Анализ VRF-систем. Технология дополнительной подачи хладагента в компрессор (EVI)

EVI (Enhanced Vapor Injection) — это технология подачи (впрыска) дополнительного количества хладагента в компрессор для увеличения его производительности.

Идея отопления зданий с помощью воздушного теплового насоса витает в воздухе уже давно. Первые кондиционеры с тепловым насосом появились в Японии и успешно обогревали дома в условиях японского климата при температуре до −10°C. Однако даже у японцев бывают морозы до −20°C, и стандартные тепловые насосы уже не справлялись с такими температурами. Поэтому в Японии были распространены наружные блоки кондиционеров с встроенными небольшими газовыми горелками для подогрева наружного блока в период «экстремальных» холодов. В первый раз автор увидел такой «дымящийся» наружный блок в Токио в далёком 2008 году и был сильно удивлён.

В дальнейшем переход на инверторные компрессоры и фреоны высокого давления увеличили температурный диапазон работы наружного блока до −20°C. Это стало достаточно для Японии и Европы, но в России в большинстве городов морозы достигают −30°C и ниже, поэтому использовать кондиционер в качестве основной системы отопления можно только совместно с дополнительным источником тепловой энергии (камин, пеллетный котёл, электроконвекторы и т. д.). Такая схема получила название «бивалентной». Тем не менее, развитие теплонасосных технологий продолжилось, и современные VRF-системы могут эффективно работать в режиме обогрева при температуре уличного воздуха до −30°C. Это произошло за счёт применения совершенно нового типа компрессоров с дополнительным впрыском хладагента, и данная технология получила название EVI.

Многие производители систем VRF (Midea, Mitsubishi Electric, LG и т. д.) анонсировали применение в своих новых системах EVI-технологии. Что это за технология, мы разберём чуть ниже, а для начала давайте поймём, зачем она нужна и почему стандартные инверторные компрессоры не могут обеспечить требуемую производительность.

Для чего нужна система кондиционирования? Изначально система кондиционирования разрабатывалась именно как система охлаждения внутреннего воздуха для достижения комфортных или технологических параметров. Далее в процессе развития кондиционер стал нести дополнительные функции, а именно обогрев, осушение или увлажнение, вентиляцию, очистку воздуха от пыли и т. д.

Однако первоначальная и основная функция системы кондиционирования — всё-таки охлаждение. Так вот, в режиме охлаждения стандартные параметры окружающей среды, согласно японским и европейским нормам, следующие: температура внутреннего воздуха — +27°C, температура наружного воздуха — +35°C. Для компрессора кондиционера важны в первую очередь температуры кипения и конденсации фреона, поэтому рассмотрим их тоже. Стандартная температура кипения — +5°C, стандартная температура конденсации — +47°C. В процессе реальной эксплуатации эти параметры могут немного отличаться, но незначительно. Итого стандартный перепад температур кипения и конденсации фреона в режиме охлаждения для обычного компрессора составляет примерно 40–50°C.

Теперь давайте подумаем, что происходит с компрессором кондиционера, когда включается режим обогрева. С помощью четырёхходового клапана меняется направление движения хладагента в системе, но компрессор продолжает работать в том же режиме, что и ранее (рис. 1).

В режиме обогрева стандартные температуры внутреннего воздуха +20°C и наружного воздуха +7°C, температуры кипения и конденсации хладагента, соответственно, −5°C и +45°C, итого перепад составит около 50°C. Вроде бы не отличается от режима охлаждения. Но загвоздка в том, что диапазон наружных температур и температура испарения в режиме обогрева могут колебаться в гораздо бóльших пределах, чем в режиме охлаждения. Например, при наружной температуре −20°C температура кипения хладагента будет уже −35°C, соответственно, перепад между температурами кипения и конденсации будет 80°C, а это уже значительно выше, чем в режиме охлаждения. А если температура наружного воздуха будет ещё ниже, например, −30°C, то разница температур кипения и конденсации окажется минимум 90°C.

Следовательно, первый вывод, который мы должны сделать: компрессор кондиционера в режимах обогрева и охлаждения работает в разных условиях. В режиме обогрева значительно снижаются температура кипения хладагента и давление всасывания компрессора. Сниженное давление всасывания приводит к снижению производительности компрессора. Инверторный компрессор пытается поднять свою производительность путём увеличения частоты вращения, что увеличивает одновременно энергопотребление, уменьшает КПД сжатия хладагента, увеличивает перегрев компрессора. Компрессор охлаждается циркулирующим через него фреоном, поэтому при определённой температуре наружного воздуха количества хладагента на всасывании становится недостаточным для охлаждения компрессора, и он отключается по перегреву. Например, температура перегрева компрессора для системы Midea V5 составляет +115°C.

Рис. 1. Холодильный цикл VRF-системы в режиме обогрева без технологии EVI. Фреон R410a

Рассмотрим подробно, что происходит с хладагентом при работе обычной VRF-системы в режиме обогрева (рис. 1).

Участок 1–2: дросселирование. Жидкий хладагент после конденсатора внутреннего блока (точка 1: 45°C, 26,2 бар) возвращается в наружный блок. Перед испарителем происходит его дросселирование до необходимой температуры кипения (точка 2: −35°C, 1,22 бар). При температуре наружного воздуха −20°C температура кипения хладагента должна быть минимум −35°C. После дросселирования часть хладагента вскипает, что уменьшает производительность испарителя.

Участок 2–3: испарение. В точке 2 смесь жидкости и газа с температурой −35°C попадает в теплообменник наружного блока. Далее при постоянной температуре и давлении происходит кипение фреона и небольшой перегрев до температуры −30°C.

Участок 3–4: сжатие газообразного хладагента в компрессоре. Газообразный хладагент с температурой −30°C и давлением 1,22 бар попадает на всасывание компрессора, который практически на пределе своих возможностей при максимальной частоте вращения сжимает газообразный хладагент до давления 26,2 бар и максимальной температуры +115°C.

Участок 4–1: конденсация. Газообразный перегретый хладагент с температурой до 115°C поступает во внутренние блоки, работающие на обогрев. Там он сначала охлаждается до температуры конденсации 45°C, затем конденсируется при неизменной температуре, затем немного переохлаждается до 40°C.

Итак, мы выяснили, что основная проблема работы систем кондиционирования в режиме теплового насоса — это перегрев компрессора при низких наружных температурах. Ранее при больших перепадах температур испарения и конденсации использовались двухступенчатые холодильные машины с двумя разными холодильными контурами, работающими последовательно друг с другом. Автор сталкивался с такими установками для получения низкотемпературного холода.

Теперь мы возвращаемся к теме нашего сегодняшнего исследования — технологии EVI. Что можно сделать, чтобы снизить температуру хладагента на выходе из компрессора? Увеличить давление всасывания мы не можем, так как оно зависит от температуры кипения хладагента в наружном блоке. Вернуть часть перегретого хладагента после компрессора на всасывание теоретически возможно, но таким образом мы снизим производительность внутренних блоков по необходимому теплу, что нам совсем невыгодно. Схема уменьшения производительности компрессора наружного блока с помощью байпасирования нами подробно рассмотрена ранее на страницах журнала СОК [1]. Но нам как раз нужен обратный процесс — увеличение производительности компрессора при низкой температуре.

Давайте ещё раз внимательно посмотрим на рис. 1. Длина линии 4–1, по сути, является эквивалентом полезной энергии, которую мы получаем на внутренних блоках. Уменьшать количество хладагента до точки 1 и длину этой линии мы не можем. Но мы можем без ущерба для производительности внутренних блоков забрать часть хладагента для охлаждения компрессора после точки 1, снизить температуру выходящих газов, увеличить количество циркулирующего хладагента и, соответственно, повысить производительность компрессора по теплу. Первоначально производители так и поступили, были разработаны компрессоры для впрыска небольшого количества жидкого хладагента между спиралями компрессора. И цель защиты компрессора от перегрева была достигнута.

Но затем производители компрессоров решили пойти дальше. В наружном блоке у нас есть противоточный теплообменник для переохлаждения фреона в режиме охлаждения. В режиме обогрева мы можем использовать его для испарения охлаждающего хладагента и затем подачи его уже в виде газа на всасывание компрессора, экономя при этом энергию переохлаждения.

Итого технология EVI работает следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема теплового насоса с EVI-компрессором и холодильный цикл на p-h-диаграмме («давление — энтальпия»)

После конденсатора (внутренние блоки в режиме обогрева) жидкий хладагент подаётся в наружный блок и делится на две части. Одна часть хладагента уходит на дополнительный терморегулирующий вентиль (ТРВ). После вентиля происходит дросселирование жидкого хладагента и его подача на противоточный теплообменник (экономайзер). В этом теплообменнике фреон докипает и отдаёт свою энергию основной части, поступающей далее на ТРВ и испаритель наружного блока (испаритель). Вскипевшая в экономайзере часть хладагента уходит на всасывание компрессора, который оснащён ещё одним входом и называется EVI-компрессором. Этот процесс происходит во время второй трети сжатия хладагента в спиралях компрессора.

После компрессора газообразный хладагент высокой температуры снова поступает на внутренние блоки (конденсатор), где конденсируется и отдаёт энергию конденсации. Цикл повторяется.

В том случае, если температуры кипения и конденсации являются стандартными и не нужно глубокого охлаждения испарителя, компрессор EVI работает как обычный инверторный компрессор, впрыска дополнительного количества фреона не происходит.

Рассмотрим этот процесс подробнее на p-h-диаграмме («энтальпия — давление»), изображённой на рис. 3.

Рис. 3. Холодильный цикл VRF-системы в режиме обогрева с технологией EVI. Фреон R410a

Участок 4–5: процесс охлаждения газообразного хладагента и его конденсации во внутренних блоках.

Участок 5–6: процесс переохлаждения жидкого хладагента в дополнительном противоточном теплообменнике. Энергия переохлаждения отдаётся вскипевшей части хладагента, который возвращается в компрессор и увеличивает его производительность на эту величину.

Участок 6–7: процесс дросселирования жидкого хладагента, его частичное вскипание и понижение температуры.

Участок 7–1: процесс испарения парожидкостной смеси в теплообменнике наружного блока. На рис. 3 видно, что длина линии 7–1 стала больше, что означает увеличение удельной энергоёмкости процесса испарения.

Участок 1–2: процесс первой ступени сжатия газообразного хладагента в компрессоре.

Участок 2–3: процесс смешения основной части хладагента в компрессоре и вспомогательной части после теплообменника. Температура хладагента в компрессоре понижается.

Участок 3–4: процесс сжатия двух частей хладагента в компрессоре. За счёт всасывания хладагента с большей плотностью производительность и энергопотребление компрессора растёт.

Какие выводы можно сделать, глядя на рис. 3? Следующие:

1. Впрыск дополнительного хладагента в компрессор позволяет значительно снизить температуру перегрева компрессора. Даже при наружной температуре −30°C температура хладагента на выходе компрессора составляет комфортные +90°C. Напомню, что максимальная температура компрессора, при которой он отключится по перегреву, равна +115°C.

2. За счёт впрыска дополнительного хладагента растёт производительность компрессора при низкой температуре (рис. 4). Однако энергопотребление компрессора также будет расти. Общая производительность теплового насоса вырастет за счёт увеличения энергии испарения (длина линии 7–1) и увеличения энергопотребления компрессора (линия 1–4).

Рис. 4. Производительность наружных блоков VRF-систем в режиме обогрева

Теперь рассмотрим важный вопрос, связанный с энергоэффективностью воздушного теплового насоса и технологии EVI. В теории энергоэффективность, а именно показатель Coefficient of Performance (СОР) компрессоров с впрыском дополнительного количества хладагента должен быть выше, чем обычных инверторных систем. За счёт чего должен повышаться СОР? По факту мы видим два параллельных режима циркуляции хладагента: 1–2-3–4-6–7 — это основной режим (СОР1), в котором перемещается бóльшая часть хладагента, и кипение происходит при максимально низкой температуре; 3–4-5 — это дополнительное циркуляционное кольцо, где кипение происходит в испарителе дополнительного теплообменника при более высокой температуре (СОР2):

СОР1 = (H4 — H6)/(H2 — H1 + H4 — H3) = (474–230)/(492–425) = 244/67 = 3,64,

СОР2 = (H4 — H5)/(H4 — H3) = (474–247)/(474–447) = 227/27 = 8,41.

Результирующий СОР будет находиться между СОР1 и СОР2 в зависимости от величины расхода фреона в каждом процессе сжатия.

Для начала давайте определимся, а какой максимально возможный коэффициент СОР мы можем достичь на некоем идеальном тепловом насосе. Как мы знаем, эффективность воздушного теплового насоса сильно зависит от температуры наружного воздуха, а точнее от разницы температур низкопотенциального источника тепла и высокопотенциального приёмника тепла. И чем больше эта разница температур, тем меньше эффективность воздушного теплового насоса. Если мы представим некую идеальную тепловую машину, в которой температуры кипения и конденсации фреона совпадают с температурой наружного воздуха, испаритель и конденсатор обладают бесконечной большой площадью теплообмена, компрессор сжимает хладагент бесконечно медленно без потерь на турбулентность. Тогда максимально возможный СОР представлен на рис. 5 синим цветом (СОРидеал). При расчётной температуре наружного воздуха +7°C, внутреннего воздуха +20°C, максимально возможный СОР равен 22,5 единиц. Это значит, что в теории мы можем получить 22,5 кВт тепловой энергии, затратив при этом всего 1 кВт электроэнергии. При температуре наружного воздуха −30°C максимально возможный СОР составляет уже 5,8 единиц (рис. 5).

Рис. 5. Зависимости СОР теоретических и реальных воздушных тепловых насосов

Теперь давайте представим тепловой насос уже ближе к реальности. Для обеспечения теплообмена между хладагентом и окружающей средой нам необходим тепловой напор минимум 10°C. То есть, если температура внутреннего воздуха +20°C, то нам нужна температура теплообменника хотя бы +30°C, чтобы за счёт теплопередачи обогревать внутренний воздух. И для наружного блока, наоборот, при наружной температуре −30°C нужна температура кипения хладагента −40°C, соответственно. Построим такой график (красная линия СОР10 на рис. 5). Эффективность теплового насоса снизилась, но она составляет существенные 9,18 единиц при температуре наружного воздуха +7°C и 4,33 при температуре −30°C.

И теперь мы обратим внимание на СОР реальных тепловых насосов Midea VRF V5 (без технологии EVI) и Midea VRF V8 (с технологией EVI). Во-первых, период возможной эксплуатации у системы V8 расширен до −30°C по сравнению с −20°C в системе V5. Что в общем-то логично и вытекает из наших предыдущих объяснений. Но давайте посмотрим именно на энергоэффективность, а точнее на СОР этих двух реальных VRF-систем. СОР предыдущей системы V5 без технологии EVI выше, чем в новой системе V8. В теории технология EVI не только повышает производительность компрессора, но и должна увеличивать СОР системы в целом, однако графики на рис. 5 доказывают обратное.

Конструкция спиральных компрессоров с дополнительными отверстиями (показаны на правом фото) для подачи газообразного фреона среднего давления

Почему СОР наружных блоков с технологией EVI меньше, чем СОР классических тепловых насосов.

1. На рис. 3 мы видим увеличенную длину линии испарения 7–1, чем объясняют увеличившуюся производительность испарителя наружного блока. Но по факту на производительность также влияет количество циркуляционного хладагента, а оно стало меньше на величину части, ушедшей на дополнительный теплообменник. Соответственно, реального выигрыша энергии мы не получим.

2. Процесс сжатия хладагента в компрессоре 1–4 стал меньше, следовательно, разница энтальпий также уменьшилась. Но не нужно забывать, что общее количество сжимаемого хладагента за счёт впрыска стало больше, следовательно, увеличилась и энергия, требуемая на сжатие этого хладагента.

3. За счёт впрыска дополнительного количества хладагента производительность системы растёт, но растёт также и количество энергии на сжатие хладагента. Особенность любого инверторного компрессора — это повышенный КПД именно на средних частотах вращения. Следовательно, если увеличивается производительность, то компрессор переходит в менее эффективную зону работы, потребляя чуть больше электроэнергии на привод компрессора. В конечном счёте эта энергия не теряется и остаётся в циркулирующем хладагенте, но, тем не менее, её требуется чуть больше.

Выводы

1. При низкой температуре наружного воздуха производительность обычных инверторных компрессоров резко падает на 30–40% от номинальных значений.

2. Низкое давление всасывания компрессора приводит к высокой температуре хладагента на выходе и перегреву компрессора.

3. Технология EVI позволяет увеличить производительность кондиционера на обогрев при низкой температуре наружного воздуха.

4. При стандартных температурах наружного воздуха впрыска дополнительного хладагента не происходит, EVI компрессор работает как обычный инверторный компрессор.