Парадоксы традиционной методики расчета vrf систем кондиционирования воздуха - Журнал С.О.К. Сантехника Отопление Кондиционирование

Сергей БРУХ. Ассоциация «Японские кондиционеры»

VRF системы — самый молодой класс центральных кондиционеров. Но благодаря таким преимуществам, как компактность, энергоэффективность, модульность и надежность, VRF системы вытесняют с мирового рынка водяные и воздушные системы многозонального кондиционирования. Ведущие производители климатических систем наладили выпуск перспективного класса оборудования типа VRF. Используя различные подходы к построению конструкции наружных блоков, производители едины в главном — VRF системы реализовывают принцип многозональности регулирования холодо- и теплопроизводительности внутренних блоков (местных кондиционеров). Методики подбора оборудования VRF систем, изложенные в фирменных каталогах различных производителей, незначительно отличаются друг от друга, но в целом подобны. Традиционный процесс подбора подразделяется на несколько этапов.

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).

Суммируются номинальные холодопроизводительности внутренних блоков (или их индексы). По данной сумме выбирается наружный блок системы таким образом, чтобы номинальная холодопроизводительность всех внутренних блоков составляла менее 130% от номинальной холодопроизводительности наружного блока (для систем с R410A 150%).

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 определяется по формуле:

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.

Данная методика используется практически во всех технических каталогах фирм производителей за редкими исключениями. Но, несмотря на такое «единодушие», она несколько нелогична и даже парадоксальна.

Выбор типоразмера внутренних блоков в пункте 1 производится исходя из производительности Qт, определенной по температуре наружного и внутреннего воздуха. Но в дальнейших расчетах данная величина нигде не участвует. Зачем ее определяли — непонятно.

Выбор наружного блока в пункте 2 производится исходя из превышения мощности внутренних блоков Σqвн.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.

В пункте 3 определяется «фактическая» производительность наружного блока в зависимости от температур наружного и внутреннего воздуха и суммы номинальной холодопроизводительности внутренних блоков системы ΣQвн.ном. Парадокс заключается в том, что фактическая производительность наружного блока всегда равняется фактической производительности внутренних. Это следует из фундаментального закона сохранения энергии. Что за величина вычисляется в пункте 3 — непонятно, так как в данном случае не учитывается важнейший параметр, влияющий на производительность наружного блока — длина магистральных трубопроводов между наружным и самым удаленным внутренним блоком.

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 при этом брать в качестве расчетной температуру воздуха в помещениях: минимальную, максимальную или среднюю — неясно. Численный анализ мощности наружного блока (таблицы 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 наружных блоков.

«Уточненная» производительность внутреннего блока (пункт 4) определяется путем деления «фактической» мощности наружного блока Qнар.факт пропорционально типоразмеру внутреннего блока. Простейший математический анализ формулы (2) показывает: чем больше величина превышения ΣQвн.ном над Qнар.факт , практически принятая в начале расчета 130% (150%), тем меньше получится «уточненная» производительность внутреннего блока. Зачем в начале расчета задавать 130% превышение, чтобы потом гарантированно получать снижение производительности внутренних блоков в той же пропорции?

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 VRF систем. Поэтому коэффициент превышения суммарной мощности внутренних блоков над мощностью наружного необходим и оправдан, так как практически невозможно функционирование всех внутренних блоков в режиме максимальной мощности. Но парадокс 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.

Производительность внутреннего блока в формуле (2) умножается на понижающий коэффициент К, 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 К снижает максимальную производительность наружного блока, а не внутренних блоков. Проблемы, возникающие при подборе VRF систем кондиционирования по существующей методике:

Существующая методика расчета за нижает 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. В целом эти два фактора приводят к преждевременному выходу компрессоров из строя. 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 балансов мощности

Проектирование VRF систем кондиционирования должно строиться в первую очередь на фундаментальных законах природы — законах сохранения энергии и массы. VRF система кондиционирования является термодинамической системой, обменивающейся энергетическими потоками, с одной стороны, с внутренним воздухом помещений, с другой — 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, наружный блок во внешнюю среду здания. Кроме энергии из охлаждаемых помещений, наружные блоки во внешнюю среду отдают энергию, затраченную на привод компрессора. Таким образом, энергетический баланс VRF системы кондиционирования выглядит так:

Исходя из энергетического баланса системы кондиционирования воздуха, необходимо производить расчет и подбор оборудования VRF систем. Этапы подбора оборудования VRF систем следующие.

Функционально максимальная мощность внутреннего блока должна быть больше или равна максимальным теплопритокам в кондиционируемом помещении. С одной стороны, мощность внутреннего блока равна количеству холода, переданного через поверхность теплообменников. Поэтому можно записать уравнение:

где k — коэффициент теплопередачи внутреннего блока, Вт/(м2°С); F — площадь теплообменной поверхно сти внутреннего блока, м2; tвн1, tвн2 — 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:

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 tвн1 на входе во внутренний блок. Согласно формуле (5), мощность внутреннего блока зависиттакже от расхода жидкого хладагента Gвн, поступающего в блок. Количество энергии, поступающей во внутренний блок, всегда равно количеству энергии, исходящей из блока. Следовательно, можно записать уравнение:

Мощность внутреннего блока регулируется с помощью изменения 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 серии S GENERAL представлен на рис. 3.

Пример 1. Необходимо подобрать внутренние блоки для кондиционируемых помещений. Расчетная температура внутреннего воздуха +20 °С. Подбираем типоразмер внутреннего блока таким образом, чтобы мощность охлаждения при температуре +20 °С была больше (или равна) максимальных теплоизбытков помещения (табл. 3).

Расчет мощности наружных блоков должен производиться исходя из условия обеспечения максимальной холодопроизводительности внутренних блоков.

    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 типа серии Big Multi GENERAL. Поэтому при проектировании VRF систем необходимо выбирать внутренние блоки в пределах одной системы с неодновременными максимумами нагрузок, например ориентирование 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, зависящих от конструкции VRF систем. Например, для серии S GENERAL отношение суммы номинальных мощностей внутренних блоков к мощности наружного блока не может быть больше 130%. Для серии J GENERAL (R410A) данная величина уже равна 150%. Поэтому для определения мощности наружного блока необходимо знать три величины: сумму максимальных теплоизбытков обслуживаемых помещений, сумму номинальных мощностей внутренних блоков, коэффициент неодновременности теплоизбытков помещений.
    Холодопроизводительность наружного блока Qнар можно определить по формуле:

Особенностью систем автоматического регулирования VRF систем является поддержаниеопределенного давления на выходе и входе наружного блока (рис. 4). Потери давления в системе также зависят от расхода фреона Gнар и гидравлической характеристики сети kгидр:

Таким образом, при увеличении длины магистралей выше номинала 7,5 метров происходит увеличение гидравлической характеристики сети и, соответственно, уменьшение расхода фреона 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 метров. Коэффициент неодновременности нагрузки 0,8. Суммарная фактическая мощность внутренних блоков:

Суммарная номинальная мощность внутренних блоков:

Для серии S GENERAL максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным в одной системе равно 130%. Следовательно, минимальная номинальная мощность наружного блока: 27,9/1,3=21,5 кВт. Подходит наружный блок АО72R с номинальной мощностью 22,4 кВт. Максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным равно 27,9/22,4=125%. Максимальная производительность наружного блока равна 21,5 кВт. Потери давления мощности по длине трубопроводов составляют 7%. Максимальная мощность наружного блока в данных условиях составляет:

21,50,93=20,0 кВт. Для внутренних блоков необходимо максимум 16,08 кВт. Запас мощности наружного блока составляет 20,0/16,08=1,24 (24%).

Рассмотренная методика, основанная на уравнениях энергетического и материального баланса VRF систем, применима для расчета кондиционеров с переменным расходом фреона любых производителей. ❑