Принцип роботи VRF системи: розбір технології мультизонального клімату

Забезпечити комфортну температуру в одній невеликій кімнаті – завдання тривіальне, з яким легко справляється звичайна настінна спліт-система. Але коли мова заходить про багатоповерховий офісний центр, просторий заміський будинок або готельний комплекс, розвішувати десятки зовнішніх блоків на фасаді стає неможливим як з естетичних, так і з технічних міркувань. Крім того, довгі фреонові магістралі звичайних кондиціонерів призводять до колосальних втрат потужності. Для вирішення цих завдань інженери розробили мультизональні рішення, здатні обслуговувати десятки приміщень від одного потужного зовнішнього агрегату.

Що криється за абревіатурою

Англомовна абревіатура розшифровується як Variable Refrigerant Flow, що в перекладі означає «змінна витрата холодоагенту». З інженерної точки зору vrf система це високотехнологічний комплекс кліматичного обладнання, який здатний динамічно дозувати обсяг подаваного фреону для кожного окремого внутрішнього блоку залежно від поточного теплового навантаження в конкретній кімнаті.

На великих промислових і комерційних об’єктах часто використовується водяне охолодження, наприклад система чиллер-фанкойл, проте фреонові траси мультизонального обладнання пропонують зовсім інший рівень енергоефективності при змінних навантаженнях і не вимагають монтажу складних насосних станцій або застосування антифризів у зимовий час.

Основні вузли фреонового контуру

Незважаючи на складність електронної начинки, гідравлічний контур складається з декількох базових елементів, що працюють у суворій зв’язці:

• Зовнішній блок. Містить один або кілька компресорів (найчастіше спірального типу з інверторним приводом), масивний теплообмінник-конденсатор, вентилятори обдуву і плату управління, що аналізує дані з усіх датчиків.
• Мережа фреонопроводів. Виконується з мідних труб, які з’єднують зовнішній агрегат з внутрішніми за допомогою пайки.
• Рефнети (розгалужувачі). Спеціальні Y-подібні мідні фітинги, які розділяють потік холодоагенту на кілька гілок без створення турбулентності і гідравлічного опору, що критично для рівномірного розподілу тиску.
• Внутрішні блоки. Можуть бути касетними, канальними, настінними або підлогово-стельовими. В одній мережі допускається комбінування агрегатів різного типу і різної потужності.
• Електронний терморегулюючий вентиль (ЕРВ). Встановлюється перед теплообмінником кожного внутрішнього модуля і відповідає за точне дозування холодоагенту.

Фізика процесу: як змінюється температура

Щоб зрозуміти, як формується мікроклімат у приміщеннях, потрібно розглянути термодинамічний цикл. Якщо вивчати те, як влаштовані сучасні vrf системи кондиціонування принцип роботи базується на зміні агрегатного стану фреону під впливом різного тиску.

Компресор стискає газоподібний холодоагент, сильно нагріваючи його. Цей гарячий газ під високим тиском надходить у теплообмінник зовнішнього блоку, де вентилятор продуває через нього вуличне повітря. Фреон віддає тепло атмосфері, остигає і конденсується, перетворюючись на рідину. Рідкий холодоагент прямує по мідних магістралях всередину будівлі.

Підійшовши до внутрішнього блоку, рідкий фреон зустрічає перешкоду- електронний терморегулюючий вентиль. Плата внутрішнього блоку постійно порівнює задану користувачем температуру з реальною температурою в кімнаті (яку зчитує термістор). Якщо кімнату потрібно охолодити, кроковий електродвигун ЕРВ відкриває переріз клапана на строго розраховану величину.

Фреон із силою продавлюється через вузький отвір клапана в зону низького тиску теплообмінника внутрішнього блоку. При різкому падінні тиску рідина починає бурхливо кипіти (випаровуватися). Процес кипіння супроводжується поглинанням величезної кількості теплової енергії з повітря, яке вентилятор проганяє через ребра теплообмінника. Повітря остигає і повертається в кімнату, а фреон, що знову став газом, по другій трубі повертається назад у компресор зовнішнього блоку.

Роль інверторного компресора

Вся краса технології полягає в тому, що система не працює за принципом «увімкнено-вимкнено». Мікропроцесор зовнішнього блоку підсумовує запити від усіх внутрішніх блоків. Якщо з 10 кімнат охолодження потрібне тільки у двох, інверторний компресор знижує оберти двигуна, перекачуючи рівно стільки фреону, скільки потрібно цим двом кімнатам. Це виключає перевитрату електроенергії і знос деталей.

Двотрубні і тритрубні магістралі: ключові відмінності

Залежно від архітектури будівлі і завдань, у просунутої vrf системи принцип роботи може відрізнятися конфігурацією траси. Найпоширеніший варіант — двотрубний. По одній трубі до блоків йде рідкий холодоагент, по іншій повертається газоподібний. У такій схемі всі приміщення можуть працювати або тільки на холод, або тільки на тепло. Одночасно охолоджувати серверну й опалювати кабінет директора двотрубна конфігурація не здатна.

Для об’єктів зі складним зонуванням застосовують тритрубні комплекси, також відомі як системи з рекуперацією тепла. У них додається третя магістраль (лінія нагнітання гарячого газу) і спеціальні розподільні блоки (BC-контролери).

Тритрубна конфігурація дозволяє переносити теплову енергію з однієї частини будівлі в іншу. Тепло, яке витягується з охолоджуваного приміщення (наприклад, з конференц-залу, де зібралося багато людей), не викидається на вулицю, а перенаправляється фреоном у приміщення, що потребують обігріву (наприклад, кімнати на тіньовій стороні будівлі).

Порівняльний аналіз архітектури

Характеристика	Двотрубні магістралі	Тритрубні (з рекуперацією)
Режими роботи	Синхронно: або холод, або тепло	Індивідуально: холод і тепло одночасно
Кількість труб	2 (рідинна і газова)	3 (рідина, газ низького тиску, газ високого тиску)
Енергоефективність	Висока (інверторне управління)	Максимальна (перенесення тепла всередині будівлі)
Складність монтажу	Середня	Висока (потрібне встановлення BC-контролерів)
Капітальні витрати	Оптимальні	Високі, але швидко окупаються при грамотній експлуатації

Технічні плюси мультизонального підходу

Вибір на користь змінної витрати холодоагенту найчастіше обумовлений жорсткими вимогами до проекту, з якими не можуть впоратися інші класи обладнання.

Основні переваги технології для сучасного будівництва:

• Величезна довжина трас. Загальна довжина трубопроводів в одній системі може досягати 1000 метрів, а перепад висот між зовнішнім і внутрішніми агрегатами – до 90 метрів. Це дозволяє сховати зовнішні блоки на даху хмарочоса або у віддаленому технічному дворі.
• Точність підтримки температури. Завдяки багатокроковим ЕРВ і інверторним компресорам температура в приміщенні підтримується з точністю до 0,5 градуса за Цельсієм, без холодних протягів і різких коливань.
• Резервування потужності. При встановленні модульних зовнішніх блоків (коли кілька агрегатів об’єднуються в один гідравлічний контур) вихід з ладу одного компресора не призводить до зупинки охолодження будівлі – електроніка перерозподілить навантаження на решту модулів.
• Інтелектуальна диспетчеризація. Обладнання легко інтегрується в системи «розумний дім» (BMS) за протоколами BACnet, Modbus, KNX. Диспетчер бачить стан кожного блоку, історію помилок і може обмежувати налаштування для користувачів.

Особливості проектування і підбору обладнання

Впровадження мультизонального клімату не терпить помилок на етапі розрахунків. На відміну від побутових спліт-систем, тут не можна просто купити обладнання виходячи з площі приміщення за формулою «1 кВт на 10 квадратних метрів». Проектувальник повинен розрахувати всі теплоприпливи: від сонячної радіації через вікна, від освітлення, серверів і кожної людини в будівлі.

Далі, за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення від виробника (наприклад, Daikin VRV Xpress або аналогічних САПР-програм), вибудовується гідравлічна схема. Програма розраховує опір труб, підбирає точні діаметри мідних магістралей, визначає правильні типорозміри рефнетів і обчислює точну вагу додаткового фреону, який потрібно заправити в контур при пусконалагоджуванні. Найменша помилка в перерізі труби призведе до того, що масло з компресора не зможе повертатися назад, що неминуче викличе заклинювання механізму і дорогий ремонт. Правильно спроектована і змонтована магістраль служить десятиліттями, забезпечуючи бездоганний кліматичний комфорт на об’єктах будь-якої складності.