Dobór i cechy charakterystyczne systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego

FOTOREPORTAZE

ON-LINE

Naszą witrynę przegląda teraz 134 gości

Facebook

Chłodnictwo & Klimatyzacja

Miesięcznik indeksowany
jest w bazie czasopsim
technicznych

Dobór i cechy charakterystyczne systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego

Data dodania: 04.02.2008

Systemy z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego są obok systemów pośrednich najpopularniejszymi rozwiązaniami stosowanymi w średnich i małych obiektach. Wiele innowacyjnych rozwiązań i cech charakterystycznych systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego powoduje, iż stanowią one coraz „mocniejszą” alternatywę dla systemów bazujących na wodzie ziębniczej. W artykule dokonano przedstawienia głównych atutów i wad systemów typu VRF (ang. variable refrigerant flow – zmienny przepływ czynnika chłodniczego), sposobu doboru urządzeń a także krótkiego porównania do pośrednich systemów schładzania powietrza, których głównym elementem są agregaty wody lodowej.

     Stosowane obecnie systemy klimatyzacyjne można podzielić zasadniczo na dwa rodzaje, jeśli brać pod uwagę proces schłodzenia powietrza. Należą do nich instalacje z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego oraz systemy z „pośrednim” odparowaniem ziębnika. W pierwszym z omawianych rozwiązań ciepło od schładzanego powietrza jest bezpośrednio odbierane przez czynnik chłodniczy, w drugim przypadku czynnik chłodniczy schładza ciecz pośredniczącą (wodę, wodny roztwór glikolu), która z kolei odbiera ciepło od powietrza wymagającego schłodzenia. Do szeroko rozumianych systemów bezpośredniego odparowania można zaliczyć najprostsze urządzenia typu „split” i „multi-split”, oraz systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Szczególnie te ostatnie cieszą się coraz większą popularnością i znajdują zastosowanie w wielu obiektach.
     Najbardziej prostymi rozwiązaniami o bezpośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego są klimatyzatory typu „split”, w których, jednej jednostce wewnętrznej jest przyporządkowana jedna jednostka zewnętrzna. Bardziej rozbudowane konstrukcje pozwalają na przyporządkowanie kilku jednostek wewnętrznych (różne typoszeregi o zróżnicowanej mocy chłodniczej) do jednej jednostki zewnętrznej. Są to tzw. systemy „multi-split”. Obecnie większość oferowanych przez producentów w/w urządzeń („split” i „multi-split”) z uwagi na zastosowanie czterodrogowego zaworu regulacyjnego często również pełni funkcję pompy ciepła. Takie rozwiązanie jest korzystne, gdy zadaniem całego systemu jest jednoczesne chłodzenie lub grzanie pomieszczeń. Dla obiektów, w których występuje jednoczesne zapotrzebowanie na moc chłodniczą i grzewczą (np. w okresie przejściowym), można spotkać rozwiązania w zakresie systemów „multi-split”, w których jednostka zewnętrzna jest wyposażona w dwa niezależne obiegi chłodnicze, w których jednocześnie jeden z obiegów może pracować w trybie chłodzenia, drugi zaś realizować funkcję grzania. Najbardziej jednak zaawansowanymi technologicznie urządzeniami, spośród uprzednio wymienionych, stanowią układy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego.

Systemy klimatyzacyjne ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego
     Jednostki zewnętrzne (agregaty skraplające) systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego są wyposażone w sprężarki o różnej wydajności. Poprzez odpowiednio wybraną konfigurację poszczególnych jednostek zewnętrznych tworzy się instalację o łącznej wydajności chłodniczej dopasowanej do potrzeb danego systemu. Systemy z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego są obok systemów pośrednich najpopularniejszymi rozwiązaniami stosowanymi w średnich i małych obiektach. Wiele innowacyjnych rozwiązań i cech charakterystycznych systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego powoduje, iż stanowią one coraz „mocniejszą” alternatywę dla systemów bazujących na wodzie ziębniczej. W artykule dokonano przedstawienia głównych atutów i wad systemów typu VRF (ang. variable refrigerant flow – zmienny przepływ czynnika chłodniczego), sposobu doboru urządzeń a także krótkiego porównania do pośrednich systemów schładzania powietrza, których głównym elementem są agregaty wody lodowej. Pozwala to na swobodę podczas projektowania, redukcję ilości zastosowanych urządzeń zewnętrznych oraz krótsze orurowanie w porównaniu z urządzeniami konwencjonalnymi. Zespół agregatów skraplających tworzy jedna jednostka nadrzędna (z jedną sprężarką o płynnej regulacji wydajności, pozostałe sterowane zał./wył.)) oraz jednostki podrzędne (wszystkie wyposażone w sprężarki o stałej wydajności). Płynną regulację wydajności zapewnia jedna z sprężarek w jednostce nadrzędnej, która jest sterowana inwerterowo. W miarę wzrostu obciążenia cieplnego budynku, zostaje załączona sprężarka o płynnej regulacji wydajności, następnie zostają załączane sprężarki o stałej wydajności w jednostce nadrzędnej (master) i kolejno w jednostkach podrzędnych (slave). W ten sposób możliwe staje się precyzyjne kontrolowanie przepływu czynnika w obiegu chłodniczym adekwatnie do obciążenia systemu.
     Stosunek wydajności przyłączeniowej jednostek wewnętrznych może wynosić od 50 do 150% nominalnej mocy jednostki zewnętrznej, dzięki czemu możliwe jest nawet przyłączenie do 48 jednostek wewnętrznych w jednym obiegu chłodniczym. Dzięki zastosowaniu przy każdej jednostce wewnętrznej elektronicznego zaworu rozprężnego możliwe jest osiągnięcie wysokiej precyzji w zakresie utrzymania zadanej wartości temperatury w pomieszczeniu. Do innych charakterystycznych cech należą:
● wysoka niezawodność (zamienna praca sprężarek, płynny rozruch, kontynuacja pracy, nawet w momencie awarii sprężarki lub jednostki wewnętrznej, optymalna kontrola oleju niewymagająca zastosowania syfonów i kontrasyfonów na instalacji freonowej, zdalny monitoring);
● zwiększony komfort w klimatyzowanych pomieszczeniach (możliwość pracy dowolnej ilości jednostek wewnętrznych w systemie, optymalizacja równowagi ilości czynnika chłodniczego w układzie poprzez kontrolę poziomu cieczy w zbiorniku ciekłego czynnika chłodniczego oraz dochładzacz ciekłego czynnika, precyzyjna kontrola temperatury w pomieszczeniu z uwagi na płynną regulację prędkości obrotowej wirnika sprężarki oraz zastosowanie elektronicznych zaworów rozprężnych, niski hałas jednostek wewnętrznych i zewnętrznych, itp.);
● wysoka efektywność energetyczna (brak cieczy pośredniczących w systemie, zastosowanie czynnika chłodniczego R410A, płynna regulacja prędkości obrotowej sprężarki);
● uproszczone projektowanie (duża wydajność przyłączeniowa jednostek wewnętrznych, praca w niskich temperaturach powietrza zewnętrznego, długie „orurowanie”, kompaktowe wymiary urządzeń zewnętrznych i wewnętrznych umożliwiające efektywne gospodarowanie przestrzenią użytkową, itp.);
● uproszczony montaż (prostota i dowolność łączenia jednostek wewnętrznych i zewnętrznych, redukcja średnicy przewodów z uwagi na zastosowanie czynnika chłodniczego R410A o wysokiej jednostkowej wydajności chłodniczej, kompaktowe wymiary, możliwość dowolnego kierunku wyprowadzenia przewodów freonowych z jednostki zewnętrznej, wysuwana taca umożliwiająca szybką wymianę uszkodzonej sprężarki, itp.).

Projektowanie systemów VRF
     Wszystkie wymienione cechy stanowią o atrakcyjności systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego. Niezmiernie istotnym aspektem jest uproszczony projekt pozwalający na elastyczne i zarazem właściwe zwymiarowanie systemu. Poszczególne etapy procedury projektowania systemów VRF są następujące:
● lokalizacja i rozmieszczenie jednostek wewnętrznych i zewnętrznych urządzeń;
● trasowanie przewodów freonowych;
● weryfikacja zachowania podawanych przez producenta odległości pomiędzy urządzeniami;
● dobór jednostek wewnętrznych;
● dobór niezbędnych akcesoriów opcjonalnych (maskownice dla jednostek wewnętrznych typu kasetonowego, dostarczane oddzielnie elektroniczne zawory rozprężne, itp.);
● dobór jednostek zewnętrznych;
● określenie wymagań odnośnie systemu automatycznej regulacji;
● dobór elementów sterujących (sterowniki bezprzewodowe, sterowniki przewodowe, sterowniki centralne i grupowe, itp.);
● dobór interfejsów (interfejs grupowy, Lon Works, BACnet, RS-232C, wzmacniacze sygnałów, zewnętrzne przełączniki funkcji);
● dobór innych akcesoriów opcjonalnych (kształtki okrągłe i prostokątne, filtry o wydłużonej żywotności, odbiorniki sygnałów, pomieszczeniowe czujniki temperatury, pompki skroplin, itp.);
● dobór niezbędnych elementów instalacji freonowej (trójniki, rozgałęźniki, itp.);
● określenie średnicy przewodów freonowych.

     W dalszej części artykułu zostaną opisane dwa etapy zasługujące na szczególną uwagę: dobór jednostek wewnętrznych i zewnętrznych systemów VRF a także wytyczne dotyczące wymiarowania instalacji freonowych zgodnie z instrukcjami jednego z producentów.

Dobór jednostek wewnętrznych i zewnętrznych systemów VRF
(...)

Wymiarowanie instalacji freonowych systemów VRF
     Do tego stadium projektu należy przede wszystkim trasowanie przewodów freonowych, weryfikacja zalecanych przez producenta wymagań, co do odległości pomiędzy poszczególnymi elementami systemów oraz dobór średnicy przewodów freonowych i innej armatury. Jednym z atutów systemów VRF jest uproszczony i mało skomplikowany proces wymiarowania rurociągów. W odniesieniu do innych systemów freonowych nie jest wymagane zastosowanie syfonów, kontrasyfonów na instalacji oraz prowadzenia ze spadkiem rurociągów freonowych wymaganych z uwagi na prawidłowy obieg oleju smarnego w obiegu chłodniczym. Nowatorskie rozwiązania proponowane przez producentów są efektywne, spełniają swoje przeznaczenia a przede wszystkim nie wymagają skomplikowanych formuł przeliczeniowych. (...)

Zestawienie cech systemów VRF oraz systemów bazujących na wodzie lodowej
Na samym początku należy zaznaczyć, iż nie jest możliwe jednoznaczne stwierdzenie, iż jeden z dwóch rozpatrywanych systemów jest zdecydowanie korzystniejszy od drugiego. Obydwa systemy cechują się wadami i zaletami a wybór konkretnego rozwiązania jest zależny od wielu czynników. Taką tezę można postawić tylko w oparciu o znajomość charakterystyki cieplno-wilgotnościowej budynku oraz po określeniu wymagań systemu, docelowych parametrów powietrza. Poniżej przedstawiono zestawienie poszczególnych zalet i wad systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego w odniesieniu do systemów z cieczą pośredniczącą – wodą lodową. Wady systemów freonowych VRF są jednocześnie zaletami systemów bazujących na wodzie lodowej.

VRF systemy feronowe – zalety:
● wyższe wartości współczynników efektywności energetycznej EER i COP dla pełnego obciążenia cieplnego z uwagi na brak cieczy pośredniczących w odniesieniu do systemów opartych na wodzie lodowej;
● wyższe wartości współczynników efektywności energetycznej ESEER z uwagi na płynną regulację prędkości obrotowej sprężarki w jednostce nadrzędnej gwarantującej idealne dopasowanie wydajności chłodniczej systemu do obciążenia cieplnego budynku;
● korzystniejsze warunki przedłużonej gwarancji na urządzenia;
● mniejsze średnice przewodów freonowych w odniesieniu do średnicy przewodów wodnych i związane z tym mniejsze zapotrzebowanie na prowadzenie przewodów na powierzchni (zdolność akumulacji ciepła dla czynnika chłodniczego: 192 kJ/kg; zdolność akumulacji ciepła dla czystej wody lodoweji dt=5K: 21 kJ/kg);
● dla mniejszych średnic przewodów freonowych przy jednostkach wewnętrznych duża elastyczność co do kierunku prowadzenia przewodów;
● niższe koszty związane z zakupem przewodów freonowych z uwagi na mniejsze średnice przewodów;
● w systemach opartych na wodzie ziębniczej pompa pracuje ze stałą wydajnością podczas gdy w systemach ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego sprężarka płynnie dopasowuje swoją wydajność do chwilowego zapotrzebowania na „chłód”;
● duża dokładność w doborze urządzeń zewnętrznych związana z dowolnością w konfiguracji jednostek zewnętrznych o zróżnicowanej wydajności chłodniczej (± 6 kW);
● alternatywa dla systemów ogrzewania o niskich kosztach eksploatacyjnych;
● możliwa rezygnacja z odrębnego systemu grzewczego (układ pompy lub odzysku ciepła); w przypadku systemów wodnych konieczność zastosowania odrębnego systemu grzewczego (kocioł, pompa wody grzewczej, instalacja, itp.);
● możliwość grzania w dowolnym momencie (dotyczy to szczególnie okresów przejściowych);
● awaria systemu spowodowana nieszczelnością nie jest tak problematyczna jak dla systemów wypełnionych mieszaniną wodno-glikolową;
● brak konieczności regulacji instalacji chłodniczej po montażu, łatwiejszy i szybszy rozruch instalacji, w przypadku systemów wody lodowej – konieczność równoważenia instalacji hydraulicznej (zawory podpionowe, kryzy i zawory dławiące, automatyczne zawory równoważące, itp.);
● szybki czas reakcji w odniesieniu do systemów wodnych;
● uproszczony proces tworzenia rozbudowanych systemów sterowania i podłączenia do systemu BMS, możliwość indywidualnego naliczania kosztów eksploatacji w standardowym oprogramowaniu sterownika; w przypadku systemów sterowania urządzeń systemu wody ziębniczej bardziej skomplikowany dobór systemu sterowania i wyższe koszty automatyki;
● brak konieczności zastosowania zbiorników buforowych, w niektórych systemach wody ziębniczej wymagana konieczność zastosowania zbiorników z uwagi na ograniczoną liczbę załączeń sprężarki w agregacie chłodniczym;
● brak konieczności opróżniania instalacji w okresie zimowym; w systemach wodnych w okresie zimowym konieczność opróżnienia instalacji bądź zastosowania wodnych roztworów glikoli;
● łatwiejsze zmiany aranżacyjne.

VRV systemy freonowe – wady:
● proponowane warunki przedłużonej gwarancji zobowiązują do płatnych przeglądów serwisowych u producenta urządzenia i są obowiązujące pod warunkiem systematyczności w ich prowadzeniu. W przypadku braku przeglądu następuje utrata gwarancji;
● koszt przeglądu jednostki wewnętrznej systemu freonowego jest wyższy od kosztów przeglądu klimakonwektorów wentylatorowych;
● w przypadku awarii, systemy freonowe wymagają interwencji wykwalifikowanego serwisanta chłodziarza podczas, gdy do interwencji serwisowej systemu wodnego wystarczy przyjazd tylko hydraulika. Koszt roboczogodziny hydraulika jest niższy niż wykwalifikowanego chłodziarza;
● przywrócenie instalacji klimatyzacji do pełnej sprawności po awarii systemu freonowego jest znacznie dłuższe niż systemów wodnych;
● zlokalizowanie nieszczelności systemów freonowych wymaga zastosowania specjalnych przyrządów pomiarowych podczas, gdy nieszczelności systemów wodnych dają się łatwo zlokalizować;
● w przypadku nieszczelności systemy freonowe wymagają ponownego całkowitego napełnienia instalacji czynnikiem chłodniczym z uwagi na fakt zastosowania mieszanin zeotropowych (R407C, R410A) cechujących się innym składem objętościowym poszczególnych składników mieszaniny w określonej temperaturze;
● prowadzenie instalacji freonowych podlega obostrzeniom prawnym (maksymalna ilość czynnika w pomieszczeniu) dotyczy to w szczególności rozległych instalacji i może w przyszłości takie rozwiązanie wymagać dodatkowych opłat środowiskowych;
● szerszy zakres wydajności chłodniczych systemów wodnych niż proponowanych przez producentów systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego ograniczających zastosowanie VRF do obiektów o małej i średniej kubaturze
● w przypadku zamiany urządzeń należy zwrócić uwagę na fakt niższej temperatury ścianki chłodnicy w jednostkach wewnętrznych systemów VRF, co powoduje, że większa część całkowitej wydajności chłodniczej urządzenia, w porównaniu do klimakonwektorów wentylatorowych, jest tracona na odwilżanie powietrza;
● wyższe koszty inwestycyjne związane z zakupem urządzeń. Choć pierwotnie koszty instalacji freonowej są wyższe od systemów wody ziębniczej to ostatecznie są one zależne od wielu czynników. Dla przykładu biorąc pod uwagę system grzewczo-chłodzący z doprowadzeniem powietrza świeżego koszt zakupu urządzeń freonowych będzie niższy niż koszt instalacji opartej na wodzie ziębniczej z uwagi na wysokie koszty dodatkowej instalacji grzewczej (klimakonwektory w wykonaniu czterorurowym, kocioł grzewczy, itp.). W celu dokonania wiarygodnego porównania kosztów obydwu systemów należy również rozpatrywać globalnie koszt całego systemu (koszt instalacji, koszt rozruchu i montażu systemu, armatury wraz z elementami równoważącymi, itp.).

Podsumowanie
W artykule dokonano prezentacji systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, przedstawiono wady i zalety systemów typu VRF w odniesieniu do instalacji z cieczą pośredniczącą – wodą lodowa. Prosty proces projektowania tego typu rozwiązań, łatwy montaż, jak też inne wymienione zalety urządzeń pracujących ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego powodują, iż są to coraz częściej stosowane alternatywne systemy do „wody lodowej” dla małych i średnich obiektów. Coraz więcej powstaje również firm w Polsce oferujących systemy bezpośredniego odparowania o zmiennym przepływie masowym czynnika chłodniczego. Warto zatem już teraz poznać podstawowe informacje o tych systemach, gdyż może się okazać, że wkrótce staną się równie popularne jak systemy wody lodowej.

LITERATURA
[1] H. RECKNAGEL, E. SPRENGER, W. HONMANN, E. R. SCHRAMEK: „Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja” – Wydanie 1 Gdańsk 1994).
[2] W. P. JONES: „Klimatyzacja” – Wydawnictwo ARKADY 2001.
[3] K. WOJTAS, K. CIEŚLA: „Wpływ kategorii komfortu klimatu wewnętrznego na projektowanie systemów klimatyzacji w obiektach użyteczności publicznej” – materiały seminaryjne Forum Wentylacja, Salon Klimatyzacja, Warszawa 20-21 marca 2007.
[4] J. MÜLLER, D. SKRZYNIOWSKA: „Wady i zalety stosowania klimatyzacji komfortu – cz. II – systemy klimatyzacji”, Chłodnictwo&Klimatyzacja – 6/2006.
[5] Materiały szkoleniowe FUJITSU/KLIMATHERM.

wydanie 1-2/2008

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ E-WYDANIE