Hybrydowe systemy VRF/VRV

Przy wyborze i planowaniu systemów określanych jako VRF (Variable Refrigerant Flow) lub VRV (Variable Refrigerant Volume) należy zwrócić uwagę na fakt, że dzięki funkcji odzysku energii możliwe jest jej zaoszczędzenie nawet w 50%, w zależności od wymagań budynku w funkcji chłodzenia i ogrzewania. W Europie projektanci chętnie sięgają po rozwiązania do ogrzewania i chłodzenia budynku za pomocą jednego systemu, który może korzystać także z energii odnawialnej. Taki kierunek działań wymaga jednak odpowiedniego prowadzenia procesu projektowego w dużych budynkach – projektowania zintegrowanego z wykorzystaniem modelowania, tak aby technologia znana była wszystkim uczestnikom procesu już na etapie wstępnym i konsultowana w miarę postępu prac. Proces taki gwarantuje opracowanie optymalnego rozwiązania systemowego.
Firmy dostarczające urządzenia oferują do projektowania systemów VRF/VRV specjalne programy doboru jednostek zewnętrznych i wewnętrznych oraz średnic przewodów. Ważne jest jednak, aby lokalizacja tych jednostek była uzgadniana wspólnie przez projektanta instalacji, konstruktora i architekta. W systemach VRF/VRV jednostki zewnętrzne mogą być montowane powyżej lub poniżej jednostek wewnętrznych, a producent podaje maksymalne różnice ich wysokości.

W procesie wymiarowania przewodów nie należy przekraczać zarówno maksymalnych, jak i minimalnych długości rur instalacji oraz minimalnych odległości pomiędzy kształtkami a odbiornikami końcowymi. Warunki te także określa producent systemu. Wartości najczęściej występujących ograniczeń przy wymiarowaniu instalacji VRF podał m.in. Marian Rubik w artykule opublikowanym w RI 12/2019 [2] oraz książce pt. „Chłodnictwo i pompy ciepła” [1].

VRF/VRV to instalacje dwururowe, które mogą pracować alternatywnie w trybie chłodzenia lub grzania, oraz instalacje trójrurowe, gdzie trzecia rura umożliwia pracę poszczególnych jednostek w trybie chłodzenia lub grzania w zależności od potrzeb. To drugie rozwiązanie pozwala na „przerzucanie” ciepła i chłodu w obrębie budynku do pomieszczeń, które w danym momencie ich potrzebują, co umożliwia znaczny odzysk energii wprowadzonej do budynku. Jednak również klasyczne rozwiązania dwururowe są tak modyfikowane, by mogły pełnić funkcje systemów trójrurowych i jednocześnie korzystać z wody jako nośnika energii.

Automatyka oraz czynniki chłodnicze

Ważnym kierunkiem w rozwoju technologii HVAC, w tym systemów VRF/VRV, jest automatyka i sztuczna inteligencja. Na nich opiera się także przyszły wymóg budowania budynków inteligentnych i określania wskaźnika SRI.

Już od paru lat wiodące na rynku firmy oferują technologie sterowania zapewniające komfort i wysoką efektywność energetyczną pracy, stale też doskonalą te rozwiązania. Systemy uczą się np. wzorców użytkowania z ostatnich operacji i warunków otoczenia, a następnie aktywnie tworzą, optymalizują i utrzymują najbardziej komfortowe środowisko, zmniejszając jednocześnie zużycie energii.

Korzystając z zaawansowanych algorytmów, aktywna sztuczna inteligencja rozpoznaje warunki zainstalowanego środowiska i zapewnia zoptymalizowaną wydajność chłodniczą oraz grzewczą. Regulacja automatycznie dostosowuje pracę instalacji do warunków w każdym miejscu i zmniejsza zużycie energii. Układ sterowania może też analizować różne dane operacyjne i przeprowadzać odszranianie tak, żeby ograniczać marnowanie energii i wydłużać okres ciągłego nagrzewania. Można także za pomocą algorytmu poznać aktualne stany silników wentylatorów, temperatury i czasu odszraniania oraz monitorować ewentualne wycieki czynnika chłodniczego w czasie rzeczywistym [7].

Od kilku lat w technologiach VRF/VRV poszukuje się rozwiązań pozwalających odejść od tych czynników chłodniczych, których stosowanie jest stopniowo ograniczane, na rzecz czynników naturalnych oraz dwururowych systemów hybrydowych z małym ładunkiem czynnika chłodniczego i dużym udziałem wody lodowej. System taki ma jednostkę zewnętrzną z funkcją jednoczesnego grzania i chłodzenia oraz rozdzielacz z wymiennikami płytowymi, w którym czynnik chłodniczy przekazuje energię wodzie, a ta trafia do jednostek wewnętrznych. Woda może trafiać np. do nagrzewnic/chłodnic powietrza w klimakonwektorach, centralach wentylacyjnych czy kurtynach powietrznych lub do instalacji ogrzewania podłogowego.

W hybrydowych systemach dwururowych centralnym elementem jest rozdzielacz czynnika chłodniczego z wymiennikiem, wraz z jednostką zewnętrzną oraz sterowaniem tworzący system umożliwiający odzysk ciepła. W rozwiązaniu tym pompy ciepła umożliwiają jednoczesne chłodzenie i ogrzewanie – ciepło może być odbierane z pomieszczeń chłodzonych i przekazywane do tych, które aktualnie go potrzebują. W procesie projektowania obciążenia dla funkcji chłodzenia i ogrzewania należy zwracać uwagę na oba tryby pracy i dokonywać ich obliczeń w oparciu o aktualnie obowiązujące wytyczne. Do obliczania obciążenia chłodniczego zaleca się korzystanie z niemieckich wytycznych VDI 2078 [4], zawierających dwie metody obliczeniowe – skróconą oraz EDV. Ta druga ma szerokie zastosowanie i praktycznie dowolne warunki brzegowe [3]. Obciążenia można dokładnie oszacować, stosując obliczenia numeryczne i symulacje.

W nowych i modernizowanych zgodnie z aktualnymi wymaganiami budynkach zapotrzebowanie na chłodzenie jest często tak duże, że wydajność chłodnicza jest znacznie wyższa niż wymagana wydajność grzewcza – nawet dwukrotnie. Tak duże zapotrzebowanie na wydajność chłodniczą wynika przede wszystkim z wewnętrznych zysków ciepła od urządzeń (głównie komputerów czy drukarek) oraz bardzo dobrej izolacji termicznej budynku, przez którą ciepło przedostaje się na zewnątrz w niewielkim stopniu. Tym samym moc chłodnicza jednostek zewnętrznych jest na tyle wysoka, że wystarcza również do zaspokojenia zapotrzebowania na ogrzewanie pomieszczeń.

Oferowane obecnie pompy ciepła do systemów VRF/VRV pozwalają na stosowanie układów monowalentnych. Pomimo że systemy te mają nadmiar mocy w funkcji grzewczej, projekt musi zawierać także obliczenia zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku. Dobór pomp ciepła powinien uwzględniać obliczenia mocy cieplnej zgodnie z normą PN-EN 12831 [5], zarówno w przypadku budynków nowych, jak i modernizowanych.
Dobierając jednostki wewnętrzne, należy uwzględnić potencjalną utratę ich wydajności przy niskich temperaturach zewnętrznych. W tym celu należy zwrócić uwagę, czy temperatura projektowa jest adekwatna do warunków danego regionu, a jednostki zewnętrzne zapewniają wymaganą moc grzewczą podczas niskich temperatur zewnętrznych.

W przypadku klasycznych systemów VRF/VRV przyjmuje się straty mocy w trybie ogrzewania na poziomie ok. 30% przy temperaturach zewnętrznych poniżej –7°C. Jeśli wydajność dla chłodzenia jest ponad dwukrotnie wyższa niż dla ogrzewania przy najniższej obliczeniowej temperaturze zewnętrznej, system jednoczesnego ogrzewania i chłodzenia poradzi siebie z wymaganą wydajnością także w trybie ogrzewania.

Przykłady oferty rynkowej

VRF Seria R

Układ hybrydowy łączy zalety systemu VRF z zaletami systemu wodnego, bez uszczerbku dla komfortu i efektywności energetycznej w porównaniu do klasycznego systemu dwururowego. Jeden z producentów oferuje dwie odmiany hybrydowego VRF. Seria R2 to dwururowy system z rozdzielaczem (hybrydowy kontroler BC), który umożliwia równoczesne chłodzenie i grzanie z odzyskiem ciepła, a każde osobne urządzenie wewnętrzne może pracować niezależnie od innych w trybie grzania lub chłodzenia (rys. 1). Ciepło pochodzące z chłodzonych pomieszczeń wykorzystywane jest w innym miejscu do ogrzewania.

Drugą technologią jest system Y, który umożliwia korzystanie z chłodzenia lub grzania przy użyciu standardowo wbudowanej funkcji pompy ciepła. Seria Y zawiera moduł Hydro Unit z wbudowanym płytowym wymiennikiem ciepła w celu wymiany energii między czynnikiem chłodniczym i wodą. Ilość wody o zadanej temperaturze dochodząca do urządzeń wewnętrznych regulowana jest precyzyjnie za pomocą pompy z regulacją inwerterową.

Atutem systemu jest wysoka efektywność energetyczna, pozwalająca na oszczędność energii nawet o 40% dzięki odzyskowi ciepła. W rozwiązaniu tym czynnik chłodniczy krąży tylko pomiędzy jednostką zewnętrzną a rozdzielaczem, w którym energia grzewcza i chłodząca są przekazywane do wody, a ta jest wykorzystywana jako nośnik energii w całym budynku. System powala zrezygnować z instalacji z czynnikami podlegającymi ograniczeniom w pomieszczeniach użytkowanych przez ludzi. Rozdzielacz może być zlokalizowany w wyodrębnionym pomieszczeniu technicznym, z dala od pomieszczeń użytkowych. Daje to też duże pole manewru w sytuacji, gdy wdrożone zostaną kolejne ograniczenia stosowania czynników chłodniczych zubożających warstwę ozonową. Cała instalacja wodna – rury, kształtki, zawory i odbiorniki ciepła i chłodu – mogą być wówczas nadal użytkowane, wystarczy jedynie zmiana w układzie jednostka zewnętrza–rozdzielacz.

Inną zaletą takiego rozwiązania jest niski ładunek czynnika chłodniczego w budynku i tym samym brak ewentualnych problemów ze spełnieniem wymagań normy PN-EN 378 [6]. Zawiera ona wytyczne dla firm projektujących, instalujących, obsługujących i konserwujących klimatyzatory, pompy ciepła i podobne systemy wykorzystujące czynniki chłodnicze. Na podstawie charakterystyki dostępu do pomieszczeń, do których może wyciec czynnik chłodniczy, oraz oceny toksyczności i łatwopalności czynnika ustala się limity jego wsadu i określa środki bezpieczeństwa mające na celu ograniczenie ryzyka w razie ewentualnego wycieku. Kategorie dostępu obejmują obszary dostępu ogólnego, takie jak hotele, restauracje czy centra handlowe, a także bardziej ograniczone obszary – nadzorowane i autoryzowane. Lokalizacja systemów chłodniczych jest zgodna z podziałem na cztery klasy, przy czym VRF są zazwyczaj definiowane jako klasa II i umieszczane w maszynowni albo na wolnym powietrzu. W pomieszczeniach mogą być potrzebne dodatkowe urządzenia, takie jak wentylacja mechaniczna lub detektory [7].

Technologia HVM Chiller

Innym przykładem jest system modułowy składający się z jednostek zewnętrznych HVM (Hydro Variable Multi; rys. 2), dostępnych w trzech mocach: 42, 56 i 65 kW. Można je łączyć w maksymalnie 16 szt. o wspólnej mocy 1040 kW. Pracując w jednym systemie, jednostki są automatycznie obciążane pracą, tak aby zyskiwały maksymalną wydajność. Moduły mogą pracować z modulacją mocy od 15 do 100%, a w każdym są dwie sprężarki Inverter Scroll z technologią Flash Injection. W rozwiązaniu tym nie stosuje się czynników chłodniczych wewnątrz budynków, tym samym jest ono bezpieczniejsze od tradycyjnych systemów VRF/VRV.

Moduł rozdzielacza FCU Kit umożliwia podłączenie klimakonwektorów, kurtyn powietrznych, wymienników ciepła, grzejników, ogrzewania podłogowego czy aparatów grzewczo-wentylacyjnych także innych producentów do jednego systemu sterowania i integrację z wszystkimi systemami zainstalowanymi w obiekcie, w tym z systemem zarządzania budynkiem (BMS). Układ może być również uzupełniony technologią ERV, czyli systemem wentylacji, który wprowadza do pomieszczenia świeże powietrze z zewnątrz, aby zoptymalizować jakość powietrza wewnętrznego, jednocześnie automatycznie dostosowując tryb pracy do temperatury wewnętrznej i zewnętrznej. Połączenie ERV z VRF umożliwia stworzenie kompleksowego rozwiązania zarządzania klimatem w budynku.

Przy niskim obciążeniu poszczególne jednostki zewnętrzne są włączane naprzemiennie w różnych odstępach czasu. Przy obciążeniu rzędu 2/3 łącznej mocy jednostki zewnętrzne są eksploatowane z częściowym obciążeniem, natomiast przy maksymalnym obciążeniu wszystkie sprężarki wszystkich jednostek zewnętrznych pracują z najwyższą mocą. Do sterowania pracą jednostek stosowana jest zaawansowana technologia, pozwalająca uzyskiwać wysoką efektywność energetyczną. Zapewnia ona niezawodną pracę układu w niskich temperaturach zewnętrznych i wysoką efektywność przy obciążeniach częściowych.

Hybryda gazowa

Kolejnym przykładem hybrydowej technologii VRF może być system, w którym połączono elektryczną (EHP) i gazową pompę ciepła (GHP). Inteligentne sterowanie wybiera daną pompę lub ich symultaniczną pracę w zależności od bieżących potrzeb, by zapewnić optymalną wydajność i ograniczyć zużycie energii oraz korzystać w określonym momencie z tańszej energii. Układ ten zapewnia także tanie przygotowanie c.w.u. z ciepła odpadowego pochodzącego z silnika spalinowego pompy gazowej.

System sterowania monitoruje zużycie energii i zapotrzebowanie na nią oraz obciążenie instalacji, aby obliczyć, który wariant zapewni największe oszczędności – GHP, EHP czy jednoczesna praca obu jednostek (rys. 3). Pozwala to znacznie ograniczyć wykorzystanie energii elektrycznej z sieci w okresach jej największego zapotrzebowania w sezonie grzewczym, przy niskich temperaturach zewnętrznych, gdy nie ma podaży energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Jednostka gazowa zużywa mniej niż 10% energii potrzebnej do zasilania jednostki elektrycznej przy jej pełnym obciążeniu.

To rozwiązanie optymalne zwłaszcza dla obiektów hotelowych, w których występuje zmienne obciążenie gośćmi i system może pracować ze znacznie mniejszą wydajnością poza szczytem oraz kierować ciepło lub chłód dokładnie tam, gdzie jest to w danej chwili potrzebne. Tak jak i w innych systemach hybrydowych, efektywna praca i pozyskiwanie ciepła oraz chłodu są możliwe dzięki rozbudowanemu inteligentnemu sterowaniu samego systemu oraz współdziałaniu z BMS.

Wymiarowanie rurociągów

W systemie hybrydowym przewody powinny być wymiarowane według zaleceń dostawcy technologii. Uzyskanie optymalnych warunków przepływu w trakcie długotrwałej eksploatacji wymaga dokładnego zwymiarowania przewodów rurowych. O ile odcinki transportujące czynnik chłodniczy w tradycyjnych systemach VRF/VRV wykonane są zwykle z lutowanych rur miedzianych po stronie wysokiego ciśnienia w średnicach 16 do 22 mm, a po stronie niskiego ciśnienia w średnicach od 18 do 28 mm, w systemach hybrydowych pracujących z obiegiem wodnym na odcinku rozdzielacz–jednostki wewnętrzne można zastosować rury do wody o jednakowej średnicy 20 mm. Rury powinny mieć izolację termiczną, zapobiegającą również kondensacji na ich powierzchni zewnętrznej.

Jak wspomniano wcześniej, ważne jest przestrzeganie wytycznych dostawcy technologii w zakresie odległości pomiędzy jednostkami zewnętrznymi a rozdzielaczem oraz maksymalnych długości rur między rozdzielaczem a jednostkami wewnętrznymi. Należy także uwzględnić maksymalne różnice wysokości między jednostkami zewnętrznymi i wewnętrznymi lub rozdzielaczami czynnika chłodniczego. Aspekt ten jest bardzo istotny w przypadku budynków wysokich i rozległych, gdyż wybór będzie zależał przede wszystkim od tego, czy dany system odpowiada warunkom w budynku w zakresie największych odległości i różnic wysokości pomiędzy poszczególnymi elementami systemu bez ponoszenia znacznych strat ciśnienia i wydajności.

Przykładowy hybrydowy system VRF umożliwia prowadzenie rur w obwodzie czynnika chłodniczego między jednostką zewnętrzną a rozdzielaczem na odległość do 110 m, a w obwodzie wodnym, czyli od rozdzielacza do jednostki wewnętrznej, do 60 m. Maksymalna różnica wysokości pomiędzy rozdzielaczem a jednostką zewnętrzną wynosi 50 m, a pomiędzy rozdzielaczem a jednostką wewnętrzną w obiegu wodnym – 15 m.

Podsumowanie

Hybrydowe systemy VRF do chłodzenia i ogrzewania budynków osiągają wysokie wartości efektywności energetycznej i mają zawansowane systemy inteligentnej regulacji. Dają duże możliwości nie tylko indywidualnej regulacji komfortu temperaturowego, ale też indywidualnego rozliczania kosztów chłodu i ciepła, łatwo je również włączyć w systemy BMS. Ich projektowanie wspierane jest specjalnymi programami firm dostarczających technologie.

Również w technologiach trójrurowych producenci wprowadzają nowe rozwiązania, zwiększające efektywność i zmniejszające ograniczenia związane ze stosowaniem czynników o wysokim GWP. Dostępny jest np. system, w którym zastosowano czynnik R32 oraz fabrycznie montowane układy kontroli czynnika w urządzeniach wewnętrznych, a także innowacyjne rozwiązanie upraszczające instalację wewnątrz obiektu.

Literatura

1. Rubik Marian, Chłodnictwo i pompy ciepła, Wyd. Grupa Medium, Warszawa 2019
2. Rubik Marian, Bezpośrednie systemy ogrzewania i chłodzenia obiektów – układy VRF, „Rynek Instalacyjny” 12/2019, rynekinstalacyjny.pl
3. Radomski Bartosz, Projektowanie w budynkach pasywnych instalacji ziębniczej, przygotowania ciepłej wody użytkowej i wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej, https://inzynierbudownictwa.pl/projektowanie-w-budynkach-pasywnych-instalacji-ziebniczej-przygotowania-cieplej-wody-uzytkowej-i-wentylacji-mechanicznej-nawiewno-wywiewnej/ (dostęp: 10.07.2022)
4. VDI 2078 Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen
5. PN-EN 12831:2006 (wersja polska), wycofana i zastąpiona przez PN-EN 12831-1:2017-08 (wersja angielska) Instalacje ogrzewcze w budynkach Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego
6. PN-EN 378-1:2017-03 (wersja polska), wycofana i zastąpiona przez PN-EN 378-1+A1:2021-03 (wersja angielska) Instalacje chłodnicze i pompy ciepła. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony środowiska. Część 1: Wymagania podstawowe, definicje, klasyfikacja i kryteria wyboru
7. Samsung, Wytyczne projektowe. Katalog techniczny 2022
8. Hybrydowy system VRF Panasonic, https://www.aircon.panasonic.eu/PL_pl/happening/new-panasonic-ghp-ehp-hybrid-system/ (dostęp: 10.07.2022)
9. Projektowanie systemów jednoczesnego ogrzewania i chłodzenia VRF, https://www.ikz-select.de/wissen/selectnews/auslegung-simultaner-heiz-und-kuehlanlagen/ (dostęp: 10.07.2022)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!