Systemy schładzania powietrza ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego

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. 

Bezpośrednie odparowanie czynnika chłodniczego

Systemy bezpośredniego odparowania składają się z jednostki wewnętrznej oraz jednostki zewnętrznej, połączonych przewodami freonowymi, w których krąży czynnik chłodniczy. Jednostki wewnętrzne to urządzenia znajdujące się w klimatyzowanym pomieszczeniu i najczęściej ich wyposażenie stanowi wymiennik bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego (parowacz), element dławiący (rozprężający), wentylator promieniowy lub poprzeczny oraz element sterujący.

Jednostki zewnętrzne to agregaty skraplające wyposażone w skraplacz, sprężarkę i wentyla tor(y) wymuszający(e) przepływ powietrza chłodzącego skraplacz. Dokonując przeglądu rozwiązań poszczególnych producentów, można sklasyfikować rządzenia bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego w zakresie komfortu cieplnego wg następującego zestawienia:

• konwencjonalne klimatyzatory typu „split”:
  - ścienne,
  - ścienno-przysufitowe,
  - przysufitowo-podłogowe,
  - okienne,
  - kasetonowe,
  - kanałowe,
• klimatyzatory mullti-split:
  - jednostki wewnętrzne jw. z wyłączeniem klimatyzatorów okiennych,
• systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego:
  - jednostki wewnętrzne jw. z wyłączeniem klimatyzatorów okiennych. 

Najprostszym rozwiązaniem o bezpośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego jest klimatyzator typu „split”, w którym 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 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 grzanie lub chłodzenie 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 (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 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.

W odniesieniu do urządzeń konwencjonalnych pozwala to na bardziej „elastyczne” projektowanie, redukcję liczby zastosowanych urządzeń zewnętrznych oraz krótsze orurowanie. 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 ze 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 50÷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 cech charakterystycznych 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) – rys. 1.,
• zwiększony komfort w klimatyzowanych pomieszczeniach (możliwość pracy dowolnej liczby 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, niska głośność jednostek wewnętrznych i zewnętrznych itp.) – rys. 2.,
• wysoka efektywność energetyczna (brak cieczy pośredniczących w systemie, zastosowanie czynnika chłodniczego R410A, płynna regulacja prędkości obrotowej sprężarki) – rys. 3.,
• 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 ze względu 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.).

Wszystkie wymienione cechy powodują, że systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego są często stosowane. Niezmiernie istotnym aspektem jest uproszczony projekt pozwalający na elastyczne i zarazem właściwe zwymiarowanie systemu. Do poszczególnych etapów podczas procedury projektowania systemów VRF kolejno można zaliczyć:

• lokalizację i rozmieszczenie jednostek wewnętrznych i zewnętrznych urządzeń,
• trasowanie przewodów freonowych,
• weryfikację 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. 

Dobór jednostek systemów VRF 

Dzięki komputerowym programom wspomagających projektowanie dobór urządzeń jest znacznie uproszczony. W odniesieniu do systemów opartych na wodzie ziębniczej występuje jedna różnica przy doborze właściwych terminali końcowych oraz jednostki głównej. W pierwszym etapie dokonywane są obliczenia bilansów zysków ciepła jawnego i utajonego oraz strat ciepła w klimatyzowanych pomieszczeniach. Ten etap jest równorzędny dla obu systemów (pośrednich i bezpośrednich).

W kolejnym, dla określonych parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego i wewnętrznego określane są wydajności jednostek wewnętrznych i zewnętrznych; dokonywane są dobory właściwych jednostek wewnętrznych. To stadium jest również identyczne dla obu instalacji. Dopiero w ostatniej kolejności występuje niewielka różnica: w przypadku doboru pompy wody cyrkulacyjnej dla systemów pośrednich określane są parametry pracy pompy (przepływ, ciśnienie dyspozycyjne), tutaj następuje dowolność w doborze wielkości pompy.

W systemach ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego czynnikiem roboczym jest ziębnik, którego przepływ jest wymuszany przez sprężarki o określonej maksymalnej wydajności. W przypadku tych rozwiązań należy zatem zweryfikować maksymalne dopuszczalne przez producentów długości przewodów freonowych oraz różnice poziomów pomiędzy poszczególnymi jednostkami wewnętrznymi, zewnętrznymi (w przypadku zastosowania kilku agregatów skraplających w jednym systemie), jak również pomiędzy nadrzędną jednostką zewnętrzną i najdalszą jednostką wewnętrzną.

Poniżej przedstawiono proces doboru urządzeń dla systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego:

• określenie bilansów i strat ciepła klimatyzowanych pomieszczeń,
• wybór właściwego typoszeregu jednostek wewnętrznych i wyznaczenie przybliżonej wydajności każdej jednostki wewnętrznej:
  -dobór wydajności jednostki wewnętrznej dla parametrów katalogowych (TCin)r (np. dla warunków EUROVENT) oraz temperatury projektowej (TCin)d (korzystając z tabel zależności wydajności chłodniczej od temperatury pomieszczenia lub współczynników korygujących) i wstępne określenie wielkości urządzenia,
  -określenie współczynników korygujących ze względu na długość przewodów freonowych oraz ze względu na odmarzanie/zamarzanie (tylko dla funkcji grzania),
  -obliczenie przybliżonej wydajności jednostki wewnętrznej (TCin)d:
  CHŁODZENIE: przybliżona wydajność jednostki wewnętrznej = wydajność jednostki wewnętrznej dla temperatury projektowej x (współczynnik korygujący ze względu na długość przewodów),
  GRZANIE: przybliżona wydajność jednostki wewnętrznej = wydajność jednostki wewnętrznej dla temperatury projektowej x (współczynnik korygujący ze względu na długość przewodów) x (współczynnik korygujący ze względu na zamarzanie/ odmarzanie),
• wyznaczenie przybliżonej wydajności jednostek zewnętrznych:
  - dobór wydajności jednostki zewnętrznej dla parametrów katalogowych (np. dla warunków EUROVENT) (TCout)r,
  - określenie sumarycznej wydajności jednostek wewnętrznych dla parametrów katalogowych Σ(TCin)r oraz stosunku tej wydajności do wydajności katalogowej jednostek zewnętrznych: Σ(TCin)r/(TCout)r,
  - dobór wydajności jednostek zewnętrznych dla obliczeniowej temperatury powietrza zewnętrznego (TCout)d,
  - obliczenie skorygowanej wydajności jednostek zewnętrznych (TCout)c:
  CHŁODZENIE: skorygowana wydajność jednostek zewnętrznych (TCout)c = wydajność jednostki zewnętrznej dla temperatury projektowej (TCout)d x (współczynnik korygujący ze względu na długość przewodów),
  GRZANIE: skorygowana wydajność jednostek zewnętrznych (TCout)c = wydajność jednostki zewnętrznej dla temperatury projektowej (TCout)d x (współczynnik korygujący ze względu na długość przewodów) x (współczynnik korygujący ze względu na zamarzanie/odmarzanie),
• wyznaczenie wydajności systemu:
  - obliczenie łącznej wydajności jednostek wewnętrznych dla temperatury projektowej Σ(TCin)d,
  - wydajność systemu = najniższa wartość (TCout)c oraz Σ(TCin)d,
• obliczenie wydajności wynikowej każdej jednostki wewnętrznej:
- obliczenie wydajności wynikowej każdej jednostki wewnętrznej przez proporcjonalny rozdział wydajności systemu: wydajność wynikowa jednostki wewnętrznej = wydajność systemu x (wydajność katalogowa jednostek wewnętrznych (TCin)r/łączna wydajność katalogowa jednostek wewnętrznych Σ(TCin)r). 

Systemy VRF i systemy oparte na wodzie ziębniczej 

Dokonując przedstawienia charakterystycznych cech systemów pracujących ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego nie można pominąć porównania ich do systemów wody ziębniczej. Oba systemy mają swoje zalety i wady, niemniej jednak nie jest możliwe jednoznaczne ogólne stwierdzenie, iż jeden system jest znacznie korzystniejszy od drugiego.

Taką tezę można oprzeć na przykładzie konkretnego obiektu o znanej powierzchni klimatyzowanej, jej strukturze, docelowych parametrach powietrza w pomieszczeniach oraz charakterystyce obciążenia cieplno-wilgotnościowego. Poniżej przedstawiono zestawienie poszczególnych zalet i wad systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego.

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 ziębniczej,
• 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 powierzchni na prowadzenie przewodów (zdolność akumulacji ciepła dla czynnika chłodniczego: 192 kJ/kg; zdolność akumulacji ciepła dla czystej wody ziębniczej i dt = 5K: 21 kJ/kg),
• przy mniejszych średnicach przewodów freonowych przy jednostkach wewnętrznych duża elastyczność odnośnie 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 ziębniczej - 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 oprogramowania 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. 

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 chłodnika podczas, gdy do interwencji serwisowej systemu wodnego wystarczy przyjazd tylko hydraulika;
• koszt roboczogodziny hydraulika jest niższy niż wykwalifikowanego specjalisty od chłodnictwa,
• 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*).

Dodatkowo zaletą obu systemów jest możliwość kontynuacji pracy z częściową wydajnością chłodniczą w wypadku uszkodzenia sprężarki.

Podsumowanie 

W artykule zaprezentowano rozwiązania systemów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego oraz dokonano próby zestawienia cech charakterystycznych tego typu rozwiązań. Nie bez znaczenia jest fakt, iż obecnie są to systemy stanowiące największą alternatywę do tradycyjnych i najbardziej popularnych w naszym kraju instalacji z medium pośredniczącym w postaci wody ziębniczej. Wiele technologicznie innowacyjnych rozwiązań wykorzystywanych w systemach VRF powoduje, iż systemy te są konkurencyjne dla systemów opartych na wodzie ziębniczej (szczególnie dla małych i średnich obiektów).

Literatura

1. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E. R., Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja, wyd. 1., Gdańsk 1994.
2. Jones W.P., Klimatyzacja, wyd. Arkady, Warszawa 2001.

*) choć pierwotnie koszty instalacji freonowej są wyższe od systemów wody ziębniczej, to ostatecznie są one zależne od wielu czynników. Biorąc pod uwagę system grzewczochłodzący 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 całościowy koszt systemu (koszt instalacji, koszt rozruchu i montażu systemu, armatury wraz z elementami równoważącymi itp.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!