации и монтаже. Меньший уровень мощности наружного блока приводит к повышенной стоимости СКВ и к большим монтажным работам (в целом). При производительности наружного блока 20 HP и выше фреоновый контур уже содержит большое количество хладагента, что делает систему менее надёжной и безопасной.

Рассмотрим наружные блоки стандартной серии VRF-систем. Линейка наружных блоков состоит из блоков с самой востребованной производительностью 8, 10, 14 и 16 HP. По сравнению с мини-VRF-системами наружные блоки данной серии предназначены для компактной установки рядом друг с другом: выброс нагретого воздуха производится вверх от блока, а теплообменник фактически «огибает» наружный блок (рис. 9).

Рис. 9. «Взрыв-схема» наружного блока VRF-системы

Каким образом производится регулирование производительности наружного блока? При включении какого-либо внутреннего блока поступает сигнал на включение компрессора, регулировка производительности которого осуществляется путём изменения частоты вращения электродвигателя. Так как расход хладагента к внутренним блокам является переменной по времени величиной, не связанной напрямую ни с температурой внутреннего воздуха, ни с типоразмером внутреннего блока, наружный блок стремится поддерживать параметры хладагента во фреоновом контуре. При включении всех внутренних блоков в максимальном режиме все клапана EЕV открываются, от наружного блока идёт максимальный расход хладагента к внутренним блокам. Компрессор увеличивает скорость вращения, увеличивая расход хладагента в системе.

Температурный диапазон работы наружного блока в режиме охлаждения составляет от −15 до +46°C, а в режиме нагрева от −20 до +21°C. Для северных стран особенно актуальна работа системы при низких наружных температурах. При кондиционировании помещений с большими теплоизбытками необходимо производить их охлаждение даже при низких температурах уличного воздуха.

Рис. 10. Схема фреонового контура наружного блока VRF-системы стандартной серии

Схема фреонового контура классической полноразмерной серии наружных блоков VRF-системы (рис. 10) имеет следующие характерные для неё особенности:

1. Наличие блока маслоотделения (OS). При большом количестве внутренних блоков и разветвлённой сети фреоновых трубопроводов очень важно сохранение масла в наружном блоке, а точнее в компрессорах. Для этого во всех наружных блоках предусмотрен сепаратор масла на газовом трубопроводе после компрессора.

После блока маслоотделения газообразный хладагент уходит в конденсатор (режим холода), а масло возвращается обратно на всасывание компрессоров. Таким образом, компрессоры работают в максимально благоприятном режиме, и срок их эксплуатации значительно увеличивается.

2. Переохладитель жидкого хладагента (SCHEX). При работе с большой длиной трубопроводов возникают потери давления хладагента по длине и на местных сопротивлениях. В жидкостном трубопроводе потери давления приводят к небольшому вскипанию насыщенного хладагента и увеличению объёма перемещаемого фреона. Увеличение объёма приводит к увеличению скорости и, как следствие, к существенному увеличению удельных потерь давления по длине жидкостного трубопровода.

Весь этот процесс может привести к падению мощности наружного блока в два-три раза на длинах трубопроводов 150–200 м. Чтобы этого не происходило, применяется переохладитель жидкого хладагента, поступающего в жидкостный трубопровод и далее к внутренним блокам (рис. 10). В результате применения этого устройства, с одной стороны, уменьшаются потери давления по длине жидкостного трубопровода, с другой стороны, весь поступающий к внутренним блокам хладагент находится в жидком состоянии. Это приводит к значительному увеличению фактической производительности наружного блока на больших длинах жидкостных трубопроводов.

3. Наличие датчиков высокого и низкого давления (HPS и LPS). Регулирование производительности наружного блока по высокому и низкому давлению предотвращает скачки давления и преждевременный выход компрессора из строя.

IV. VRF-системы кондиционирования комбинированной серии

Комбинированная серия VRF-систем принципиально отличается от стандартной серии наличием нескольких наружных блоков в пределах одного фреонового контура (рис. 11). Увеличенная производительность наружных блоков позволяет создавать разветвлённые системы с большим количеством внутренних блоков. В остальном подход к компоновке системы тот же: наружные блоки, фреоновые трубопроводы и внутренние блоки, подключаемые через тройники или коллекторы.

Рис. 11. Схема комбинированной VRF-системы

Ранее производители многозональных систем выпускали два типа наружных блоков. Первый тип — «мастер»-блок (или «главный» блок) — отвечал за регулирование производительности всей системы. Соответственно, он обладал переменной производительностью и системой автоматического регулирования для всего многозонального кондиционера. Второй тип наружного блока являлся добавочным и служил для увеличения производительности «мастер»-блока. Он был построен с упрощённой системой автоматики и без использования дорогостоящих технологий плавного регулирования производительности.

Сегодня подход основан на унифицированном типе наружных блоков: каждый наружный блок может быть главным. С точки зрения компоновки это более удобно, так как наружный блок должен подбираться только по мощности, без учёта его работы в группе других или без. Если в случае с первым вариантом компоновки («мастер»-блок + дополнительные блоки) «мастер»-блок работает всегда, а дополнительные только при соответствующей нагрузке, то в случае одинаковых блоков происходит перераспределение времени наработки каждого блока. В целом это выравнивает ресурс каждого блока и увеличивает период эксплуатации VRF-системы в целом (рис. 12).

Рис. 12. Регулирование производительности комбинированных блоков VRF-системы

Схема фреонового контура комбинированных систем не отличается от стандартных блоков. Наружные блоки подключают параллельно к фреоновому контуру через тройники. Но существует ещё один трубопровод, предназначенный для выравнивания масла в наружных блоках. Чтобы не возникло ситуации, когда масло скапливается в одном из блоков, а другой остался без смазки, сепараторы масла наружных блоков объединяются дополнительными трубопроводами.

Однако не все схемы комбинированных наружных блоков требуют масловыравнивающего трубопровода. Например, условная серия XXX не содержит дополнительных трубопроводов при обвязке нескольких наружных блоков в едином фреоновом контуре, а условная серия YYY требует масловыравнивающего трубопровода (рис. 11).

Фактически при кондиционировании объекта VRF-системами всегда возникает два варианта: несколько систем, скомпонованных по стандартной схеме (с одним наружным блоком в системе), или одна большая комбинированная VRF-система. Чтобы понять, какой вариант оптимален на том или ином объекте, выделим преимущества и недостатки VRF-систем с комбинированным наружным блоком.

Преимущества VRF-систем с комбинированным наружным блоком:

1. Цена системы кондиционирования немного ниже за счёт меньшей стоимости трубопроводов. Один коллекторный трубопровод большого диаметра дешевле, чем несколько трубопроводов маленького диаметра с той же суммарной площадью сечения.

2. Для трассировки коллекторных трубопроводов требуется меньшее пространство. Несколько отдельных труб в изоляции требуют значительно больше места для прокладки, чем одна большая труба (рис. 13).

Рис. 13. Прокладка коллекторных трубопроводов требует значительно меньше места

Недостатки VRF-систем с комбинированным наружным блоком:

1. Превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) фреона при аварийном выбросе. VRF-системы содержат в себе достаточно большое количество фреона, и чем больше мощность системы по холоду, тем больше фреона в ней содержится. Очищенный фреон (как правило, R410a) не ядовит, однако содержащиеся в нём примеси опасны для человека. При нагревании и тепловом разложении фреонов образуются высокотоксичные соединения. Также фреон тяжелее воздуха, и в случае аварийного выброса он накапливается в помещении, вытесняя необходимый для дыхания кислород. При расчёте ПДК фреона комбинированные системы мощностью 50 кВт и выше дают превышение ПДК этого хладагента для помещений площадью до 20 м².

2. Комбинированные системы менее надёжны в эксплуатации. Любое нарушение герметичности фреонового контура приведёт к остановке всей системы, а не одного её участка, как у стандартной серии.

В целом комбинированные системы предназначены для объектов с большими площадями обслуживаемых помещений — от 100 до 300 м², или для охлаждения приточного воздуха в качестве мощных ККБ с инверторными компрессорами. В случае обслуживания хотя бы одного помещения до 20 м² необходимо применять VRF-системы стандартной (моноблочной) серии.

V. VRF-системы кондиционирования с рекуперацией тепла

Рис. 14. Пример одновременной работы внутренних блоков «на холод» и «на тепло»

Несмотря на то, что все предыдущие описанные нами СКВ являются многозональными, существуют режимы, когда они не могут обеспечить требуемые параметры воздуха в помещениях. Дело в том, что наружные блоки типа «тепло/холод» могут работать или на выработку теплоты, или холода. А кондиционируемые помещения зачастую требуют одновременной работы одной части внутренних блоков «на тепло», а другой — «на холод» в пределах одного фреонового контура. Например, в переходный период года часть офисных помещений с большим количеством работающей техники (кабинеты персонала, серверные, ИБП и др.) требует отвода избыточной теплоты (даже если на улице +10°C). Другие помещения (кабинеты руководителей, залы совещаний) не содержат источников теплоты, поэтому требуют обогрева в тот же период (рис. 14). И вот когда эти различные по тепловому режиму помещения объединяются с помощью одной VRF-системы кондиционирования в стандартном варианте, возникают проблемы эксплуатации. По сути, наружный блок должен одновременно работать для одних помещений на «тепло», а для других — на «холод». Вот для таких объектов и предназначены VRF-системы кондиционирования с «рекуперацией тепла».

Рис. 15. Схема работы трёхтрубной VRF-системы с «рекуперацией тепла»

Рассмотрим вариант систем с рекуперацией тепла на примере многозональных кондиционеров (рис. 15). Система кондиционирования воздуха данной серии отличается от стандартной следующими конструктивными особенностями:

• специальная конструкция наружного блока в трёхтрубном исполнении;
• три фреоновых трубопровода (газовый высокого давления, газовый низкого давления, жидкостный трубопровод);
• блок переключения режимов перед каждым внутренним блоком (RB-блок).

Внутренние блоки — одинаковые, как для стандартных систем, так и для систем с рекуперацией тепла.

Функционирование трёхтрубных СКВ в режиме одновременной выработки теплоты и холода происходит следующим образом (рис. 15). Компрессор наружного блока (СМ1) выдаёт газообразный хладагент высокого давления и высокой температуры. Затем происходит разделение потока на две части: одна часть хладагента уходит на конденсатор, другая — непосредственно в газовый трубопровод высокого давления (рис. 15, красная линия).

Далее фреон поступает на блок регулирования режима (RB). К RB-блоку подходят два трубопровода — газовые низкого и высокого давления. Если внутренний блок включён на выработку теплоты, RB-блок закрывает клапан на трубопроводе низкого давления и открывает на высоком. К внутреннему блоку, соответственно, подаётся газ высокого давления и высокой температуры, конденсируется и отдаёт тепловую энергию конденсации воздуху помещения. Фреон в жидком состоянии после внутренних блоков, работающих в режиме выработки теплоты, поступает в жидкостную магистраль.

Если внутренний блок включается «на холод», RB-блок открывает клапан на трубопроводе низкого давления и закрывает на высоком. Движение хладагента начинается в обратном направлении; давление в жидкостном трубопроводе больше, чем давление в газовой трубе низкого давления; фреон поступает из жидкостной магистрали (рис. 15, зелёная линия) и испаряется во внутреннем блоке. Затем через RB-блок поступает в газовую магистраль низкого давления (рис. 15, синяя линия) и далее на всасывание компрессора наружного блока.

Особенность режима одновременной выработки теплоты и холода в системах с рекуперацией тепла — двойная выработка энергии за один цикл хладагента. Фреон фактически прошёл сначала через внутренние блоки, работающие на выработку теплоты, затем через внутренние блоки, работающие на холод, и лишь потом вернулся в компрессор. То есть работа была проведена дважды, а энергия на сжатие хладагента затрачена один раз. Поэтому одно из важнейших преимуществ VRF-систем с рекуперацией тепла — высокая энергетическая эффективность в режиме одновременной выработки теплоты и холода. Например, коэффициент энергетической эффективности системы VRF при загрузке «на тепло» и «на холод» в соотношении 50:50 составляет около 8,0.

С точки зрения энергетической эффективности работа VRF-системы с рекуперацией тепла в режиме выработки только холода или только теплоты не отличается от обычной двухтрубной системы «тепло/холод». А вот если часть внутренних блоков включается в противоположном режиме — нагрузка на компрессорный узел наружного блока значительно уменьшается и достигает минимума, тогда примерно половина мощности внутренних блоков идёт на выработку теплоты и половина — на холод.

Практически все производители VRF-систем с рекуперацией тепла производят такие системы в трёхтрубном варианте, однако нет правил без исключений. Например, компания Mitsubishi Electric выпускает VRF-систему с «рекуперацией тепла» в двухтрубном варианте.

Принцип её работы следующий. Из наружного блока в двухтрубной системе с рекуперацией тепла выходит два трубопровода: один — подающий высокого давления, другой — обратный низкого давления. Наружный блок подаёт по одной трубе жидкий и газообразный хладагент в блок переключения режима работы — ВС-контроллер. Далее в ВС-контроллере происходит разделение одного двухфазного потока на два однофазных. Разделение происходит в специальной ёмкости — сепараторе «жидкость/газ». Жидкость далее проходит через клапаны регулирования давления и поступает к внутренним блокам, работающим на холод. Газ высокого давления после сепаратора поступает к внутренним блокам, работающим на выработку теплоты. После внутренних блоков хладагент меняет своё агрегатное состояние: из жидкости в газ при выработке холода и из газа в жидкость при работе «на тепло». Но в обоих случаях он возвращается через ВС-контроллер в обратный трубопровод низкого давления и затем в наружный блок.

Таким образом, преимущество двухтрубных систем с рекуперацией от Mitsubishi Electric — меньшее количество трубопроводов между наружным блоком и ВС-контроллером и, следовательно, меньше монтажных работ. Недостаток — большие размеры и высокая цена ВС-блоков.

Основные преимущества VRF-систем с «рекуперацией тепла» по сравнению с обычными VRF-системами

1. Системы с рекуперацией по своим функциональным особенностям являются более комфортными. Пользователю не надо думать, в каком режиме работают внутренние блоки в соседнем кабинете: он включает тот режим, который ему сейчас необходим. А в переходный период года необходимость выбора различных режимов в пределах одного фреонового контура возникает практически всегда.

2. Системы с рекуперацией являются более энергоэффективными. Периоды одновременной выработки теплоты и холода наблюдаются в современных офисных зданиях достаточно продолжительное время при температуре наружного воздуха от +15 до −15°C. Поэтому снижение энергопотребления здания в данный период очень существенно.

К недостаткам VRF-систем с рекуперацией тепла относится в первую очередь более высокая стоимость (на 30–35% больше, чем у систем «тепло/холод»), что обусловлено стоимостью RB-блоков, третьего трубопровода, большей стоимостью наружного блока и большим объёмом монтажных работ. Значительное количество соединений трубопроводов при помощи пайки уменьшает надёжность данной системы в целом.

Но не нужно забывать, что именно эти системы могут обеспечить полноценный комфорт в помещениях при небольших эксплуатационных затратах.

VI. VRF-системы с водяным охлаждением конденсатора

VRF-системы с водяным охлаждением конденсатора уже не являются новым направлением развития мультизональных кондиционеров и на сегодняшний день применяются на различных объектах. У них есть как преимущества, так и недостатки, поэтому они занимают небольшую, но стабильную долю рынка (рис. 16).

Рис. 16. Схема использования VRF-систем с водяным охлаждением наружного блока

Преимущества систем с водяным охлаждением конденсатора:

1. Водяное охлаждение наружного блока исключает ограничения по параметрам наружного воздуха, накладываемые на период эксплуатации систем. Например, при температуре −20°C и ниже обычные VRF-системы должны быть отключены, а при водяном охлаждении возможно их круглогодичное функционирование.

Подробнее о VRF c водяным охлаждением читайте в статье «Разрушаем миф об энергоэффективности систем VRF с водяным охлаждением конденсатора» в журнале СОК (№10/2019).

2. При кондиционировании высотных зданий перепад по вертикали между блоками стандартных VRF-систем с воздушным охлаждением конденсатора бывает недостаточным. Поэтому можно применить VRF-системы с водяным охлаждением конденсатора и выносной градирней на крыше здания. Это решение позволяет использовать кондиционеры в зданиях практически любой высоты.

3. В летний период в окружающую среду сбрасывается большое количество тепловой энергии, которая может быть утилизирована с помощью водяного конденсатора. На объектах с большим потреблением горячей санитарной воды возможен её нагрев с помощью бесплатной энергии конденсации хладагента в наружных блоках. Этот вариант может быть очень экономичным для санаториев, аквапарков, спа-центров, отелей.

Недостатки VRF-систем с водяным охлаждением конденсатора:

1. Высокая стоимость оборудования и монтажа. Так как сами наружные блоки VRF-систем дороже стандартных, плюс появляются выносная градирня, дополнительный циркуляционный контур и насосы для циркуляции. Всё это увеличивает стоимость системы в 1,5–2 раза.

2. Высокие затраты на энергоснабжение. За счёт дополнительного циркуляционного контура потребление электроэнергии такими системами значительно больше VRF-систем с воздушным охлаждением.

Рассмотрим схему работы VRF-систем с водяным охлаждением (рис. 17).

Рис. 17. Схема фреонового контура VRF-систем с водяным охлаждением конденсатора

Наружные блоки (которые правильнее назвать ККБ, так как непосредственно снаружи здания они не располагаются) устанавливаются в подсобном помещении, например, на техническом этаже здания. Необходимо отметить, что габаритные размеры «водяного» наружного блока намного компактнее наружного блока с воздушным охлаждением конденсатора, поэтому трудностей с поиском места обычно не возникает. От ККБ отходят фреоновые трубопроводы к внутренним блокам.

Внутренний фреоновый контур для систем с водяным охлаждением конденсаторов в принципе идентичен обычным VRF-системам. К ККБ подключены также два трубопровода водяного контура, в который сбрасывается избыточная теплота летом и который является источником теплоты зимой. Температура воды на выходе из ККБ зависит от его производительности в данный период времени и в максимальном режиме примерно равна +45°C.

Для обеспечения требуемого расхода охлаждающей воды в водяной контур устанавливают циркуляционные насосы (обычно один основной и один резервный). После циркуляционных насосов вода поступает на сухую градирню, в которой охлаждается за счёт теплообмена с наружным воздухом. Температура воды после сухой градирни больше температуры наружного воздуха на 5–10°C. При необходимости нагрева воды для системы ГВС часть воды из контура охлаждения кондиционеров поступает на теплообменники ГВС и после них возвращается в компрессорно-конденсаторный блок. Вариант использования тепловой энергии для нагрева санитарной воды в системе ГВС интересен также тем, что с помощью холодной воды возможно охладить циркуляционную воду в охлаждающем контуре до 20–25°C, что повышает холодильный коэффициент системы. Если используется только наружный воздух, то охлаждение происходит до 30–40°C в зависимости от температуры наружного воздуха.

Чем ниже температура охлаждающей воды, поступающей на ККБ, тем выше в результате эффективность холодильного цикла и тем меньше потребление электроэнергии объекта в целом.

Для циркуляции воды устанавливают гидравлический модуль, который содержит насосы, фильтры, запорно-регулирующую арматуру, расширительный бак.

VII. VRF-системы с газовым приводом компрессора

Как известно, в качестве привода в компрессорах климатической техники используют электродвигатели переменного и постоянного тока. В последние годы из-за роста тарифов на электроэнергию всё больший интерес вызывает альтернативный вариант: использование в качестве привода компрессора двигателя внутреннего сгорания, работающего на газе. Отсюда и название — кондиционер с газовым тепловым насосом (Gas Heat Pump, GHP). У газового двигателя в режиме отопления по сравнению с электромотором около половины вложенной энергии может быть возвращено путём использования теплоты охлаждающей жидкости и выхлопных газов (рис. 18).

Рис. 18. GHP VRF-система в разрезе

Преимущества систем GHP перед обычными VRF-системами:

1. Потребление электроэнергии системами GHP в десятки раз меньше, чем у VRF-систем с электроприводом компрессора. Учитывая, что основной потребитель электроэнергии — это именно компрессор, перевод компрессора на привод от газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) позволил кардинально снизить электропотребление VRF-системы. Часто на современных объектах просто нет свободных мощностей для подключения СКВ. В этом случае применение систем GHP — единственно возможное решение.

2. В режиме обогрева в системах GHP есть дополнительный источник тепловой энергии, а именно: энергия выхлопных газов. Благодаря охлаждению выхлопных газов производительность GHP VRF-системы по теплоте зимой не снижается и позволяет эффективно отапливать помещения практически в любой мороз.

Сегодня GHP VRF-системы выпускают несколько компаний. Наиболее известные из них: Panasonic (на выкупленном ранее заводе Sanyo), Mitsubishi Heavy Industries, LG, Yanmar. В системе Panasonic ECO G Multi применён модифицированный автомобильный двигатель, работающий по циклу Миллера. Этот тепловой цикл был предложен в 1947 году. Его особенность состоит в том, что в нём изменено время запирания всасывающего клапана по отношению к базовому двигателю, в результате чего изменяется реальная степень сжатия. Это позволяет более эффективно управлять двигателем на малых нагрузках и снизить так называемые «насосные потери» и потери на выхлоп. В результате достигается более высокая эффективность по сравнению с обычными ДВС, в том числе по потреблению газа, и значительно повышается его ресурс.

Интервал технического обслуживания двигателя составляет 10 тыс. часов. В пересчёте на расстояние — это примерно 300 тыс. км пробега. Обороты двигателя управляются процессором в соответствии с температурой помещения. Благодаря применённой системе чистого сгорания природного газа, основанной на управлении составом горючей смеси методом обратной связи, выделение в атмосферу оксидов азота уменьшено на 40%.

В качестве мощного и обладающего большой энергией источника теплоты используется не только газ. Отработанная теплота из камеры сгорания регенерируется и с высокой эффективностью используется повторно. Благодаря этому предотвращаются потери энергии, и реализуется мощный обогрев с быстрым запуском операции. Также Система GHP не нуждается в размораживании. Функция обогрева реализуется непрерывно, что даёт дополнительное удобство в обеспечении комфортной температуры.

Для утилизации теплоты охлаждающей жидкости в кондиционерах GHP установлен пластинчатый теплообменник. С целью повышения эффективности работы в режиме обогрева для управления потоком воды в системе охлаждения двигателя используется трёхходовой переключающий клапан с пропорциональным регулированием.

Наружные блоки выпускают в диапазоне мощностей от 22,4 до 56 кВт. К одному внешнему блоку можно подключить до 24 внутренних блоков различного типа и мощности, однотипных для всех VRF-систем. Внешний блок с производительностью по холоду 56 кВт при работе на охлаждение может производить до 3,9 м³/ч горячей воды с температурой 75°C, чем значительно снижается нагрузка на основную систему ГВС объекта.

Система заполняется антифризом, что позволяет установке работать на холод при температуре до −12°C. Далее антифриз по трубопроводам с помощью циркуляционного насоса подаётся на фанкойлы или в водо-воздушные теплообменники приточных установок.

В системах GHP электроэнергия используется только для таких вспомогательных устройств, как вентиляторы, поэтому электрическая нагрузка значительно снижается. Применительно к японским условиям эксплуатации расходы электроэнергии при использовании GHP снижаются на 90% по сравнению с электрическим компрессором. Благодаря внедрению кондиционера с газовым тепловым насосом можно уменьшить эксплуатационные издержки на 20–40% по сравнению с использованием электрического теплового насоса.

Можно отметить следующие оптимальные случаи применения систем GHP:

• на объекте кондиционирования нет свободных электромощностей для подключения СКВ, но есть природный газ;
• стоимость электроэнергии превышает стоимость тепловой энергии от природного газа более чем в десять раз;
• в будущем при переходе на водородную энергетику, возможно, это даст толчок к использованию водорода как источника энергии для систем GHP.

VIII. VRF-системы кондиционирования для охлаждения или нагрева приточного воздуха

Проблему с организацией поступления свежего воздуха при установке VRF-систем можно решить следующим образом.

Рис. 19. Внутренний канальный блок для подачи приточного воздуха и схема установки

Во-первых, использование канальных внутренних блоков со 100%-м притоком свежего воздуха (рис. 19). Однако их эксплуатация связана с рядом ограничений. В частности, в рамках одной системы из-за большого расхода хладагента можно было использовать лишь небольшое количество таких блоков. Кроме того, диапазон допустимых параметров наружного воздуха был довольно узок, и круглогодичная работа требует организации воздухоподготовки.

Рис. 20. Рекуперация воздуха в приточно-вытяжной установке в VRF-системе

Во-вторых, использование приточно-вытяжных установок, которые позволяют не только подать в помещение требуемое количество приточного воздуха, но и благодаря встроенному пластинчатому рекуператору, подогреть приточный воздух за счёт «бесплатной» теплоты вытяжного воздуха (рис. 20).

Рис. 21. Приточно-вытяжная установка в составе VRF-системы кондиционирования

В-третьих, появление в комплекте VRF-систем специальных выносных регулирующих клапанов (EEV) и контроллеров к ним (рис. 21) позволило подключать системы к приточным установкам в качестве ККБ. Компрессорно-конденсаторные блоки — это источники холода для приточных установок, подающие свежий воздух в кондиционируемые помещения. По сравнению с водяными охладителями (чиллерами) ККБ обладают преимуществами в цене. Но недостаток классических компрессорно-конденсаторных блоков — on/off-регулирование компрессора и короткие по сравнению с VRF-системами длины трубопроводов.

Рис. 22. Схема подключения VRF-системы к приточной установке

Это означает, что диапазон регулирования температуры приточного воздуха сильно ограничен. Наружный блок VRF-систем обладает гибким регулированием производительности, большей энергоэффективностью и длинными трубопроводами, но большей ценой по сравнению с традиционными ККБ. Также VRF-система может подогревать приточный воздух в зимний период (рис. 22).

IX. VRF-системы с функцией горячего водоснабжения

Если посмотреть на работу любого кондиционера в летний период работы, то мы увидим сброс огромного количества тепловой энергии наружным блоком. Параллельно с этим тратится энергия на подогрев горячей воды для санитарных нужд. Идея использовать сбрасываемую, то есть бесплатную тепловую энергию кондиционера для подогрева горячей воды «витала в воздухе» уже давно. Но первоначально использование «в железе» находили лишь системы, работающие либо «на тепло», либо «на холод». Поэтому основное преимущество параллельной выработки теплоты и холода реализовано не было. Однако совсем недавно появились системы, которые, по сути, являются обычными кондиционерами, но с функцией подогрева воды для ГВС (рис. 23).

Рис. 23. VRF-система с функцией подогрева горячей воды

Как работают VRF-системы с функцией нагрева воды?

Наружный блок, который является наружным блоком трёхтрубной VRF-системы, имеет три трубопровода: газа высокого давления и высокой температуры, жидкости низкого давления и газа низкого давления. Газ высокого давления и высокой температуры поступает в водяной модуль, конденсируется при температуре и отдаёт свою энергию воде. Вода в водяном модуле нагревается до 30–40°C, что достаточно для работы систем отопления вида «тёплый пол», но недостаточно для работы систем ГВС с необходимой температурой 55–60°C.

Поэтому после водяного модуля вода ГВС поступает на дополнительный догрев в центральный накопитель с горячей водой (обычно это ёмкостной бойлер системы ГВС), где происходит её нагревание до требуемой температуры 50–60°C электрическим нагревателем.

Внутренние блоки, которые являются внутренними блоками VRF-системы, подключаются к жидкостному трубопроводу и трубопроводу газа низкого давления. В режиме охлаждения клапан регулирования в каждом внутреннем блоке открывается, и жидкий хладагент поступает в теплообменник внутреннего блока.

Проследим путь хладагента в этой системе с внутренними блоками, включёнными в режиме охлаждения.

Газ на выходе компрессора сразу поступает в трубопровод высокого давления и высокой температуры (примерно 85°C и 2,7 МПа). Далее по трубопроводу он поступает в водяной модуль, где происходят его охлаждение и конденсация при температуре 40–45°C. Жидкий хладагент после водяного модуля поступает в жидкостный трубопровод и далее, не возвращаясь в наружный блок, поступает во внутренние блоки, работающие в режиме охлаждения. На клапане внутреннего блока происходит дросселирование жидкого хладагента до давления испарения (0,8 МПа). Жидкий хладагент вскипает в теплообменнике внутреннего блока и поступает в трубопровод газа низкого давления, а затем возвращается в наружный блок на всасывание компрессора. То есть за один цикл циркуляции хладагента летом вырабатывается и теплота для подогрева воды, и холод для внутренних блоков.

Как работает система, когда внутренние блоки VRF-системы с функцией горячего водоснабжения включены в режиме теплоты?

Наружный блок (четырёхходовой клапан) переключается в режим теплового насоса, и его теплообменник работает в режиме испарителя. Компрессор подаёт горячий газ высокой температуры по двум газовым трубопроводам: один к водяному модулю, другой — к внутренним блокам, работающим в режиме выработки теплоты. После конденсации хладагент поступает в жидкостный трубопровод, который в этом режиме является обратным. Минимальная температура наружного воздуха для эффективного функционирования наружного блока −20°C.

Если температура наружного воздуха падает, то эффективность теплового насоса также снижается, и бόльшую часть недостающей энергии дают электрические теплоэлектронагреватели водяного модуля и подогревателя ГВС. Однако если установить наружный блок в зоне выброса вытяжного воздуха и утилизировать его теплоту, то режим эксплуатации станет круглогодичным.

Основные преимущества VRF-системы с подогревом горячей воды:

1. Подогрев горячей воды летом осуществляется за счёт сбросной (фактически бесплатной) теплоты от СКВ.

2. Бак горячей воды монтируется отдельно от наружного блока. Нет опасности замерзания воды зимой.

3. Режимы подогрева воды и работы внутренних блоков абсолютно независимы друг от друга. Возможна параллельная генерация как теплоты, так и холода.