Системы VRF с водяным охлаждением конденсатора появились в 1998 году, когда компания Mitsubishi Electric первой внедрила в производство данный тип оборудования с единственной целью — возможностью кондиционирования высотных зданий. Дело в том, что классические системы VRF были хороши всем — компактны и энергоэффективны, за счёт модульности способны кондиционировать любое по размерам здание. Кроме одного критерия — ограниченного перепада высот между наружным и внутренними блоками. На тот период эта величина составляла 50 м (сегодня максимально допустимый перепад высот — 90–110 м).
Поэтому было придумано классическое решение — охлаждение конденсаторов с помощью воды или водных незамерзающих растворов. Перепад высот при этом может быть практически любым и ограничен только прочностью водяных трубопроводов. В этом случае при необходимости ставился промежуточный теплообменник «вода-вода», и снова перегретую воду можно было удалять как угодно высоко (рис. 1). Это не очень удачный выбор с точки зрения энергоэффективности, но энергоэффективность и не была целью данного решения.
Так откуда возник миф о малом энергопотреблении VRF-систем с водяным охлаждением конденсатора? Ответ: от лукавства поставщиков оборудования и невнимательности заказчиков. Если мы посмотрим на характеристики систем VRF в каталогах, то увидим следующие цифры (табл. 1). Для корректности сравнения приводим цифры одного известного производителя (L).
То есть при сравнении величины EER из каталожных таблиц у заказчиков складывается впечатление, что этот показатель у водяных систем выше, а значит, и энергоэффективность водяных систем, естественно, тоже выше.
Однако «дьявол прячется в деталях», и всё самое важное пишется самым мелким шрифтом. И что же написано мелким шрифтом под каждой таблицей в каталогах? Производительность указана при номинальных параметрах: температура в помещении +27°C, уличная температура +35°C, температура охлаждающей воды на входе в конденсатор +30°C.
Температура внутреннего воздуха нас пока не интересует, она будет одинакова для наших сравниваемых систем (27°C сухого термометра, 19°C влажного термометра). Теперь давайте зададим главный вопрос: какую минимальную температуру охлаждающей воды мы можем получить в сухом охладителе (драйкулере) при наружной температуре +35°C? При бесконечно большом теплообменнике получим те же +35°C, но это практически нереально. А при реальных размерах теплообменника мы получим воду с температурой на 5–10°C выше, чем охлаждающий её воздух. То есть действительная температура воды на входе в конденсатор VRF-системы будет не +30°C, а в лучшем случае +40°C, а реальнее — +45°C.
И как же изменятся характеристики энергопотребления водяной системы VRF при этих условиях?
Для более подробных расчётов производители размещают таблицы изменения характеристик систем в реальных условиях (пример приведён в табл. 2).
Мы видим, что, во-первых, производительность водяных VRF-систем резко упала: блоки выдают уже не 28 кВт холода, а 25,2 и 23,8 кВт, соответственно. А энергопотребление, наоборот, возросло. Коэффициент энергетической эффективности в режиме охлаждения опустился до четырёх единиц: 4,18 и 3,56, что значительно ниже EER для систем воздушного охлаждения того же производителя.
Но, возможно, это просто производитель «неправильный», а у других всё по-другому? Давайте для чистоты выводов посмотрим на другого не менее известного производителя (М) систем VRF с воздушным и водяным охлаждением (табл. 3).
Ничего практически не поменялось, воздушные VRF другого производителя в реальных условиях сравнения показывают бóльшую производительность и меньшее энергопотребление, чем VRF с водяным конденсатором.
Но наше сравнение на этом не заканчивается. Дело в том, что систему кондиционирования нужно рассматривать в комплексе. То есть система с воздушным конденсатором не требует других, так скажем, энергетических элементов, кроме наружного и внутреннего блоков. Система с водяным конденсатором требует отдельной системы отвода тепловой энергии: водяного контура, который содержит два дополнительных энергопотребляющих элемента. Это насос и воздушный охладитель воды (драйкулер). Драйкулер может быть по конструкции «сухой» и «мокрый», мы чуть позже рассмотрим оба варианта. Оба этих элемента расходуют электроэнергию, и не учитывать их в балансе выработки холода неправильно.
Итак, энергопотребление насоса пропорционально произведению производительности насоса на перепад давления и обратно пропорционально КПД. Давайте укрупнённо посчитаем величину добавочных энергозатрат на циркуляцию водяного контура.
Во-первых, производительность насоса рассчитывается исходя из требуемого температурного перепада на конденсаторе (как правило, это 5°C). При большем перепаде температуры мы экономим на насосах и трубопроводах, но получаем более высокую температуру конденсации и дополнительный расход энергии компрессоров. И это перекрывает всю экономию. При меньшем перепаде (2–3°C) мы немного увеличиваем энергоэффективность холодильного цикла, но в два раза увеличиваем расход воды и, соответственно, затраты на её перемещение.
Есть ещё один нюанс, про который часто забывают в проектах: какое количество тепла сбрасывает наружный блок с номинальной холодопроизводительностью 28 кВт? Часто в проектах при расчёте воздушных охладителей используют только холодильную мощность, что приводит к ошибке примерно в 30%.
На конденсаторе холодильной установки сбрасывается не только энергия, полученная испарителем, но и энергия сжатия компрессора. Итого данные для расчёта водяного контура нашего примера приведены в табл. 4.
Энергоэффективность в режиме частичной нагрузки
По результатам табл. 4 видно, что энергоэффективность воздушных систем VRF в полтора раза выше, чем водяных. Но мы сделали расчёт в максимальном режиме загрузки — 100%. Бóльшую часть времени системы кондиционирования работают с частичной загрузкой и при средней температуре наружного воздуха. Просчитаем и этот вариант: возьмём загрузку наружного блока 50% и наружную температуру +25°C. Ранее мы уже определили, что температура охлаждаемой воды больше температуры наружного воздуха на 5–10°C. Так как у нас в два раза снижается количество отвода тепла, то вполне логично применить высокоэффективные насосы с частотным регулированием. Снижение производительности в два раза приведёт к снижению энергопотребления насоса в четыре раза. Драйкулер отключит часть вентиляторов и также снизит своё энергопотребление в два раза (табл. 5).
В итоге в режиме частичной нагрузки EER на всех системах вырастет и составит: на воздушных VRF — более восьми единиц, на водяных VRF-системах — около пяти единиц.
Применение драйкулеров открытого (испарительного) типов
Одним из аргументов в пользу водяных VRF-систем приводят возможность использования адиабатического охлаждения циркуляционной воды и повышения энергетической эффективности. Рассмотрим и этот вариант (рис. 2).
При открытом контакте нагретой воды с воздухом возникает эффект испарения и дополнительного адиабатического охлаждения воды. Как этот процесс выглядит на диаграмме «энтальпия-влагосодержание», показано на рис. 3.
Как видно из рис. 3, при номинальных параметрах наружного воздуха +35°C и влажности 50% мы можем охладить воду с помощью испарения до +26°C. Это если процесс идёт бесконечно долго или поверхность испарения у нас бесконечных размеров. В реальных «мокрых» драйкулерах процесс охлаждения идёт не до конца (линия 100% влажности), и воду можно охладить максимум от +35 до +30°C. К тому же не нужно забывать о принципиальных недостатках испарительного охлаждения:
1. Драйкулер открытого типа является одновременно скруббером*, прекрасно улавливающим крупные, средние и мелкие пылинки из воздуха и быстро накапливающим их в циркуляционной воде. Раз в две-четыре недели воду необходимо основательно чистить или менять.
2. Вода испаряется, поэтому и происходит охлаждение. При испарении происходит накапливание всех солей, пришедших из подпиточной воды. Соли жёсткости будут быстро забивать всё, что можно забить, от насосов до запорных клапанов.
3. Невозможно использовать систему зимой, так как вода будет просто замерзать. Сухие драйкулеры могут быть заполнены растворами гликоля, поэтому системы можно эксплуатировать круглый год.
4. Вода испаряется только при относительной влажности воздуха менее 100%. Если недавно прошёл дождь или сам по себе климат влажный — испарительное охлаждение не работает.
Но в целом — да, водяные VRF-системы можно использовать с драйкулерами мокрого типа, и это даст дополнительное охлаждение воды примерно на 5°C. Но тогда необходимо рассматривать аналогичный вариант и для VRF-систем с воздушным конденсатором. А именно — орошение конденсатора водой для его дополнительного охлаждения.
В этом случае возникает интересный эффект. Температура конденсации хладагента при номинальных условиях составляет 45–47°C. Вода, попадая на теплообменник конденсатора, быстро приобретает такую температуру и начинает испаряться активнее, чем при температуре окружающего воздуха. В результате потенциал адиабатического охлаждения получается значительно выше, и орошение способно снизить температуру конденсации воздушных VRF на 10°C, повысив энергоэффективность в жаркие дни. Один из возможных вариантов — осуществлять орошение конденсаторов наружных блоков дренажной водой из внутренних блоков.
Во-первых, дренаж не содержит солей, поэтому нет проблем с дальнейшей очисткой теплообменников. Во-вторых, максимальное выделение дренажа возникает именно в жаркие и влажные дни. Поэтому этот способ является самым простым и логичным.
Выводы
1. Энергоэффективность систем VRF с водяным охлаждение конденсатора в полтора-два раза ниже, чем у VRF-систем с воздушным конденсатором.
2. Область оптимального применения VRF-систем с водяным охлаждением конденсатора — здания высотой более 100 м, когда невозможно использовать VRF-системы с воздушным конденсатором. Но и в этом случае оптимально верхние этажи по возможности кондиционировать с помощью классических воздушных VRF, а нижние — с помощью водяных VRF.
3. Капитальные затраты на кондиционирование с помощью VRF с водяным конденсатором примерно в два раза больше, чем в случае с применением классических воздушных VRF.
