VRF или чиллер? Сравнительный анализ фреоновых и водяных систем кондиционирования воздуха


Современная климатическая техника, включая системы с переменным расходом хладагента (VRF) и водяные системы («чиллер-фанкойлы»), ушла далеко вперёд, и сегодня многие выводы, сделанные 17 лет назад, уже потеряли свою актуальность. Но и в мире в целом, и в России в частности активно продолжается установка центральных систем кондиционирования и продолжаются споры проектировщиков и заказчиков о том, какая же всё-таки система больше подходит для конкретного объекта.

Отмечу, что, как и раньше, однозначного ответа на этот вопрос нет. Прежде всего необходимо исходить из критериев оценки и требований, которые возникают на том или ином объекте.

Попытаемся сегодня повторить этот «подвиг» и проведём анализ уже современных систем. Анализ будем проводить с разбивкой на группы критериев сравнения, а именно:

1. Критерии функционально-технологические (степень выполнения системой заданных функций, поддержание определённой температуры, влажности, подвижности и чистоты воздуха и т. д.).
2. Критерии конструктивно-компоновочные (габариты, вес, занимаемая площадь, технологичность, удобство монтажа, расход материалов при монтаже и т. д.).
3. Критерии эксплуатационно-энергетические (максимальный и сезонные расходы энергии, материалы для эксплуатации и ремонта, расходы топлива).
4. Критерии экономические (величина капитальных и текущих затрат, приведённые затраты).

И прежде, чем начать наше сравнение, обратимся к рис. 1. Это график, показывающий объём реализации в мире систем VRF и систем «чиллер-фанкойлы» по годам в стоимостном выражении.

VRF и чиллер


Что же мы видим? Вывод из рис. 1 предельно простой — VRF-системы вытесняют системы «чиллер-фанкойлы» с мирового рынка. Дальнейшие рассуждения в статье будут, по сути, объяснением этого процесса.

Сразу отметим, что для сравнения характеристик нужно сравнивать оборудование одного класса и в одинаковых условиях, желательно одного производителя. Если в 2004 году такой возможности не было, так как производители систем VRF и чиллеров были разные, то сегодня множество производителей выпускают это оборудование одновременно. Поэтому осуществим наш анализ на оборудовании китайского производителя M. Хотя, если сравнить оборудование любого другого производителя, результаты будут принципиально те же. Сравнивать будем наиболее применяемые варианты оборудования, то есть полноразмерные двухтрубные VRF и чиллеры-моноблоки наружной установки. Итак, начнём.

Функционально-технологические критерии

Фактическая производительность внутренних блоков VRF и фанкойлов

В технических каталогах и рекламных проспектах обычно приводится так называемые «номинальные характеристики» внутренних блоков, которые определяются при температурных условиях, представленных в табл. 1.

Оптимальные параметры внутреннего воздуха, принимаемые при расчётах систем кондиционирования воздуха для тёплого периода года, приведены в табл. 2. В настоящее время в нашей стране требования к температуре и оптимальной скорости движения внутреннего воздуха немного поменялись. Оптимальная скорость движения стала ограничиваться 0,15 м/с, температура — 23–25°C.

VRF и чиллер


При сравнении табл. 1 и 2 мы видим, что параметры внутреннего воздуха из каталогов не попадают в нормируемый оптимальный диапазон, указанный в табл. 2.

Очевидно, что снижение расчётной температуры внутреннего воздуха снизит температурный напор между теплообменником и проходящим через него воздухом, что приведёт к снижению производительности внутреннего блока (рис. 2).

VRF и чиллеры


С точки зрения фактической производительности внутренних блоков ничего не изменилось. При снижении температуры в обслуживаемом помещении фактическая производительность как внутренних блоков VRF, так и фанкойлов падает, но падает по-разному. Например, при расчётной температуре +24°C падение производительности VRF составляет 14%.

Для фанкойлов в тех же условиях падение производительности уже будет 36%. Если мы рассматриваем в качестве расчётной внутреннюю температуру +20°C, то тогда для внутренних блоков VRF мы должны вычесть 30% номинальной производительности, а для фанкойлов — уже 62%.

Среди проектировщиков бытует практика считать фанкойлы по явной, а не полной производительности. В принципе результат получается тот же, необходимо принимать в проекте фанкойлы на два или три типоразмера больше, чем производительность, указанная в каталоге.

Объяснить эффект снижения производительности просто. Дело в разнице температур между теплообменивающимися средами, то есть температурами воздуха и теплообменника. Чем эта разница меньше, тем меньше количество тепловой энергии, переданной через теплообменник. Температура кипения хладагента во внутреннем блоке VRF составляет +5°C, а средняя температура хладоносителя в фанкойле равна +10°C, следовательно, изначально потенциал для теплопередачи в системах VRF выше.

Вывод №1. Реальная производительность внутренних блоков VRF и фанкойлов значительно ниже, чем указано в каталоге и зависит от расчётной температуры воздуха в помещении. Потери при +24°C составят для внутреннего блока VRF 14%, для фанкойла в тех же условиях — 36%.

Фактическая производительность наружных блоков VRF и чиллеров

Рассмотрим теперь, от чего зависит фактическая производительность источников холода, то есть наружных блоков VRF и чиллеров. Для систем VRF фактическая производительность наружного блока зависит главным образом от длины трубопроводов между наружным блоком и самым удалённым внутренним. Зная эту длину, можно по графику в сервисных или технических каталогах узнать величину потерь производительности в реальных условиях (рис. 3).

VRF и чиллер


Особенностью регулирования производительности VRF-систем является поддержание определённых давлений в подающем и обратном трубопроводах наружного блока. Следовательно, при увеличении реальной длины труб выше стандартных 7,5 м возникают потери давления по длине, которые наружный блок компенсирует уменьшением расхода хладагента. То есть это не потери энергии в полном смысле этого слова, а скорее регулирование производительности. Но фактическая производительность наружного блока VRF будет меньше. Как следует из рис. 3, реальная производительность наружных блоков VRF будет меньше номинальной примерно на 15% при длине главного трубопровода 100 м и примерно на 25% при длине 200 м.

Теперь обратим внимание на аналогичную характеристику у чиллера. Чиллер «не знает», на каком расстоянии от него находятся приёмники холода. Фанкойлы могут находится на расстоянии и 10 м, и 1000 м от источника холода. Так, например, в Японии один из районов Токио централизованно снабжается холодом от единого холодильного центра, который находится на удалении от потребителей на расстоянии более 2 км.

Но фактическая производительность чиллера всё же часто бывает меньше, чем указанная при стандартных условиях в каталоге. За счёт чего это происходит?

а) Использование незамерзающих теплоносителей (табл. 3). В российских условиях эксплуатации использование незамерзающих жидкостей для чиллера является гарантией, что агрегат снова заработает после зимы. Минусовая температура у нас зимой есть везде, даже в Сочи или Крыму, поэтому обычная вода в холодильном контуре зимой обязательно замёрзнет. После этого летом начнётся трудоёмкое и не всегда успешное восстановление холодильного контура чиллера, часто с заменой компрессоров. Исключением могут служить разве что чиллеры внутренней установки с выносным конденсатором, но чаще всего применяются наружные моноблоки. Так сколько же потеряет чиллер своей производительности при применении раствора пропиленгликоля? Зависит от концентрации (табл. 3), но примерно 3–5%. Примем в среднем 4%.

VRF и чиллер


б) Нагрев хладоносителя за счёт работы насосов. Для циркуляции охлаждённой жидкости требуется работа насосов. Насосы потребляют электроэнергию и передают эту энергию движущейся жидкости. За счёт турбулентности потока, потерь давления по длине и на местных сопротивлениях энергия привода насоса переходит в тепловую энергию и снижает фактическую производительность системы по холоду (при работе на тепло происходит обратный процесс). Около 3–5% полезной производительности чиллера по холоду теряется за счёт работы насосов.

в) Потери холода через теплоизоляцию трубопроводов. Температура охлаждённой жидкости в системе «чиллер-фанкойлы» обычно равна 7–12°C. Температура окружающего воздуха составляет от 20 до 25°C, следовательно, обязательно произойдут потери через стенки трубопроводов, которые будут зависеть от площади поверхности трубопроводов, коэффициента теплопередачи и величины температурного перепада (рис. 4).

VRF и чиллер


Отметим, что около 2–3% производительности чиллера теряется на нагрев охлаждающей жидкости в циркуляционных трубопроводах.

Вывод №2. Реальная производительность источников холода (наружных блоков VRF и чиллеров) ниже, чем указано в каталоге, и зависит главным образом от длины трубопроводов. Потери для наружного блока VRF составляют в среднем 15%, для чиллера в тех же условиях — около 9%.

Потери производительности VRF меньше на коротких трассах (до 50 м). На трассах длиной от 50 м и выше потери меньше у чиллерных систем.

Возможный диапазон работы по температуре наружного воздуха

В летний период номинальные параметры наружного воздуха для испытания систем кондиционирования воздуха составляют 35°C. Это значительно выше, чем расчётные температуры тёплого периода для нашей страны, которые лежат в диапазоне 25–32°C. Но бывают отдельные дни, когда температура снаружи поднимается выше +35°C. Также, например, на тёмной крыше в солнечный день возможно локальное повышение температуры на величину бóльшую, нежели температура окружающего воздуха в тени. Но, как правило, и для чиллерных систем, и для систем VRF наружная летняя температура в нашей стране не является проблемой (рис. 5). Совершенно другая ситуация — при работе систем кондиционирования зимой. Причём есть отличия по работе «на тепло» и «на холод».

VRF и чиллер


Работа на холод систем кондиционирования в зимний период необходима для небольшой части помещений. Это помещения с большими удельными теплоизбытками, например, серверные, источники бесперебойного питания и т. д., то есть технологические помещения. В 95% административных, жилых или торговых помещений зимой дополнительного охлаждения не требуется, так как достаточно просто снизить теплопоступления от системы отопления либо ассимилировать небольшие теплоизбытки с помощью системы вентиляции. Но для технологических помещений действуют совершенно другие требования к резервированию систем, расчётной температуре внутреннего воздуха, к режиму работы и т. д., поэтому эти помещения охлаждаются специальными системами. Теоретически можно поставить в серверную внутренний блок или фанкойл, подключённые к общей системе, но будет нелогично, если, например, в переходный период года бóльшая часть внутренних блоков переключится на режим обогрева, и лишь один внутренний блок в системе в серверной будет требовать охлаждения.

Диапазон работы систем VRF на холод по наружной температуре составляет от −15 до +54°C. Диапазон работы чиллерных систем на холод по наружной температуре — от −10 до +43°C.

Принципиально требуемый для условий России температурный диапазон для охлаждения помещений составляет от +5 до +35°C, что полностью перекрывается возможностями обеих систем.

Работа на тепло (рис. 6) в режиме теплового насоса более важна. Изначально идея монтировать одну систему, которая будет решать и задачи охлаждения помещений в тёплый период, и задачи обогрева в холодный, достаточно интересна. Во-первых, в большинстве южных стран, от Японии и Китая до Испании и Греции, системы поддержания микроклимата универсальны. Это дешевле с точки зрения капитальных затрат и удобнее при эксплуатации (можно один раз установить на пульте требуемую температуру и автоматический режим её поддержания).

VRF и чиллер


Для большинства европейских стран расчётная зимняя температура составляет −15°C. Современные системы VRF гарантируют работу в режиме теплового насоса до температуры −25°C, что с избытком перекрывает нижнюю границу в Европе. Да, тепловой насос при температуре −15°C не так эффективен, как при 0°C, но, с одной стороны, есть решения, повышающие эффективность за счёт утилизации тепла вытяжного воздуха. С другой стороны — есть бивалентные решения: это когда 90% времени здание отапливается только за счёт теплового насоса, а 10% времени — за счёт теплового насоса и любого другого источника тепла. С учётом скандального взлёта в 2021 году цены на газ, в 2022-м в Европе и Азии ожидается массовый переход на такие решения.

Диапазон работы систем VRF на тепло по наружной температуре составляет от −25 до +24°C. Диапазон работы чиллерных систем на тепло по наружной температуре — от −10 до +21°C.

Для условий РФ требуемый температурный режим для обогрева помещений составляет, например, для Краснодарского края −16°C, что полностью перекрывается диапазоном работы VRF-систем. Для остальных территорий России отопление с помощью только теплового насоса невозможно, но возможны комбинированные решения. Например, система VRF совместно с утилизацией тепла вытяжного воздуха (которая повышает температуру вокруг наружного блока) плюс локальные электроконвекторы в помещениях для обогрева от −15°C и ниже. Это значительно дешевле, чем установка отдельных систем отопления и кондиционирования.

Вывод №3. Диапазон работы по наружной температуре у систем VRF больше, чем у чиллеров. В режиме теплового насоса для VRF он составляет от −25 до +24°C. Для чиллерных систем — от −10 до +21°C. Этот критерий становится важен для большинства стран с мягким климатом и южных районов РФ, где можно использовать одну систему как в тёплый период, так и в холодный. Отопление с помощью фанкойлов так же возможно, но при параллельном подключении отдельной системы теплоснабжения в зимний период.

Поддержание относительной влажности внутреннего воздуха

Эта тема вызвала наиболее жаркие споры, поэтому необходимы более подробные объяснения сути происходящих процессов. Процесс охлаждения влажного воздуха в любом теплообменном устройстве описывается i-d-диаграммой («энтальпия — влагосодержание») и в общем случае выглядит как прямая линия, которая начинается от температуры воздуха в помещении и заканчивается на пересечении линии 100%-й влажности и температуры теплообменника (рис. 7). Температура кипения хладагента в современных системах VRF может регулироваться, но в расчётном режиме поддерживается около +5°C. Как мы уже выяснили, температура теплообменника фанкойла меняется от +7 до +12°C (в среднем +10°C). Это значит, что точка пересечения линии охлаждения влажного воздуха и линии 100%-й влажности в фанкойлах будет на i-d-диаграмме правее.

VRF и чиллер


Область комфортных (оптимальных) значений параметров внутреннего воздуха ограничена линиями относительной влажности 30–60% и температуры 23–25°C (рис. 7). Системы комфортного кондиционирования, к которым, без сомнения, принадлежат VRF-системы и системы «чиллер-фанкойлы», должны поддерживать параметры внутреннего воздуха в пределах данной области.

Если значения требуемой температуры внутреннего воздуха можно задавать и поддерживать с помощью внутреннего блока местного кондиционера, то значения относительной влажности нельзя задавать и поддерживать с помощью систем данного класса, хотя в процессе охлаждения воздуха будет происходить его осушение. С другой стороны, количество поступающей влаги в помещения от людей, с приточным воздухом и т. д. постоянно изменяется. Поэтому значение относительной влажности, которое установится в помещении, зависит как от характеристик кондиционера (температура теплообменника), так и от характеристик помещения (луч процесса). Луч процесса (угловой коэффициент) зависит только от величины теплои влагоизбытков помещения и не зависит от типа или конструкции внутреннего блока.

Для офисных помещений, как наиболее часто использующих системы кондиционирования, луч процесса принимает значения от 5000 до 15000 кДж/кг. Процесс обработки внутреннего воздуха системами кондиционирования типа VRF и «чиллер-фанкойлы» выглядит следующим образом (рис. 7). Так как средняя температура холодоносителя в системах «чиллер-фанкойлы» больше, чем температура кипения фреона во внутренних блоках VRF-систем, линия процесса обработки воздуха фанкойлами на i-d-диаграмме сдвинута вправо при равном угловом коэффициенте. Это приводит к повышенному значению относительной влажности помещений для водяных систем при одинаковой температуре внутреннего воздуха. Повышенная влажность внутреннего воздуха ведёт к ухудшению теплообмена организма человека с окружающей средой, поэтому для обеспечения теплового комфорта необходима пониженная температура внутреннего воздуха, что, в свою очередь, требует бóльших энергозатрат.

Вывод №4. При одинаковой температуре внутреннего воздуха в помещениях с системами кондиционирования типа «чиллер-фанкойлы» поддерживается более высокое значение относительной влажности. Это приводит к ухудшению теплообмена организма человека с окружающей средой и необходимости понижения температуры внутреннего воздуха.

Воздушный режим кондиционируемых помещений

Когда я работал в службе эксплуатации большого офисного здания, мне часто приходили жалобы на систему кондиционирования из серии «из кондиционера дует!» Люди чувствовали дискомфорт от потока холодного воздуха, который выходил из кондиционера. Многие по-настоящему простужались и приобретали летом кашель, как после ночёвки в зимнем лесу в Сибири. Почему это происходило? Давайте попробуем разобраться.

Предельная комфортная скорость воздушного потока ограничивается в рабочей зоне обслуживаемых помещений 0,15 м/с (табл. 2). Скорость воздуха на выходе из внутреннего блока составляет около 4–6 м/с, что примерно в десять раз больше, чем нужно для комфорта человека. Но на расстоянии 2 м скорость воздуха уже меньше — около 2–3 м/с. А на расстоянии 4–6 м поток воздуха уже постепенно рассеивается и приобретает необходимую скорость 0,15 м/с (рис. 8).

VRF и чиллер


То есть, исходя из рис. 8, оптимальной воздушной зоной является та часть помещения, где нет прямых потоков холодного воздуха от кондиционера. Например, пространство под кондиционером является самым комфортным, так как находится в зоне обратных потоков воздуха с низкими скоростями.

Кстати, по критерию воздушного комфорта в помещении более предпочтительны внутренние блоки кассетного типа, чем настенные, поскольку:

- кассетные блоки сразу делят поток на четыре части, следовательно, поток воздуха быстрее теряет свою скорость, чем один большой от настенного блока;
- кассетные блоки выпускают потоки воздуха максимально близко к потолку, поэтому расстояние до людей, находящихся в комнате, получается больше, то есть воздух доходит до рабочей зоны опять-таки с меньшими скоростями.

Теперь возвращаемся к сравнению внутренних блоков VRF и фанкойлов.

В табл. 4 посчитана очень интересная характеристика — это удельный расход воздуха на 1 кВт производительности. Для внутренних блоков VRF эта величина находится в пределах 130–150 м³/ч на 1 кВт. Для фанкойлов, как правило, она больше — от 150–200 м³/ч на 1 кВт. Это приводит к тому, что изначально скорости воздуха в помещениях с фанкойлами будут на 20–30% больше, чем в помещениях с блоками VRF.

VRF и чиллер


Параметры внутренних блоков фреоновых и водяных систем кондиционирования также приведены в табл. 4 (номинальные условия).

Вывод №5. Средняя скорость воздушных потоков в кондиционируемом помещении при использовании фанкойлов на 20–30% больше, чем средняя скорость воздушных потоков при использовании внутренних блоков VRF-систем.

Уровень шума внутренних блоков

Уровень шума (звукового давления) в значительной степени зависит от расхода воздуха через внутренний блок (фанкойл). При одинаковой мощности охлаждения VRF-системы обладают меньшими расходами воздуха, а следовательно, и меньшим уровнем шума (табл. 4).

Причём сравнивать уровни шума внутренних блоков нужно именно при максимальной скорости воздуха, так как именно для такой скорости указана производительность. Часто в каталогах производители лукавят и производительность по холоду указывают при максимальной скорости воздуха, а уровень шума — при минимальной. Исключением в нашем случае является выпадающий из этого правила внутренний блок VRF на 3,6 кВт, так как он изначально обладает завышенным удельным расходом воздуха. Но тем самым подтверждается приведённое выше правило, что с точки зрения уровня шума от внутренних блоков важен именно удельный расход воздуха.

Анализируя табл. 4 можно увидеть разницу в уровнях звукового давления 6 дБ(А) или даже 10 дБ(А). Много это или мало с точки зрения обычного потребителя? Я напомню читателю, что уровень шума считается по логарифмическому закону, следовательно, разница в уровне звукового давления 3 дБ(А) означает разницу в уровнях шума для человека в два раза. Соответственно, конкретный фанкойл с индексом 600 из табл. 4 шумит в четыре раза сильнее, чем аналогичный по производительности внутренний блок VRF с индексом 56.

Вывод №6. Уровень шума внутренних блоков VRF-систем меньше уровня шума фанкойлов при равной холодопроизводительности.

Брух С.В. VRF или чиллер? Сравнительный анализ на основе теории оптимизации // Журнал СОК, 2005. №1. С. 82; №2. С. 80–83; №3. С. 78–81.



Источник информации: https://www.c-o-k.ru/
Размещено: 21 марта
Просмотров: 187