Bezpośrednie systemy ogrzewania i chłodzenia obiektów – układy VRF

Duże znaczenie w technice klimatyzacyjnej mają zwarte urządzenia do chłodzenia wody, gdyż w warunkach polskich stanowią one źródło chłodu na potrzeby klimatyzacji dużych obiektów użyteczności publicznej. Urządzenia te charakteryzują się dużą różnorodnością rozwiązań technicznych, materiałowych i funkcjonalnych.

Kompletne zespoły to urządzenia o największym stopniu agregacji, wyposażone we wszystkie elementy niezbędne do bezpiecznego, energooszczędnego i ekologicznego wytwarzania chłodu lub do ogrzewania (pompy ciepła). Tego rodzaju zespoły przeznaczone są do chłodzenia/ogrzewania powietrza lub wody. W przypadku chłodzenia powietrza są to:

• klimatyzatory (kompaktowe, rozdzielone – split lub multisplit),
• dachowe centrale klimatyzacyjne – rooftopy,
• systemy bezpośredniego chłodzenia ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego (VRV, VRF). W zespołach tych układ chłodniczy rozwiązany jest podobnie, ale mają one rozbudowane funkcje przygotowania i rozdziału powietrza.

Systemy bezpośredniego chłodzenia budynków lub poszczególnych pomieszczeń w budynkach (systemy zdecentralizowane) są w Polsce coraz częściej stosowane. Najprostszym urządzeniem do bezpośredniego chłodzenia, i niekiedy do ogrzewania, są klimatyzatory, a najbardziej zaawansowane pod względem technicznym są układy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego oznaczane jako: VRV – Variable Refrigerant Volume lub VRF – Variable Refrigerant Flow.

Impulsem do rozwoju systemów z bezpośrednim chłodzeniem powietrza (VRV i VRF) w klimatyzacji było m.in. wprowadzenie silników DC pracujących w bardzo szerokim zakresie prędkości oraz rozwój techniki sterowania. Połączenie możliwości silników DC i regulatorów DDC (Digital Direct Control) dało nowe możliwości w technice chłodniczej. Rozwój tego rodzaju sterowników pozwolił na rozpowszechnienie systemów VRV/VRF. Sterowniki cyfrowe działają w zakresie sygnałów cyfrowych, tzn. sygnałów próbkowanych w czasie oraz kwantowanych i kodowanych. Zatem sterownik może bez problemu współpracować po stronie wejścia i wyjścia z sygnałami dwustanowymi włącz/wyłącz (sygnał cyfrowy dwustanowy nazywany sygnałem binarnym). Sterowniki te umożliwiają swobodne kształtowanie algorytmów sterowania, w tym również algorytmów standardowych, oraz realizują określone warunki logiczne. Ze względu na łatwość komunikacji z innymi sterownikami pozwalają na łatwe tworzenie rozległych systemów sterowania i nadzoru.

Sterowniki sterują i monitorują pracę jednostek zewnętrznych i wewnętrznych systemu VRF indywidualnie, spiętych w grupy lub bloki grup. Na przykład system sterowania generuje informacje o zużyciu energii elektrycznej przez każdą jednostkę wewnętrzną, każdą z grup i każdy system na bieżąco i narastająco, a także archiwizuje historie błędów. Sterownik zapewnia łatwą, intuicyjną obsługę systemu klimatyzacji w zakresie funkcji sterowania, monitoringu i diagnostyki oraz serwisowania.

Protoplastą układów ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego był system multisplit, a jego modyfikacje i rozwój automatyki sprawiły, że systemy VRV stanowią alternatywę dla pośrednich systemów chłodzenia ze względu na niskie koszty eksploatacyjne, korzystne wskaźniki efektywności energetycznej, elastyczność pracy w trybie chłodzenia i grzania oraz prosty montaż. Systemy te mają też jednak wady będące cechą wszystkich bezpośrednich systemów chłodzenia, a mianowicie ograniczenie wydajności wynikające z napełnienia czynnikiem chłodniczym oraz rozległości instalacji, a także możliwość ich stosowania do klimatyzacji określonych kategorii pomieszczeń (wg normy PN-EN 378-1).

Pierwsze urządzenia VRV pojawiły się w 1982 roku, przy czym była to konstrukcja firmy Daikin złożona z jednej jednostki zewnętrznej i czterech jednostek wewnętrznych – urządzenie to mogło pracować alternatywnie albo tylko w trybie chłodzenia, albo w trybie grzania. Od lat 90. ubiegłego wieku nastąpił dynamiczny rozwój systemów VRV, spowodowany głównie zmianami technologicznymi w konstrukcji jednostek zewnętrznych. Pierwszym krokiem w tym zakresie było opracowanie technologii współpracy kilku sprężarek w układzie on/off w jednej jednostce zewnętrznej. Dzięki temu można było zwiększyć liczbę jednostek wewnętrznych do 16 sztuk, a zatem i moc chłodniczą urządzeń. Kolejnym istotnym etapem w rozwoju technologii VRV było wprowadzenie sprężarek rotacyjnych, przede wszystkim sprężarek spiralnych (scroll) z napędami inwerterowymi. Dzięki zastosowaniu sprężarek z regulowaną prędkością istnieje możliwość dokładnego dopasowania wydajności jednostki zewnętrznej do potrzeb klimatyzowanego obiektu (wymienników ciepła w jednostkach wewnętrznych). Ponadto zwiększono zasięg i moc układów VRV. Dzięki nowej technologii łączenia wielosprężarkowych jednostek zewnętrznych w zestawy złożone z 3–4 sztuk zwiększono moc systemów i liczbę zasilanych jednostek wewnętrznych.

Istotny wpływ na rozwój technologii VRV miało stworzenie możliwości ich pracy w trybie grzania (pompy ciepła) i funkcja ta stała się podstawą klasyfikacji systemów. W zależności od liczby rur prowadzonych od jednostki zewnętrznej do jednostek wewnętrznych rozróżnia się systemy dwu- i trójrurowe.

Dwururowy system VRV

Dwururowy system VRV pokazano na rys. 1. System ten mógł być użytkowany alternatywnie w trybie chłodzenia (rys. 1a) lub grzania (rys. 1b). W trybie chłodzenia ciekły czynnik chłodniczy ze skraplacza jednostki zewnętrznej doprowadzany był przewodami do poszczególnych jednostek wewnętrznych, przy czym zawory rozprężne regulowały strumień objętości czynnika stosownie do obciążenia cieplnego jednostki (stąd nazwa systemu VRV). Stopień otwarcia zaworów zależał od częstotliwości pracy sprężarki inwerterowej, liczby jednostek eksploatowanych w trybie chłodzenia oraz stopnia przegrzania pary czynnika odpływającego z jednostki.

Konstrukcja systemu dwururowego umożliwia stosunkowo proste przełączenie pracy z trybu chłodzenia na tryb grzania – rys. 1b. Gorąca para czynnika chłodniczego przepływa wtedy z jednostki zewnętrznej do jednostek wewnętrznych, które w tym przypadku pełnią funkcje skraplaczy, a ciepło przegrzania i skraplania pary czynnika zostaje wykorzystane do podgrzewania powietrza w pomieszczeniu. Ciekły czynnik z jednostek wewnętrznych powraca do jednostki zewnętrznej wyposażonej w elektroniczny zawór rozprężny. Czynnik po rozprężeniu odparowuje kosztem ciepła pobranego z powietrza zewnętrznego i w postaci pary o niskim ciśnieniu zasysany jest przez sprężarkę, przy czym w układzie ssawnym zamontowany jest oddzielacz cieczy (akumulator). Zatem w tym trybie VRV funkcjonuje jako pompa ciepła systemu powietrze/powietrze (A/A). Często zdarza się, że w jednym obiekcie występuje potrzeba równoczesnego ogrzewania lub chłodzenia różnych pomieszczeń. Z tego powodu pojęto próbę przystosowania systemu VRV do tej funkcji poprzez wprowadzenie systemów trójrurowych.

Trójrurowy system VRV

Dzięki wprowadzeniu trzeciej rury (rys. 2) stworzono możliwość pracy poszczególnych jednostek w trybie chłodzenia lub grzania, w zależności od potrzeb. W systemie trójrurowym do jednostki zewnętrznej podłączone są trzy rury: parowa (wysokiego ciśnienia), cieczowa (wysokiego ciśnienia) oraz parowa (niskiego ciśnienia) – rura ta umożliwia powrót czynnika z instalacji chłodniczej.

W systemie trójrurowym poszczególne jednostki wewnętrzne mogą, w zależności od potrzeb, pracować w trybie ogrzewania lub chłodzenia. Gdy wszystkie jednostki wewnętrzne pracują w trybie grzania, to wymiennik ciepła w jednostce zewnętrznej spełnia zadania parowacza jak w układzie dwururowym – w tym trybie pracy wykorzystywane są tylko dwie rury: parowa i cieczowa wysokiego ciśnienia. W przypadku pracy wszystkich jednostek wewnętrznych w trybie chłodzenia system trójrurowy działa jak system dwururowy, ale wykorzystywane są wszystkie rury. Rura parowa wysokiego ciśnienia stanowi w tym przypadku rurę powrotną z instalacji czynnika o niskim ciśnieniu. Dzięki temu rośnie wydajność chłodnicza systemu z powodu zmniejszenia strat ciśnienia przy przepływie czynnika chłodniczego.

Zaletą systemu trójrurowego jest fakt, że ciepło odebrane z pomieszczeń chłodzonych może być wykorzystane w pomieszczeniach ogrzewanych, co zwiększa efektywność energetyczną tego systemu w stosunku do systemu dwururowego.

Podejmowane były próby wykorzystania zalet systemu trójrurowego, tj. jednoczesnego chłodzenia i grzania, poprzez modyfikację systemu dwururowego, np. w systemie Set Free Hitachi. W modyfikowanych systemach w pobliżu jednostek wewnętrznych umieszczane były specjalne rozdzielacze, do których z jednostek zewnętrznych dopływała para wilgotna (mieszanina parowo-cieczowa). Rozdzielacz taki spełniał zadania separatora pary i cieczy, przy czym umożliwiał on doprowadzenie do jednostki wewnętrznej czynnika w postaci jednej z tych faz. Jednak w trybie grzania para dopływająca ze skraplacza (do separatora) ma niższe ciśnienie niż w niezmodyfikowanym systemie dwu- lub trójrurowym, co wymaga zwiększenia powierzchni wymienników ciepła. Ponadto w trybie chłodzenia czynnik chłodniczy ma zbyt wysokie parametry, co sprawia, że uzyskiwana moc chłodnicza jest mniejsza.

W rozwiązaniach systemów VRV oferowanych na rynku pojawiają się różnego rodzaju, często unikatowe, konstrukcje rozdzielaczy umożliwiających przełączanie trybu pracy jednostek wewnętrznych. W niektórych rozwiązaniach do jednego wspólnego rozdzielacza można podłączyć kilkanaście jednostek wewnętrznych. W tego typu rozdzielaczach wykorzystywane są różne podzespoły, jak np. zawory elektromagnetyczne i zwrotne, rurki kapilarne, a niekiedy elektroniczne zawory rozprężne. W systemie trójrurowym można przyłączyć jednostkę wewnętrzną bez żadnego rozdzielacza, przy czym jednostka wewnętrzna będzie pracowała tylko w jednym trybie w zależności od rodzaju rurek przyłączeniowych.

W nowych rozwiązaniach systemów VRV stosowane są urządzenia umożliwiające ich współpracę z wymiennikami ciepła w centralach wentylacyjnych, podłączenie do węzłów c.w.u. lub chłodzenie skraplaczy jednostek zewnętrznych za pomocą wody. W rozwiązaniach firm produkujących systemy VRV z trybem grzania (pompy ciepła) funkcjonującym w warunkach ekstremalnie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego (do –25°C) konieczne było rozszerzenie zakresu pracy sprężarek, przy czym moc grzewcza układu i jego efektywność energetyczna powinny osiągać wartości możliwe do zaakceptowania pod względem ekonomicznym. Uzyskano ten cel, stosując w inwerterowych sprężarkach jednostek zewnętrznych technologię dwustopniowego sprężania z układem wtrysku czynnika chłodniczego (rys. 3 [3]).

W układzie Flash Injection czynnik po skropleniu w jednostce wewnętrznej płynie do separatora, w którym faza ciekła zostaje oddzielona od fazy gazowej. Umożliwia to skierowanie pary czynnika chłodniczego bezpośrednio do przestrzeni roboczej sprężarki o wyższym ciśnieniu. Dzięki temu można obniżyć temperaturę przegrzania pary w warunkach wysokiego stopnia jej sprężania, które występują przy niskiej temperaturze parowania czynnika. Zapewnia to także stabilną pracę sprężarki oraz ogranicza straty energetyczne i objętościowe spowodowane cieplnym oddziaływaniem elementów sprężarki. W rezultacie sprężarki z wtryskiem mogą być eksploatowane w trybie grzania do temperatury zewnętrznej –25°C z mocą grzewczą wynoszą ok. 75% mocy nominalnej; w tych warunkach współczynnik efektywności energetycznej COP ≈ 3,0.

We współczesnych systemach VRV stosowane są różne sposoby regulacji wydajności sprężarek zamontowanych w jednostkach zewnętrznych. Jest to regulacja inwerterowa, obejściowa (by-pass) lub specjalne rozwiązania z kaskadową regulacją zespołu sprężarek. Zasadę takiej regulacji w zespole złożonym z trzech sprężarek pokazano na rys. 4. W zespole zamontowane są trzy sprężarki spiralne o stałej wydajności, które mogą być skokowo włączane w zależności od zapotrzebowania na moc chłodniczą jednostek wewnętrznych. Ponadto system sterowania zmienia wydajność każdego stopnia załączenia sprężarek za pomocą sterowania ilością gazu zasysanego przez sprężarkę. Inny sposób dopasowania wydajności jednostki zewnętrznej do potrzeb jednostek wewnętrznych zainstalowanych w chłodzonych pomieszczeniach pokazano na rys. 5. Jednostka zewnętrzna wyposażona jest w trzy sprężarki spiralne: jedna z nich ma regulację inwerterową, a pozostałe pracują ze stałą wydajnością. Odpowiednie sterowanie współpracą tych sprężarek umożliwia płynną regulację wydajności, jak to pokazano na rys. 5. Niektórzy producenci systemów VRV, aby uniknąć skokowych zmian wydajności w punktach włączenia sprężarek o stałej wydajności, stosują wyłącznie sprężarki inwerterowe [4].

W systemach VRV (VRF) stosunek wydajności jednostek zewnętrznych do wydajności przyłączonych jednostek wewnętrznych może wynosić (w zależności od rozwiązania) od 50 do 150% nominalnej mocy jednostki zewnętrznej. Obecnie w systemach VRV najczęściej stosowanym czynnikiem jest R-410A, który zastąpił wcześniej używane R-22 i R-407C. Podejmowane są próby zastosowania naturalnych czynników chłodniczych R-290 i R-744, a w lipcu 2018 roku firma Mitsubishi Electric zaprezentowała system Hybrid Multi City napełniony R-32 – jednostkę zewnętrzną tego systemu pokazano na rys. 6, a na rys. 7 jego ideowy schemat. System ten nosi nazwę hybrydowy, gdyż stanowi połączenie właściwości urządzeń VRF i układów wody lodowej – jest on oznaczany jako HVRF. Technologia inwerterowa oraz rozbudowany układ automatyki pochodzi z systemów VRF, a dokładność stabilizacji temperatury wewnętrznej oraz duża odbierana moc jawna jednostek wewnętrznych z technologii wody lodowej [5]. System HVRF złożony jest z jednostki zewnętrznej PURY z funkcją jednoczesnego grzania i chłodzenia, kontrolera HBC (rozdzielacz wyposażony w płytowe wymienniki ciepła: czynnik chłodniczy/woda) oraz jednostki wewnętrznej z wymiennikami ciepła zasilanymi wodą. System może pracować w trybie chłodzenia/grzania z odzyskiwaniem ciepła.

Użycie czynnika R-32 umożliwiło zmniejszenie jego masy w układzie o ok. 10–20% w stosunku do układów z R-410A, a lepsze właściwości termodynamiczne R-32 pozwoliły na zmniejszenie średnic przewodów, a zatem i masy urządzenia. Kolejną zaletą systemu HVRF jest to, że jego konstrukcja pozwala na zakwalifikowanie urządzenia do grupy „pośredni system zamknięty z odpowietrzaniem” (pkt 9.1 wg normy PN-EN 378-1), ponieważ kontroler HBC oddziela część urządzenia napełnioną R-32 (grupa bezpieczeństwa A2L) od wodnej sieci dystrybucyjnej zasilającej jednostki wewnętrzne zainstalowane w pomieszczeniach. W programie doborowym systemu HVRF New Design Tool podano sposób zabezpieczenia pomieszczenia, w którym ma zostać zlokalizowany kontroler HBC. System HVRF może być wyposażony w moduły do chłodzenia i podgrzewania wody. Umożliwiają one przygotowanie zimnej i ciepłej wody o temperaturze od 10 do 45°C. Woda ta może być wykorzystana do ogrzewania podłogowego oraz zasilania nagrzewnic/chłodnic powietrza zainstalowanych w centralach wentylacyjnych, klimakonwektorach, kurtynach powietrznych itp. Moduł booster umożliwia uzyskanie temperatury wody w obiegu pierwotnym do 70°C; jest ona wystarczająca do przygotowania c.w.u. o temperaturze 60–65°C.

Projektowanie systemów VRV

Do projektowania systemów VRV najczęściej wykorzystuje się specjalne programy komputerowe oferowane przez firmy dostarczające urządzenia. Za pomocą tych programów dobierane są jednostki zewnętrzne i wewnętrzne oraz średnice przewodów. Lokalizacja jednostek uzgadniana jest z projektantem instalacji, konstruktorem i architektem. Jednostki zewnętrzne mogą być montowane powyżej lub poniżej jednostek wewnętrznych, a maksymalne różnice wysokości nie powinny przekraczać wartości podanych przez producentów systemów. Wymiarując sieć przewodów, nie należy przekraczać nie tylko maksymalnych całkowitych długości rur instalacji VRF, ale także minimalnych odległości między kształtkami a odbiornikami końcowymi określanych przez dostawcę systemu. Wartości najczęściej występujących ograniczeń w wymiarowaniu instalacji VRF pokazano na rys. 8.

Dobór średnic rur miedzianych w instalacji VRF jest czynnością prostą, ale w projektowaniu należy przestrzegać następujących zasad:

• średnice rur od jednostki wewnętrznej do pierwszego trójnika to nominalne średnice rur przyłączeniowych jednostki,
• średnice rur od jednostki zewnętrznej do pierwszego trójnika to nominalne średnice rur przyłączeniowych jednostki,
• średnice rur innych odcinków instalacji podano w tabelach 1 i 2.

Wymiarując średnice instalacji VRF, należy sprawdzić, czy dobrana średnica rury zapewnia transport oleju smarnego. W przypadku R-410A prędkości przepływu czynnika w rurach nie powinny być mniejsze niż: w przewodzie ssawnym ok. 10 m/s; w przewodzie tłocznym ok. 12 m/s, w przewodzie cieczowym: ok. 1 m/s.

Przewody instalacji VRF powinny być izolowane, aby na ich powierzchniach zewnętrznych nie zachodziły niekorzystne zjawiska związane z wymianą ciepła z otoczeniem. Do izolacji rur stosowany jest najczęściej syntetyczny kauczuk o współczynniku przewodzenia ciepła 0,04 W/(m ∙ K) – zalecane grubości izolacji z tego materiału podano w tabeli 3 [6].

Niektóre firmy, m.in. Sanyo, oferują systemy VRF ze sprężarkami napędzanymi silnikami gazowymi. Są to systemy VRF-GHP (Gas Heat Pump – gazowa pompa ciepła). Dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego z silnika można podwyższyć temperaturę wody instalacyjnej odpływającej ze skraplacza pompy ciepła systemu powietrze/woda.

Podsumowanie

Nowoczesne systemy VRV do chłodzenia/ogrzewania charakteryzują następujące ­zalety:

• duże wartości efektywności energetycznej EER i COP w warunkach pełnego obciążenia ze względu na brak czynników pośredniczących w procesach wymiany ciepła,
• względnie wysokie wartości sezonowego wskaźnika efektywności ESEER dzięki płynnej regulacji wydajności jednostek zewnętrznych,
• małe średnice przewodów czynnika chłodniczego,
• proste sposoby przełączania trybu eksploatacji systemu z chłodzenia na grzanie,
• mała bezwładność cieplna systemu,
• uproszczony proces tworzenia rozbudowanych systemów sterowania i podłączenia do BMS, możliwość indywidualnego rozliczania kosztów zaopatrzenia w chłód i ciepło,
• całkowita mobilność eksploatacji w szerokim przedziale temperatury zewnętrznej.

Natomiast do mankamentów instalacji VRV można zaliczyć:

• wyższe koszty serwisu jednostek wewnętrznych w porównaniu do instalacji z klimakonwektorami,
• trudności z określeniem miejsca awarii i usuwaniem jej skutków,
• ograniczenia stosowania spowodowane warunkami bezpieczeństwa użytkowników,
• wyższe koszty inwestycyjne niż w przypadku instalacji wody lodowej.

Literatura

1. PN-EN 378-1:2017-03 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru.
2. Szczęsny M., Dwu- i trójrurowe systemy VRF, „Cyrkulacje” nr 40, 2017.
3. Cebulski Z., W jakim kierunku rozwijają się systemy VRF?, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 1–2/2010.
4. Müller J., Systemy VRV – zagadnienia projektowe, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 5/2019.
5. Jabłoński P., Hybrydowa rewolucja Mitsubishi Electric, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 9/2018.
6. Zalewski M., Systemy VRF – budowanie systemów. Orurowanie – dobór instalacji chłodniczej i jej wpływ na wydajność, „Chłodnictwo & Klimatyzacja” nr 4/2012.
7. Rubik M., Chłodnictwo, PWN, Warszawa 1985.
8. Rubik M., Pompy ciepła. Poradnik, Ośrodek Informacji „Technika Instalacyjna w Budownictwie”, Warszawa 2006.

Artykuł powstał na podstawie najnowszej książki Autora: Chłodnictwo i pompy ciepła, dostępnej na ksiegarniatechniczna.com.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!