Достаточно отметить, что на кондиционирование м2 площади здания расходуется от 30 до 70 Вт электроэнергии. Тенденция к росту тарифов требует внимательного отношения к расходованию энергии и внедрения различных энергосберегающих технологий в системах кондиционирования воздуха. Мультизональные системы кондиционирования (VRF), как класс, реализуют принцип позонного регулирования мощности (рис. 1), поэтому обладают следующими преимуществами, снижающими энергопотребление здания: ❏ индивидуальное регулирование требуемой температуры внутреннего воздуха; ❏ возможность отключения местных кондиционеров (внутренних блоков) в помещениях периодического использования; ❏ регулирование холодопроизводительности в зависимости от теплоизбытков объекта кондиционирования в текущий период времени. Критерий энергоэффективности оборудования при выборе системы кондиционирования зачастую становится определяющим. Такой подход обоснован не только экономией энергии во время эксплуатации. Так как подводимая энергия тратится по назначению, то, как правило, энергоэффективное оборудование отличается лучшими показателями надежности,меньшим уровнем шума и вибрации, большим сроком эксплуатации. Максимальная величина холодильного коэффициента Для оценки энергоэффективности оборудования систем кондиционирования воздуха применяют обобщенный показатель энергетической эффективности, или эксергетический КПД: (1) где N — мощность, затрачиваемая на привод установки, Вт; Ne — эксергетическая (приведенная) мощность, Вт. Значение ηe во всех случаях показывает степень приближения установки к идеальной, у которой все процессы обратимы, т.е. ηe = 1. Эксергетическая мощность определяется по формуле: (2) где Qx — расчетная холодопроизводительность установки; te — эксергетическая температурная функция (фактор Карно): (3) где tx — температурный уровень охлаждения, К; to.c — температураокружающей среды, К. Для всех холодильных установок ηe < 0. Знак Ne показывает, что мощность отводится от установки. Для оценки энергетических характеристик холодильных установок чаще используется холодильный коэффициент: (4) и эксергетический холодильный коэффициент: (5) Определим эксергетический холодильный коэффициент для температурных параметров систем кондиционирования воздуха. Стандартные температурные условия испытания кондиционеров: температура внутреннего воздуха 27°С, температура наружного воздуха 35°С.Отсюда: Холодильные коэффициенты реальных установок кондиционирования значительно меньше и находятся в диапазоне от 2 до 6 ед., что обусловлено следующими причинами: ❏ энергетическими потерями из-за необратимого теплообмена между источником низкого потенциала и рабочим агентом в испарителе, а также между рабочим агентом и окружающей средой повышенного потенциала в конденсаторе; ❏ заменой детандера дроссельным вентилем (капиллярной трубкой); ❏ сжатием в компрессоре перегретого пара рабочего агента по необратимой политропе вместо обратимого сжатия пара в идеальной установке. Рассмотрим процесс охлаждения парокомрессионной холодильной установки в T–S-координатах с точки зрения повышения холодильного коэффициента (рис. 2). 1. Процесс сжатия в компрессоре (1–2) сопровождается увеличением энтропии ∆Sк. Чем меньше эта величина, при одинаковых показателях развиваемого давления, тем лучше качество компрессора и выше КПД кондиционера. Общая длина линии 1–2 показывает величину энергопотребления компрессора. 2. Процесс охлаждения перегретого газа до состояния насыщения (2–3).Происходит по линии постоянного давления. Чем меньше длина этой линии, тем выше КПД. 3. Процесс конденсации насыщенного пара (3–4). Конденсация протекает при постоянном давлении с температурой, выше температуры окружающей среды на величину ∆tк. Чем больше величина ∆tк, тем выше давление конденсации, и тем больше затраты энергии компрессором на сжатие. 4. Процесс переохлаждения жидкости (4–4.1) по линии постоянного давления. Увеличивает холодопроизводительность кондиционера. 5. Процесс дросселирования жидкости (4.1–5.1). Увеличение энтропии между точками снижает холодопроизводительность. 6. Процесс испарения жидкого хладагента (5.1–1). Длина линии пропорциональна величине холодопроизводительности. По конструктивному исполнению холодильные контуры мультизональных систем кондиционирования воздуха разных производителей значительно различаются, что логично приводит к различным энергетическим характеристикам оборудования. Методы регулирования производительности компрессоров VRF-кондиционеры по назначению представляют собой системы с переменным расходом хладагента. Изменяемая производительность наружного блока— необходимое условие работы многозональных систем, подстраивающихся под переменную нагрузку на внутренние блоки. Без сомнения, «сердце» кондиционера — это компрессор, на долю которого приходится 95% нагрузки и такая же часть электроэнергии. От его энергоэффективности и качества в первую очередь зависит потребление энергии кондиционером в целом. На сегодняшний день существуют следующие технологии регулирования производительности наружных блоков VRF-систем: инверторный привод, ступенчатая регулировка с аккумулированием, байпасирование, импульсная регулировка расстояния между спиралями компрессора, комбинированный метод. Естественно, каждый способ регулировки характеризуется разными величинами надежности, уровнем шума, уровнем электромагнитных помех, производительности и энергоэффективности кондиционера. Цель данной статьи — оценить именно энергоэффективность VRF-систем с различными конструкциями компрессорного узла и методами его регулировки. 1. Ступенчатая регулировка производительности ON/OFF-компрессоров с блоком аккумулирования Данный метод регулирования применяется в мультизональных системах кондиционирования серии S компании FUJITSU GENERAL (Япония).Суть метода заключается в следующем. Наружный блок (AOG90R, 10 лошадиных сил или 28 кВт по холоду) содержит три спиральных компрессора с постоянной скоростью вращения (рис. 3). Мощность каждого компрессора различна: 2; 4; 6 л/с. Регулирование мощности наружного блока производится дискретно — комбинированием включения этих компрессоров— и возможно в шести вариантах: 2; 4; 6; 8; 10; 12 л/с. (рис. 4). Диапазон регулирования производительности от 0 до 120%. Но потребляемое внутренними блоками количество хладагента изменяется плавно, а не дискретно. Для сглаживания ступеней регулирования применяется технология аккумулирования мощности. Основной элемент регулирования — ресивер, его объем служит разделителем двух потоков жидкого хладагента: «ступенчатого» потока до ресивера и «плавного» после. Например, для внутренних блоков необходимо выработать 5 л/с (14 кВт) холода. Компрессорный узел может выдать или 6, или 4 л/с. Значит в течение определенного периода времени будет включен один компрессор, производительностью 6 л/с, и такое же количество времени компрессор, производительностью 4 л/с. В результате будет обеспечен требуемый показатель 5 л/с. Пока работает больший компрессор, ресивер накапливает жидкий хладагент, но когда включается компрессор с недостаточной производительностью, он добавляет часть хладагента в систему. По энергетической эффективности метод ON/OFF-регулирования достаточно выгоден. Но изменение холодильного коэффициента носит нелинейный и ступенчатый характер: когда производительность компрессорного узла соответствует суммарной производительности внутренних блоков, холодильный коэффициент максимален; когда попадает в промежуток межу ступенями,— снижается (рис. 5). 2. Регулирование производительности наружного блока с помощью инверторных компрессоров Только инверторный метод (не комбинированный!) регулирования мощности наружного блока применяется системами кондиционирования серии КХ4 MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES (Япония). Вместо периодических запусков и остановок компрессор работает непрерывно, но с переменной скоростью вращения, из-за чего меняется его производительность. Скорость вращения двигателя компрессора меняется за счет перепадов в напряжении питания двигателя, для чего используется специальное устройство— инвертор (частотный преобразователь). Если мощности одного инверторного компрессора не хватает, подключается второй, в результате чего нагрузка равномерно распределяется по двум компрессорам (рис. 6). Для инверторного управления компрессорами характерны следующие преимущества: 1. в процессе регулирования производительности исключаются циклы включения/выключения компрессора; 2. диапазон изменения холодопроизводительности составляет от 13–112% (FDCA450 HKXE4 МХИ); 3. пусковые токи уменьшаются до значений меньше рабочих; 4. уменьшается износ механических деталей компрессора, увеличивается надежность и срок службы кондиционера; 5. повышается точность поддержания температуры в помещении. С точки зрения энергетической оценки, изменение частоты вращения компрессора более выгодно, чем ступенчатое ON/OFF-регулирование. Если холодильный коэффициент компрессоров при ступенчатом регулировании практически не изменяется, то при инверторном регулировании компрессора производительность меняется пропорционально скорости вращения. При уменьшении скорости вращения происходит более медленное сжатие газа, сам процесс сжатия приближается к квазистационарному, возрастание энтропии минимально, следовательно, холодильный коэффициент увеличивается (рис. 5) 3. Регулирование производительности наружного блока с помощью байпасирования Это способ наиболее прост и удобен в реализации, но и одновременно самый энергетически неэффективный (рис. 7). При непосредственном перепуске нагретого рабочего вещества на нагнетательной полости во всасывающую (процесс 1–3) резко возрастает температура всасываемого пара, а с ней и температура нагнетания, что вызывает перегрев компрессора. Чтобы избежать этого, на всасывании перепускается охлажденный хладагент с конденсатора через дросселирующее устройство (процесс 2–3). Потребляемая компрессором энергия остается постоянной, т.к. параметры хладагента (расход и давление) на всасывании не меняются. А вот производительность наружного блока при регулировании уменьшается. Следовательно, для систем с регулированием производительности байпасированием, при уменьшении загрузки на систему холодильный коэффициент падает (рис. 5). 4. Регулирование производительности наружного блока импульсной регулировкой расстояния между спиралями компрессора Компания COPELAND (подразделение EMERSON CLIMATE Technologies,США) разработала довольно интересную технологию регулирования производительности компрессоров, которая заключается в следующем. Для регулирования производительности спирального компрессора (рис. 8) поднимается верхняя (не вращающаяся) спираль, за счет низкого давления на входе в компрессор, которое как бы подсасывает спираль на один миллиметр вверх. Продолжительность разгрузки компрессора регулирует специальный клапан-соленоид, который работает в режиме открыт/закрыт. Производительность компрессора соответствует среднему времени нахождения в нагруженном и разгруженном состоянии. Например, если в десятисекундном цикле нагруженное состояние длится 5 с и разгруженное тоже 5 с, то средняя производительность составит 50%. Независимо от нагрузки ротор с нижней спиралью вращается с постоянной скоростью и при разведенных спиралях (производительность компрессора при этом равна нулю), потребляемая мощность компрессора составляет 10% от номинальной. Диапазон регулирования производительности наружного блока— от 7 до 100%. С точки зрения потребляемой энергии, импульсная регулировка расстояния между спиралями компрессора выгоднее байпасирования, т.к. энергия на дросселирование хладагента не затрачивается. Импульсная регулировка очень похожа на другой способ — ON/OFFрегулирование компрессоров. В обоих случаях производительность компрессора двухступенчатая (0 и 100%), общая величина которой зависит от продолжительности режимов вкл/откл. Однако скорость вращения ротора не меняется, пусковые токи на электродвигателе импульсного компрессора отсутствуют— это несомненное преимущество импульсного метода перед ON/ OFF-регулированием. Но с позиции расхода электроэнергии, чем меньше загрузка компрессора, тем выгоднее становится ON/OFF-регулирование, т.к. в период нулевой производительности по холоду, потребление ON/OFF-компрессора также нулевое, а импульсный продолжает вращаться и потреблять небольшую часть электроэнергии. 5. Регулирование производительности наружного блока комбинированным методом Это наиболее часто применяемый способ регулирования производительности наружных блоков VRF-систем.В предыдущей серии КХ2 MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES,новой серии V FUJITSU GENERAL и в других целого ряда производителей VRF-систем реализован этот метод. В качестве компрессоров, несущих основную нагрузку, применяют компрессоры с ON/OFF-регулированием, а более точная регулировка осуществляется инверторным компрессором, импульсным или компрессором с байпасированием хладагента (рис. 9). В данном случае регулирование производительности наружного блока в зависимости от нагрузки внутренних производится следующим образом. Производительность инверторного (или импульсного) компрессора составляет 40% от всей мощности наружногоблока (в трехкомпрессорной схеме). Производительность двух компрессоров постоянной мощности составляет 30⋅2 = 60% от всей мощности наружного блока. Поэтому при нагрузке до 40% работает один инверторный компрессор.Когда нагрузка увеличивается, например, до 50%, и мощности инверторного компрессора не хватает, включается компрессор постоянной производительности и частично инверторный (30% + 20%). При необходимости работы наружного блока с производительностью 100% включаются на полную мощность три компрессора (40% + 30% + 30%). Энергетические характеристики комбинированного способа регулирования производительности компрессоров зависят, естественно, от типа управления каждого из них. Общая функциональная зависимость является усредняющей для значений холодильного коэффициента каждого способа управления компрессорами наружного блока. Фактические величины холодильного коэффициента VRF-систем кондиционирования Все рассуждения,приведенные выше— теоретические, а основное и единственно мерило теории — практика. На энергопотребление реального наружного блока VRF-системы влияет очень много факторов: загрузка наружного блока, температура окружающего воздуха, конструкция и схема управления компрессорным блоком, относительная площадь поверхности конденсатора, используемый хладагент, алгоритм управления холодопроизводительностью и т.д. Порой одинаковые по схеме управления системы в одинаковых условиях показывают совершенно различные энергетические характеристики. Но тем не менее основные закономерности и теоретические характеристики функционирования компрессорного узла вполне очевидно прослеживаются на реальном оборудовании. На рис. 10 приведены графики для холодильного коэффициента наружных блоков VRF-систем различных производителей, реализующих выше рассмотренные способы регулирования. (Все технические характеристики взяты из каталогов заводов-изготовителей). Резюмируя,можно отметить, что на сегодняшний день однозначный лидер по энергоэффективности— инверторная технология регулирования производительности компрессоров. Наверное, именно поэтому большинствопроизводителей, применявших раньше другие способы регулирования компрессоров, устанавливают в новом оборудовании компрессоры с переменной скоростью вращения. Второй предпочтительный с точки зрения энергоэффективности способ — ON/OFF-регулирование. Применяется большинством производителей в комбинации с инвертором или как самостоятельный метод. Третий— импульсное регулирование, и на последнем месте— байпасирование. Необходимо еще раз отметить, что в данной статье рассматривались методы регулирования компрессоров именно с точки зрения энергоэффективности. Надежность, уровень электромагнитных помех, шум, цена и т.д. не учитывались — это темы для отдельного исследования.
1. Нимич Г.В., Михайлов В.А., Бондарь Е.С. Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Киев.: ТОВ «Видавничий будинок», 2003. 2. Inverter driven multi-indoor unit Climate control system. MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES. 04 KXT-092. 3. FUJITSU GENERAL LIMITED Multi Air Conditioning System for Buildings. Technical data. 2005.
