Systemy VRF/VRV – możliwości i kierunki rozwoju

Klimatyzacja większych budynków, szczególnie z wieloma pomieszczeniami o zmiennym profilu użytkowania (np. biurowce czy galerie handlowe), często realizowana jest za pomocą systemów klimatyzacji bezpośredniego odparowania ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, znanych jako VRF (Varied Refrigerant Flow) lub – w przypadku oferty firmy Daikin – VRV (Varied Refrigerant Volume). Na to rozwiązanie składa się skraplacz (jednostka zewnętrzna) i parowniki (jednostki wewnętrzne). Do każdego parownika doprowadzana jest modulowana ilość czynnika chłodniczego.

Systemy VRF uważane są za wysoce efektywne energetycznie (także przy obciążeniu częściowym), szybko reagujące na zmianę warunków, sterowalne oraz stosunkowo proste w montażu i regulacji, oraz ewentualnej rozbudowie. Ich producenci dążą m.in. do dalszego podnoszenia efektywności energetycznej, zwiększania zakresu pracy, rozbudowywania instalacji oraz portfolio jednostek wewnętrznych, a także spełnienia aktualnych wymogów prawnych (jak np. zmniejszenie emisji równoważnej CO2 przez zastosowanie czynnika chłodniczego o niższym GWP).

Efektywność energetyczna

Na efektywność energetyczną systemu VRF, zwłaszcza przy częściowych obciążeniach chłodniczych, wpływają trzy główne czynniki: odzysk ciepła, możliwość regulacji sprężarek w bardzo szerokim zakresie oraz zastosowanie odrębnego systemu wentylacji [1].

Rozwiązanie z odzyskiem ciepła umożliwia obsługę budynku wymagającego jednoczesnego chłodzenia i grzania różnych stref. Odpowiednie sterowanie jednostką odzysku ciepła pozwala na odbiór ciepła ze stref chłodzonych i przekazanie go do stref wymagających ogrzewania przez możliwie dużą liczbę godzin. Zastosowanie odpowiedniego scenariusza i zoptymalizowanie wymiany ciepła sprawia, że część pomieszczeń może być obsługiwana bez dodatkowej pracy sprężarki. Dodatkowo całkowite napełnienie układu może być niższe niż suma napełnień dla wielu niezależnych urządzeń. Jednak rozwiązanie takie jest kosztowne pod względem instalacji i dość skomplikowane. Dlatego dla budynków wymagających jednego trybu pracy – tylko grzania lub tylko chłodzenia – we wszystkich strefach (lub w ich przeważającej większości) stosuje się systemy dwu­rurowe z pompą ciepła. Układy te są tańsze i prostsze.

Regulacja wydajności, realizowana najczęściej przez sprężarki inwerterowe, jest istotą działania systemu VRF. Stosuje się zwykle następujące metody [2]:

1. regulacja inwerterowa – obroty silnika są płynnie regulowane za pomocą falownika, dzięki czemu prędkość obrotowa dostosowywana jest do aktualnego zapotrzebowania całego systemu;
2. regulacja obejściowa (by-pass) – tłoczony czynnik chłodniczy upuszczany jest z przewodu tłocznego obejściem (by-passem) na stronę ssawną, co umożliwia regulację wydajności, ale też niezmienne obciążenie sprężarki. Ograniczeniem jest tu strata energii na sprężenie upuszczonego czynnika chłodniczego;
3. regulacja kaskadowa zespołu sprężarek – sprężarki w kaskadzie uruchamiane są w zależności od zapotrzebowania na moc chłodniczą jednostek wewnętrznych. Współpraca sprężarek w kaskadzie może być rozwiązana na różne sposoby – np. jedna sprężarka inwerterowa, a pozostałe o stałej wydajności uruchamiane skokowo albo wszystkie sprężarki inwerterowe.

W układach VRF stosuje się także wtrysk par czynnika do sprężarki (EVI – Enhanced Vapour Injection). Pozwala to podnieść ciśnienie czynnika na wyjściu ze sprężarki, a obieg chłodniczy zyskuje wyższą wydajność grzewczą, wymaga mniejszej ilości czynnika, chroni sprężarkę przed przegrzaniem i umożliwia skuteczną pracę przy niższej temperaturze zewnętrznej. Producenci, którzy wprowadzili do swoich rozwiązań wtrysk par, deklarują poszerzenie zakresu roboczego w trybie grzania, np. –27°C w stosunku do wcześniejszej dolnej granicy wynoszącej –20°C.

Jednostki wewnętrzne

W systemach VRF stosunek wydajności jednostki zewnętrznej do wydajności przyłączonych jednostek wewnętrznych może wynosić od 50 do 150% nominalnej mocy jednostki zewnętrznej. Nominalna wydajność jednostki zewnętrznej może być więc mniejsza niż suma maksymalnych obciążeń cieplnych pomieszczenia. Wynika to przede wszystkim ze współczynnika niejednoczesności występowania maksymalnych wartości. Jednak w przypadku sytuacji skrajnej sterowanie inwerterowe pozwala na czasową pracę skraplacza z wydajnością wyższą niż nominalna.

Jednostki wewnętrzne układów VRF – ścienne, kanałowe, kasetonowe, podsufitowe czy przypodłogowe – także różnią się od jednostek wewnętrznych klimatyzatorów split. Każda z nich wyposażona jest w zawór rozprężny, co umożliwia dostosowanie ilości czynnika do aktualnych potrzeb danego pomieszczenia, oraz sterowniki pozwalające zarówno na współpracę z jednostką zewnętrzną, jak i indywidualne ustawianie parametrów pracy urządzenia.

Ze względu na strefowanie systemu najmniejsze jednostki wewnętrzne w systemie VRF są zwykle przewymiarowane w stosunku do wielkości wynikającej z powierzchni danego pomieszczenia [1]. Gama jednostek wewnętrznych dla systemu VRF jest regularnie poszerzana przez każdego producenta oferującego tego rodzaju instalacje. Do oferty wprowadzane są rozwiązania o mniejszej wysokości lub poprawionych parametrach akustycznych czy urządzenia wyposażone w rozwiązania technologiczne podnoszące jakość powietrza wewnętrznego pod kątem czystości mikrobiologicznej i usuwania wirusów (np. generatory rodników hydroksylowych).

Producenci pracują także nad wielkością instalacji VRF. Dzięki rozwiązaniom m.in. z za­kresu kontroli ciśnienia z jedną jednostką zewnętrzną może współpracować więcej jednostek wewnętrznych. Większe może być także przewyższenie (odległość w pionie między skrajną jednostką wewnętrzną a jednostką zewnętrzną) oraz długość linii freonowej (rurowej instalacji chłodniczej).

Szerokie możliwości sterowania

Systemy VRF umożliwiają zaawansowane sterowanie, zapewniające szybkie dostosowanie pracy poszczególnych urządzeń do zmieniających się potrzeb i wymagań. Podstawą układu automatyki jest komunikacja między układami sterującymi skraplacza i urządzeń końcowych – parowników.

Każda jednostka wewnętrzna może być także wyposażona w indywidualny sterownik przewodowy lub bezprzewodowy, umożliwiający indywidualną regulację temperatury. W przypadku większych powierzchni można zastosować jeden sterownik dla grupy jednostek zewnętrznych – w standardzie urządzeń wielu firm dostępne jest sterowanie grupą np. 16 urządzeń. Dostępne jest zarówno sterowanie ręczne (na panelu sterownika lub pilotem), jak i regulacja automatyczna w oparciu o indywidualne nastawy. W tym wypadku do sterownika kierowany jest sygnał z urządzeniowego lub strefowego czujnika temperatury, który umieszczony jest w bezpośrednim sąsiedztwie użytkownika.

Urządzenia i ich grupy mogą być programowane także w trybie dziennym lub tygodniowym. Można ustawiać zdefiniowany tryb pracy i sterować nie tylko temperaturą, ale też ustawieniem żaluzji czy siły nawiewu.

Systemy sterowania układami VRF są kompatybilne z protokołami BACnet, Modbus, KNX itp., co umożliwia ich podłączenie do BMS. Zastosowanie modułów zbiorczych (bramek) pozwala na centralne monitorowanie i zarządzanie dużymi systemami, np. powyżej 64 jednostek wewnętrznych.

Sterowanie centralne daje też szereg możliwości zarządzania jednostkami wewnętrznymi jako składowymi systemu. Dostępna jest pełna informacja o konkretnym urządzeniu: zarówno stan bieżący (parametry pracy, ale też np. zabrudzenie filtrów czy błędy w komunikacji), jak i historia pracy. Dla poszczególnych urządzeń można ustawić zdalnie narzucone funkcjonalności i parametry, takie jak przepływ powietrza czy temperatura graniczna, kontrola dostępu, blokada nastaw sterowników bezprzewodowych, przełączanie trybów pracy (w tym na pracę zgodną z ustawieniami użytkownika). Wreszcie system zdalny umożliwia obsługę alarmów i monitoring serwisowy. Z punktu widzenia rozliczeń, choćby w obiektach typu multi-tenant (takich jak galerie handlowe), istotny jest pomiar zużycia energii na każdym parowniku (jednostce wewnętrznej). System sterowania gromadzi dane z urządzeń (czas pracy, moc chłodnicza lub grzewcza oraz stopień otwarcia zaworu), co pozwala na wyznaczenie zużycia energii dla każdej jednostki wewnętrznej. Coraz szerzej stosowaną możliwością sterowania jest wykorzystanie sieci Wi-Fi. W moduły komunikacyjne umożliwiające połączenie z internetem można wyposażyć zarówno jednostki wewnętrzne, jak i jednostkę zewnętrzną. Daje to możliwość sterowania urządzeniem zarówno z poziomu komputera, jak i urządzeń mobilnych.

Zaawansowane sterowanie wykorzystywane jest także do optymalizacji współpracy układów VRF/VRV z innymi urządzeniami i systemami w budynku, np. wieżami chłodniczymi, centralami wentylacyjnymi czy przygotowaniem gorącej wody na różne cele.

Współpraca z innymi urządzeniami w budynku

Do systemu trójrurowego (z odzyskiem ciepła) można podłączyć dodatkowy moduł (nazywany w ofertach firm hydroboksem), który umożliwia wykorzystanie ciepła oddanego przez czynnik chłodniczy w procesie chłodzenia do produkcji wody gorącej (nawet do 80°C). Może być ona wykorzystywana do przygotowania c.w.u., a także do zasilenia ogrzewania podłogowego, nagrzewnic wodnych central wentylacyjnych, klimakonwektorów, kurtyn powietrznych. Producenci dążą do tego, by minimalizować wymiary geometryczne i masę hydroboksu – tak, by ułatwić jego umieszczenie w instalacji. Przykładem rozwiązania technicznego jednej z firm jest zastosowanie kaskadowej wymiany ciepła – drugi stopień sprężania czynnika chłodniczego pozwala na przekazanie ciepła do podgrzewania c.w.u. Wykorzystane w ten sposób ciepło może posłużyć przykładowo do obsługi szczytowego zapotrzebowania na c.w.u. (np. w hotelach). Jak szacują twórcy tego rozwiązania, takie przygotowanie c.w.u. może być nawet trzykrotnie tańsze niż za pomocą grzałki elektrycznej.

Systemy VRF/VRV dobrze współpracują także z chłodnicami tzw. freonowymi (z odparowaniem bezpośrednim czynnika chłodniczego), stanowiącymi podzespół centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej. W tym przypadku chłodnica freonowa centrali traktowana jest w układzie regulacji i sterowania jako dodatkowe urządzenie końcowe (jednostka wewnętrzna). Odpowiednio modulowana ilość czynnika chłodniczego przechodzi przez tzw. EEV-kit, czyli zestaw elektronicznego zaworu rozprężnego, a następnie kierowana jest do centrali, gdzie pozwala na optymalną zmianę temperatury powietrza wentylacyjnego. W ten sposób koszt klimatyzacji pomieszczeń spada, ponieważ z centrali napływa powietrze już przynajmniej wstępnie przygotowane do uzyskania optymalnej temperatury w pomieszczeniu.

Jednostki zewnętrzne chłodzone są najczęściej powietrzem, ale można spotkać także urządzenia chłodzone wodą. Bardzo dobrze sprawdza się ich współpraca z wieżami chłodniczymi.

Odchodzenie od czynnika R410A

Nieuniknionym trendem i wyzwaniem jest też poszukiwanie zamiennika dla głównego czynnika chłodniczego stosowanego obecnie w układach VRF/VRV – R410A. Wynika to z zapisów rozporządzenia UE 517/2014 [3], a także ustawy o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych [4]. Choć czynnik R410A do zastosowań w układzie VRF na razie nie będzie wycofywany (jak ma to miejsce w przypadku klimatyzatorów split), ze względu na wysoki GWP = 2088 zgodnie z polityką UE będzie malała jego dostępność (kontyngenty), a rosła cena.

W klimatyzatorach split R410A zastępowany jest przez jednorodny czynnik R32 o GWP równym 675–677 [5]. R32 jest bardziej wydajny (napełnienie może być nawet do 30% mniejsze niż w przypadku R410A) i cechuje się lepszymi parametrami energetycznymi ze względu na mniejszą lepkość i lepszą przewodność cieplną. Dzięki temu w skraplaczu na R32 można zmniejszyć średnice wewnętrznego orurowania, a tym samym masę całego urządzenia.

Według obliczeń przeprowadzonych w 2018 roku w odniesieniu do układów VRF (28 kW wydajności chłodniczej i 24,4 kW mocy grzewczej, temperatura skraplania 45°C) wskaźnik efektywności energetycznej jest dla R32 wyższy niż dla R410A – o ok. 5% w trybie grzania i ok. 6% w trybie chłodzenia. Stwierdzono także, że dla R32 skraplacz ma wyższą wydajność przy niższym strumieniu masy [6]. Masa czynnika R32 w układzie jest o ok. 10–20% mniejsza od masy czynnika R410A. Czynnik R32 jest także o ok. 20% tańszy niż czynnik R410A.

Po stronie zasadniczych wyzwań związanych ze stosowaniem czynnika R32 znajduje się przede wszystkim jego „lekka palność” – zgodnie z normą PN-EN 378 [7] ma on klasę A2L (czynniki trudno zapalne). Dlatego w projektowaniu urządzeń zawierających ten czynnik należy brać pod uwagę dolną granicę palności (minimalną zawartość danej substancji w powietrzu, dla której dochodzi do zapłonu). W przypadku czynnika R32 wynosi ona 0,306 kg/m3. Wartość ta, w powiązaniu z dostępnością i wielkością pomieszczenia oraz rodzajem instalacji, wpływa na maksymalne napełnienie instalacji czynnikiem. Determinuje też konieczność stosowania środków bezpieczeństwa określonych w normie ­PN-EN 60335-2-40 [8] – alarmów dźwiękowych i wizualnych, zaworów odcinających oraz odpowiedniej wentylacji mechanicznej i naturalnej.

Producenci oferują m.in.:

• systemy miniVRF o wielkościach nieprzekraczających dopuszczalnego napełnienia;
• odpowiednie środki bezpieczeństwa, np. dla większego komfortu inwestora dwa spośród wskazywanych przez normę ­PN-EN 60335-2-40 [8], oraz środki dodatkowe, np. wycofywanie czynnika do jednostki zewnętrznej z urządzenia obsługującego pomieszczenie, w którym doszło do wycieku [9];
• rozwiązania hybrydowe, w których chłodzenie w strefie przebywania ludzi zapewnione jest przez wodę lodową – część urządzenia napełniona R32 jest od tej części oddzielona.

Kierunki rozwoju oferty producentów wskazują, że coraz więcej firm będzie proponować systemy VRF na R32 – na pewno powszechne staną się te o mniejszym napełnieniu, ale powstawać będą także rozwiązania większe, z zaawansowanymi środkami bezpieczeństwa.

Literatura

1. Dugin Cory, VRF: Overcoming challenges to achieve high efficiency, „Consulting-Specifying Engineer”, https://www.csemag.com/articles/vrf-overcoming-challenges-to-achieve-high-efficiency/ (dostęp: 1.06.2021)
2. Rubik Marian, Chłodnictwo i pompy ciepła, wydanie pierwsze, Grupa MEDIUM, Warszawa 2020
3. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/200 (Dz.Urz. UE L 150/195 z 12.95.2014)
4. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (DzU 2018, poz. 2221)
5. Mota-Babiloni Adrián, Navarro-Esbrí Joaquín, Makhnatch Pavel, Molés Francisco, Refrigerant R32 as lower GWP working fluid in residential air conditioning systems in Europe and the USA, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 80/2017, p. 1031–1042, DOI: 10.1016/j.rser.2017.05.216
6. Yıldırım Canberk, Özkan Derya, Onan Cenk, Theoretical study of R32 to replace R410A in Variable Refrigerant Flow (VRF) systems, „International Journal of Ambient Energy”, 39/2018, p. 1–23, DOI: 10.1080/01430750.2016.1269682
7. PN-EN 378 Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru
8. PN-EN 60335-2-40 Elektryczny sprzęt do użytku domowego i podobnego. Bezpieczeństwo użytkowania. Część 2–40: Wymagania szczegółowe dotyczące elektrycznych pomp ciepła, klimatyzatorów i osuszaczy
9. R32 VRV and F-Gas phase down, webinarium firmy Daikin, wrzesień 2020 (dostęp: 1.06.2021)
10. Materiały techniczne firm: Bosch, Daikin, Danfoss, Elektronika SA (Mitsubishi Heavy Industries), Innova, Klima-Therm, LG, Mistubishi Electric, Panasonic, Zymetric