Рис. 1. Схема энергетических потоков VRF-системы в режиме охлаждения
Рис. 2. Баланс энергии внутреннего блока VRF-системы
Рис. 3. Мощность внутреннего блока и температура воздуха в помещении
Рис. 4. Изменение давления в подающем и обратном фреонопроводах
Рис. 5. Изменение мощности охлаждения наружного блока АО90R GENERAL
Рис. 6. Здание ЦАУ ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ»
Табл. 1. Мощность внутреннего блока
Табл. 2. Мощность наружного блока
Табл. 3. Теплоизбытки помещения и соответствующая мощность блоков VRF-системы
Методики подбора оборудования VRF-систем, изложенные в фирменных каталогах различных производителей, незначительно отличаются друг от друга, но фактически подобны. Традиционный процесс подбора подразделяется на несколько этапов.
1. Выбор типоразмера внутреннего блока
На основании явных или полных теплоизбытков обслуживаемых помещений, температуры внутреннего воздуха, температуры наружного воздуха выбирается по таблицам внутренний блок с ближайшей большей холодопроизводительностью Qт (табл. 1).
2. Выбор типоразмера наружного блока
Суммируются номинальные холодопроизводительности внутренних блоков (или их индексы). По данной сумме наружный блок системы выбирается таким образом, чтобы номинальная холодопроизводительность всех внутренних блоков составляла меньше 130% от номинальной холодопроизводительности наружного блока (для некоторых производителей VRF-систем на R410a — 150%). Qнар.ном. ≥ (∑Qвн.ном. )/1,3. (1)
3. Определение фактической производительности наружного блока
В зависимости от суммы номинальной холодопроизводительности внутренних блоков (суммы их индексов), температуры наружного воздуха, температуры внутреннего воздуха по таблицам определяется фактическая производительность наружного блока (табл. 2).
4. Уточнение производительности внутренних блоков
Фактическая производительность внутреннего блока VRF-системы определяется по формуле:
Qвн.факт. = (Qвн.ном. × Qнар.факт. × × K) /∑Qвн.ном. , (2)
где K — коэффициент уменьшения мощности внутреннего блока в зависимости от длины и перепада высот медных трубопроводов между наружным и внутренним блоком. Если Qвн.факт. меньше теплоизбытков в помещении, производится увеличение типоразмера внутреннего блока и пересчитывается вся система. Повторю, что данная методика используется практически во всех технических каталогах фирм-производителей с незначительными расхождениями в деталях. Но несмотря на такое «единодушие», она несколько нелогична и даже парадоксальна. Недостатки данной методики следующие.
Недостаток 1. Выбор типоразмера внутренних блоков в п. 1 производится исходя из производительности Qт, определенной по температуре наружного и внутреннего воздуха. Но далее в расчетах данная величина не участвует. Зачем ее определяли, непонятно.
Недостаток 2. Выбор наружного блока в п. 2 производится исходя из условия превышения мощности внутренних блоков ∑Qвн.ном. над мощностью наружного на 130% (или 150%). Причем рекомендаций, какое превышение (110%, 120% или 130%) выбрать в качестве расчетного, нет. Фактически, величина превышения мощности внутренних блоков над наружным является следствием неравномерности теплоизбытков во времени, т.е. тепловой характеристики объекта кондиционирования. Если неравномерности теплоизбытков нет, то наружный блок должен подбираться исходя из 100% соответствия производительности внутренних блоков. Тем более в данном случае мощность важна не номинальная, а фактическая.
Недостаток 3. В пункте 3 определяется «фактическая» производительность наружного блока в зависимости от температур наружного и внутреннего воздуха и суммы номинальной холодопроизводительности внутренних блоков системы ∑Qвн.ном. Парадокс в том, что фактическая производительность наружного блока всегда равна фактической производительности внутренних.
Это следует из фундаментального закона сохранения энергии. Что за величина вычисляется в пункте 3, непонятно, т.к. в данном случае не учитывается важнейший параметр, влияющий на производительность наружного блока — длина магистральных трубопроводов между наружным и самым удаленным внутренним блоком.
Недостаток 4. Фактическая производительность наружного блока в пункте 3 определяется в зависимости от температуры внутреннего воздуха. Но VRF-система обслуживает несколько помещений, температура внутреннего воздуха в которых совсем не обязательно будет одинаковой. Какую температуру воздуха в помещениях при этом брать в качестве расчетной — минимальную, максимальную или среднюю, — неясно.
Численный анализ мощности наружного и внутренних блоков (табл. 1 и 2) показывает, что при снижении температуры внутреннего воздуха производительность наружного блока снижается в тех же пропорциях, что и производительность внутренних блоков. То есть производительность внутренних блоков снижается, а наружный блок выдает ровно столько холода (или тепла), сколько у него отбирают внутренние блоки. Это говорит о том, что именно потребляемая мощность внутренних блоков является расчетной величиной для подбора наружных блоков.
Недостаток 5. «Уточненная» производительность внутреннего блока (п. 4) определяется путем деления фактической мощности наружного блока Qнар.факт. пропорционально типоразмеру внутреннего блока. Простейший математический анализ формулы (2) показывает: чем больше величина превышения ∑Qвн.ном. над Qнар.факт. , практически принятая в начале расчета за 130% (150%), тем меньше будет «уточненная» производительность внутреннего блока. Зачем в начале расчета задавать 130%-е превышение, чтобы потом гарантированно получать снижение производительности внутренних блоков в той же пропорции?
Недостаток 6. Весь смысл функционирования VRF-систем сводится к обслуживанию помещений с неравномерными во времени теплоизбытками. Следовательно, для одних помещений необходима максимальная производительность внутренних блоков, например, в утренние часы (ориентация окон на восток), а для других помещений в вечерние (ориентация окон на запад) в пределах одной системы.
Тем самым достигается перераспределение мощности наружного блока и его равномерная загрузка в течение дня. То есть именно неравномерность или многозональность лежит в основе функционирования VRFсистем. Поэтому коэффициент превышения суммарной мощности внутренних блоков над мощностью наружного необходим и оправдан, т.к. на практике невозможно функционирование всех внутренних блоков в режиме максимальной мощности.
Но недостаток формулы (2) заключается в том, что основное свойство VRF-систем— неравномерность производительности внутренних блоков во времени— не учитывается. Мощность наружного блока делится равномерно между внутренними блоками, как будто они одновременно функционируют в режиме максимальной мощности. Это противоречит основному принципу функционирования VRF-систем.
Недостаток 7. Производительность внутреннего блока в формуле (2) умножается на понижающий коэффициент K, зависящий в первую очередь от длины магистралей между внутренним и наружным блоками. Но внутренний блок «не знает», какая длина медной трубы между ним и наружным блоком. Его мощность зависит только от расхода фреона, поступившего к нему из трубопровода. А вот наружный блок, измеряющий давление в жидкостном и газовом трубопроводе, регулирует свою производительность в зависимости от длины главной магистрали. Поэтому величина K снижает максимальную производительность наружного блока, но не максимальную производительность внутренних блоков.
Проблемы, возникающие при эксплуатации VRF-систем кондиционирования после их подбора по существующей методике
Существующая методика расчета занижает фактическую мощность внутренних блоков на 10–20%, что приводит к завышению их типоразмера. Это не только увеличивает общую стоимость оборудования и снижает его конкурентоспособность, но и перегружает компрессорную систему наружного блока. С другой стороны, мощность наружных блоков принимается заниженной на 5–10%, что также приводит к повышенной нагрузке на компрессоры наружного блока.
Вместе эти два фактора приводят к преждевременному выходу компрессорного узла из строя (как правило, плат управления инверторными компрессорами). Если оценить традиционную методику в целом, то ее можно охарактеризовать как методику расчета однозональных систем кондиционирования без функции перераспределения мощности. Расчет многозональных систем основывается совершенно на других принципах.
Методика расчета оборудования VRF-систем кондиционирования на основе баланса мощности охлаждения
Необходимо отметить, что проектирование VRF-систем кондиционирования должно строиться в первую очередь на фундаментальных законах природы — законах сохранения энергии и массы. VRF-система кондиционирования — термодинамическая система: она обменивается энергетическими потоками, с одной стороны, с внутренним воздухом помещений, с другой стороны, — с внешней средой здания (рис. 1).
Причем процесс энергообмена, как правило, происходит с результирующим повышением потенциала тепловой энергии. Согласно второму закону термодинамики данный процесс может происходить только при участии механической работы (энергии сжатия компрессора). При работе кондиционера в режиме охлаждения тепловой поток от внутреннего воздуха помещений Qвн. передается через внутренние блоки, систему трубопроводов и наружный блок во внешнюю среду здания.
Наружные блоки отдают во внешнюю среду, кроме энергии из охлаждаемых помещений, энергию, затраченную на привод компрессора. Таким образом, энергетический баланс VRF-системы кондиционирования выглядит так:
∑Qвн. + Nнар. = Qнар.т. . (3)
Исходя из энергетического баланса системы кондиционирования воздуха, необходимо производить расчет и подбор оборудования VRF-систем. Этапы подбора оборудования VRF-систем следующие.
1. Расчет мощности внутренних блоков
Функционально максимальная мощность внутреннего блока должна быть больше или равна максимальным теплопритокам в кондиционируемом помещении. Мощность внутреннего блока равна количеству холода, переданного через поверхность теплообменников. Поэтому можно записать уравнение теплопередачи:
Qвн. = k × F × [(tвн.1 + tвн.2)/2– tфр. ], (4)
где k — коэффициент теплопередачи внутреннего блока, Вт/(м2⋅°С), F — площадь теплообменной поверхности внутреннего блока, м2; tвн.1, tвн.2 — температуры внутреннего воздуха на входе и на выходе внутреннего блока, °С; tфр. — температура кипения фреона, °С. С другой стороны, мощность внутреннего блока равна охлаждающей мощности фреона, поступающего во внутренний блок: Qвн. = Gвн. × qфр. , (5), где Gвн. — расход фреона во внутреннем блоке, кг/с; qфр. — теплота фазового перехода 1 кг фреона, Дж/кг. Произведение k × F— постоянная величина, зависящая от конструктивных особенностей внутреннего блока.
Температура кипения фреона tфр. также поддерживается на одном уровне системой автоматического регулирования VRF-системы. Таким образом, согласно формуле (4), мощность внутреннего блока зависит от температуры воздуха tвн.1 на входе во внутренний блок. Согласно формуле (5) мощность внутреннего блока зависит также от расхода жидкого хладагента Gвн. , поступающего к блоку. Количество энергии, поступающей к внутреннему блоку, всегда равно количеству энергии, отходящей от блока, следовательно, можно записать уравнение:
Qвн. = k × F ×[(tвн.1 + tвн.2)/2 – tфр. ] = Gвн. × qфр. . (6)
Мощность внутреннего блока регулируется изменением расхода фреона Gфр. через блок с помощью терморегулирующего вентиля, но не может быть больше, чем величина теплопередачи, определенная по формуле (4). При уменьшении температуры внутреннего воздуха происходит падение максимально возможной мощности блока. График падения мощности внутреннего блока кассетного типа AU12 VRF-системы GENERAL серии S представлен на рис. 3.
Пример 1. Необходимо подобрать внутренние блоки для кондиционируемых помещений. По табл. 1 подбираем типоразмер внутреннего блока таким образом, чтобы мощность охлаждения при расчетной температуре внутреннего воздуха была больше (или равна) максимальных теплоизбытков помещения (табл. 3). Причем расчетная температура в различных помещениях может быть неодинаковой. В данном случае расчетная температура внутреннего воздуха принята за +20°С.
2. Расчет мощности наружного блока
Расчет мощности наружного блока должен производиться исходя из условия обеспечения максимальной холодопроизводительности внутренних блоков.
Qнар. = k × ∑Qвн. . (7)
Как правило, VRF-системы кондиционирования применяются в помещениях, где коэффициент неодновременности k < 1, т.е. основной принцип функционирования мультизональных систем — перераспределение хладагента между потребителями с неодновременной нагрузкой — предполагает целесообразность их использования только при значениях k < 1. При условии одновременного максимума тепловых нагрузок в помещениях оптимально применение менее сложных систем GENERAL типа серии Big Multi. Поэтому при проектировании VRF-систем необходимо выбирать внутренние блоки в пределах одной системы с неодновременными максимумами нагрузок, например, ориентированные по разным фасадам здания.
Такой выбор приводит к равномерной загрузке наружного блока в течение суток и меньшей расчетной мощности наружного блока. Коэффициент неодновременности k зависит в первую очередь от теплового режима здания, но не может быть меньше определенных величин, которые определяются конструкцией VRF-систем. Например, для VRF-системы GENERAL серии S отношение суммы номинальных мощностей внутренних блоков к мощности наружного блока не может быть больше 130% (k = 0,77).
Для VRFсистем GENERAL серий J и V (R410a) данная величина уже равна 150% (k = 0,67). Поэтому для определения мощности наружного блока необходимо знать три величины: сумму максимальных теплоизбытков обслуживаемых помещений; коэффициент неодновременности теплоизбытков помещений (характеристики объекта кондиционирования); сумму номинальных мощностей внутренних блоков (характеристика системы кондиционирования). Холодопроизводительность наружного блока Qнар. можно определить так:
Qнар. = Gнар. × qфр. (8)
Особенность систем автоматического регулирования VRF-систем — поддержание определенного давления на выходе и входе наружного блока (рис. 4). Потери давления в системе также зависят от расхода фреона Gнар. и гидравлической характеристики сети kгидр. :
P1 – P2 = kгидр. × G2 нар. (9)
Таким образом, при увеличении длины магистралей выше номинала 7,5 м происходит увеличение гидравлической характеристики сети и, соответственно, уменьшение расхода фреона в системе. Наружный блок уменьшает общий расход фреона, сохраняя перепад давления в системе. Пропорционально уменьшению расхода фреона [формула (8)] происходит уменьшение мощности наружного блока (рис. 5).
Пример 2. Необходимо подобрать наружный блок для внутренних блоков примера 1. Эквивалентная длина магистралей — 70 м. Коэффициент неодновременности нагрузки 0,8. Суммарная фактическая мощность внутренних блоков: (4,9 + 4,0 + 6,3 + 2,1 + 2,8)× 0,8 = 16,08 кВт. Суммарная номинальная мощность внутренних блоков: (6,9 + 5,4 + 8,8 + 2,8 + 4,0) = 27,9 кВт. Для VRF-системы GENERAL серии S максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным в одной системе равно 130% [1].
Следовательно, минимальная номинальная мощность наружного блока: 27,9/1,3 = 21,5 кВт. Подходит наружный блок АО72R с номинальной мощностью 22,4 кВт. Потери мощности по длине магистралей составляют 7% (рис. 5). Максимальная мощность наружного блока в данных условиях составляет: 22,4 × 0,93 = = 20,8 кВт. Для внутренних блоков необходимо максимум 16,08 кВт. Запас мощности наружного блока отсюда 20,8/16,08 = 1,29 (29%). Запас мощности наружного блока 29% является следствием разных условий в номинальных и фактических режимах работы. Он может быть использован системой, например, когда температура внутреннего воздуха повысится и внутренние блоки смогут выдать большую мощность охлаждения.
Вывод
Рассмотренная методика, основанная на уравнениях энергетического и материального баланса VRF-систем, применима для расчета кондиционеров с переменным расходом фреона любых производителей. Она была использована при проектировании VRF-систем кондиционирования в здании центрального аппарата управления ООО «ЛУКОЙЛПЕРМНЕФТЬ» в 2000 г. (рис. 6). За пятилетний период эксплуатации 21-й VRF-системы (правый корпус) на данном объекте не было ни одного выхода из строя компрессорного узла наружных блоков.
