Введение
Недавно на страницах журнала СОК мы закончили сравнительный анализ современных фреоновых (VRF) и водяных («чиллер — фанкойлы») систем кондиционирования воздуха [1]. С большим отрывом по множеству параметров «победили» системы VRF. Хотя существуют объекты (немногочисленные), где система «чиллер — фанкойлы» в принципе безальтернативна, например, высотные здания, где нет возможности применить поэтажную схему кондиционирования. Или здания аэропортов, где необходимо охлаждать огромные объёмы приточного воздуха. Оптимальная же область применения VRF — это кондиционирование большого количества сравнительно маленьких помещений.
Теперь давайте попробуем ответить на непростой вопрос — можно ли создать систему, которая будет обладать преимуществами как систем VRF (энергоэффективность, компактность, удобство эксплуатации), так и чиллерных систем (удобство монтажа, отсутствие фреона в помещениях, большие длины трубопроводов)?
Прежде чем ответить на этот вопрос, предлагаю обратить внимание на ещё одну проблему систем VRF — используемый хладагент. Сейчас во всём мире идёт активный переход от предыдущего двухкомпонентного хладагента R410a к более перспективному фреону R32. Фреон R32 наиболее часто используется сегодня в сплит-системах и мини VRF-системах. По сравнению с фреоном R410a фреон R32 обладает меньшим потенциалом глобального потепления GWP (675 против 2000) и большей удельной теплотой парообразования (309 кДж/кг против 223 кДж/кг). Следовательно, фреон R32 наносит меньший ущерб окружающей среде и способен нести больше энергии на килограмм энергоносителя (табл. 1). С другой стороны, он относится к трудно горючим веществам, что повышает риск пожара в зданиях. Именно поэтому сегодня фреон R32 не используют в больших VRF-системах, а только в сплит-системах и мини-VRF.
То есть можно обозначить первую проблему систем VRF — сложность использования нового хладагента R32 в системах производительностью более 12 кВт по холоду из-за его горючести.
Следующая проблема систем VRF — возможное превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) фреона в обслуживаемых помещениях. В отличие от чиллерных систем, где во внутренних блоках находится безвредная для человека вода, во внутренних блоках VRF циркулирует фреон. При определённых условиях может произойти его утечка, поэтому при проектировании необходимо проверять ПДК фреона в помещении при возможной аварии. Проверяется обычно самое маленькое помещение на одном фреоновом контуре (рис. 1).
Рис. 1. Определение расчётного помещения для расчёта ПДК при аварийном выбросе хладагента
Решение проблемы превышения ПДК фреона в обслуживаемых помещениях при аварийном выбросе может решаться тремя способами.
Первый способ — самый простой и эффективный. Необходимо разбить систему VRF на несколько независимых контуров таким образом, чтобы количество фреона в одном контуре не могло привести к превышению аварийной концентрации даже в самом маленьком помещении. Для этого удобно пользоваться табл. 3.
Как видно из табл. 3, при всех своих плюсах фреон R32 сильно уступает фреону R410a с точки зрения применения в больших системах. Фактически из-за требований безопасности применение фреона R32 ограничено мини-VRF-системами производительностью до 12 кВт.
Второй способ. Необходимо обеспечить проёмы вверху и внизу дверей площадью не менее 0,15% от площади помещения (рис. 2), чтобы помещение, по сути, стало открытым. Если у нас площадь помещения 12 м², то нам необходимы отверстия общей площадью 12×0,0015 = 0,018 м².
Рис. 2. Варианты контроля и удаления газообразного фреона при аварийном выбросе
И, наконец, третий способ. Необходимо во всех критичных помещениях установить датчик-газоанализатор на используемый фреон и отдельную систему аварийной вентиляции. В случае превышения ПДК фреона датчик даёт сигнал на систему оповещения людей и на включение аварийной вентиляции помещений (рис. 2). Например, компания Daikin пошла по этому пути и выпустила полноценную систему VRF на фреоне R32, оснастив её «технологией Shirudo» [2]. Технология Shirudo включает в себя меры контроля хладагента, а именно: датчики контроля концентрации фреона во внутреннем воздухе; запорные клапаны хладагента, позволяющие при аварии «собрать» весь хладагент в наружном блоке; и сигнализацию при утечке хладагента.
Итак, сегодня системы VRF, при всех своих плюсах, столкнулись с некоторыми проблемами использования новых хладагентов, в первую очередь R32. У чиллерных систем таких проблем нет, они легко перешли на новые хладагенты — от R32 до R290 (пропан).
Означает ли это, что мы увидим закат систем VRF как класса оборудования во всём мире? Я убеждён, что нет. Какие есть аргументы «за»?
1. Для мини-VRF-систем до 12 кВт по холоду никаких проблем с использованием хладагента R32 нет. А это как минимум пятая часть рынка систем VRF.
2. Фреон R410a на сегодняшний момент не является запрещённым фреоном. Он успешно применяется в полноразмерных системах VRF. Скорее всего, так и будет, пока не будет найдено устраивающее всех решение по большим системам.
3. Уже сегодня существуют решения, позволяющие обойти проблемы, связанные с аварийным выбросом фреона R32 в обслуживаемые помещения. Вот об этих решениях мы сейчас поговорим.
Существуют системы кондиционирования воздуха [3], создатели которых попытались объединить два типа систем: VRF и «чиллер — фанкойлы». Рассмотрим сначала их конструкцию.
Рис. 3. Гибридная система с наружным блоком VRF и внутренними блоками — фанкойлами Mitsubishi Electric. Возможна одновременная работа части фанкойлов на тепло и на холод
Наружный блок является обычным наружным блоком VRF-системы. Следовательно, новая система наследует все преимущества наружных блоков VRF. А именно: компактность, энергоэффективность, низкий уровень шума и т. д. Далее от наружного блока хладагент поступает по трубопроводам в обслуживаемое здание. Но не непосредственно к внутренним блокам, а к промежуточному блоку (рис. 3 и 4). Данный блок является, по сути, теплообменником между хладагентом внешнего циркуляционного контура и водой внутреннего контура. Кроме теплообменника, в данном блоке также содержится циркуляционный водяной насос и расширительный бак. Далее вода поступает непосредственно к внутренним блокам, которые являются фанкойлами.
Рис. 4. Гибридная система Panasonic. Возможно подключение как фанкойлов, так и тёплого пола
В чём преимущества новой системы по сравнению с системами VRF?
1. В обслуживаемых помещениях циркулирует только вода, следовательно, нет даже теоретической возможности попадания фреона в зону нахождения людей.
2. Общее количество используемого хладагента меньше за счёт более коротких жидкостных трубопроводов и отсутствия фреона во внутренних блоках.
3. Система может использовать новые хладагенты, например, R32.
4. Охлаждённая вода может подаваться значительно дальше, чем фреон.
В чём преимущества новой системы по сравнению с системами «чиллер — фанкойлы»?
1. Наружные блоки систем VRF более энергоэффективны, чем чиллеры даже с инверторными компрессорами.
2. Уровень шума наружного блока VRF меньше, чем у чиллера той же производительности.
3. Наружный блок VRF компактнее за счёт отсутствия теплообменника «фреон — вода» и гидромодуля.
4. В новой системе нет необходимости использовать незамерзающие растворы, ухудшающие энергоэффективность системы в целом, поскольку вода находится только внутри здания.
5. Энергопотребление насосов в новой системе значительно меньше, чем в стандартном чиллере. Поскольку производительность насосов подстраивается под текущую производительность наружного блока, длина циркуляционного кольца значительно меньше, потери напора также меньше.
Особенности сравниваемых трёх типов систем кондиционирования указаны в табл. 4. Рассмотрим основные характеристики этих систем.
Фактическая производительность внутренних блоков. Поскольку в гибридных системах внутренние блоки являются обычными фанкойлами, фактическая производительность внутренних блоков новой системы полностью совпадает с водяными системами и немного проигрывает системам VRF. Поскольку температура кипения хладагента во внутренних блоках VRF около +5°C, а температура воды в фанкойлах +7…+12°C, температурный потенциал для систем VRF выше. Это приводит к большей производительности внутренних блоках при реальных температурах внутреннего воздуха.
Потери производительности источников холода на 100 м трубопровода. В гибридных системах нет гликоля (незамерзающей жидкости) в наружном блоке, как, например, в чиллере, следовательно, нет потерь производительности при переходе на гликоль. С другой стороны, есть потери давления по длине, как в VRF. За счёт более короткой фреоновой трассы потери производительности источников холода гибридных систем меньше. Фактические потери производительности гибридных систем на 100 м трассы будут около 12%.
Диапазон работы по наружной температуре. Наружные блоки VRF-систем обладают бóльшим диапазоном работы по наружной температуре, чем чиллеры. Следовательно гибридные системы по этому параметру обладают всеми преимуществами VRF. Диапазон работы зависит от конкретного производителя, но составляет примерно от −25 до +20°C в режиме тепла и от −15 до +52°C в режиме холода.
Уровень шума внутренних блоков. По этому критерию гибридные системы ничем не отличаются от чиллерных. Использование фанкойлов в качестве внутренних блоков автоматически увеличивает уровень шума в помещении. Необходимо более тщательно подходить к выбору модели и применять дополнительные методы шумоглушения для особо тихих помещений. Например, использовать канальные фанкойлы с шумоглушителем на выходе воздуха.
Надёжность функционирования. Достаточно сложный вопрос, но в целом за счёт дополнительных элементов системы (насосы, теплообменники «фреон — вода», запорные клапаны, расширительные баки), которые могут выйти из строя, гибридные системы менее надёжны, чем VRF.
Габаритные размеры источников холода. Наружные блоки VRF по определению более компактны, чем чиллер.
Следовательно, гибридные системы также ещё и компактнее, чем чиллерные системы. При этом, по сравнению с VRF-системами, гибридные системы всё же проигрывают за счёт появления гидравлического модуля, который тоже требует места для монтажа внутри здания.
Ограничения на длину трубопроводов и перепад высот. Вот по этому параметру гибридные системы более приближены к чиллерным. Гидравлический модуль может располагаться не так далеко от наружного блока VRF — в среднем до 150 м длина и до 90 м перепад высот. Однако водяной трубопровод мы можем протянуть как угодно далеко при соответствующем напоре насоса и потерь давления в трубопроводах.
Энергоэффективность. Как мы выяснили ранее, VRF-системы обладают энергопотреблением в полтора-два раза меньше, чем чиллерные системы. Происходит это за счёт: инверторного компрессора, отсутствия насосов внутреннего циркуляционного контура, отсутствия насосов гликолевого циркуляционного контура, большего энергопотребления фанкойлов, потерь холода через стенки водяных трубопроводов у чиллерных систем. Если мы вернёмся сейчас к гибридным системам, то можно сделать однозначный вывод, что их энергопотребление будет всё-таки больше, чем у классической VRF-системы за счёт: насосов внутреннего циркуляционного контура, большего энергопотребления фанкойлов, потерь холода через стенки водяных трубопроводов. В целом можно оценить энергоэффективность гибридных систем как нечто среднее между чиллерными системами и VRF-системами.
Капитальные затраты. VRF-системы сегодня обходятся дешевле по капитальным затратам, чем чиллерные той же производительности и характеристик. Однако гибридные системы содержат дополнительный элемент — гидравлический модуль, который передаёт тепло или холод от хладагента к воде. Насос и расширительный бак также увеличивают стоимость системы. Поэтому в целом гибридные системы будут стоить за 1 кВт холода примерно столько же, как и инверторные чиллерные системы.
Выводы
Новые системы кондиционирования воздуха, основанные на комбинации наружного блока системы VRF и фанкойлов, без сомнения, займут свою нишу. На малой производительности (до 20 кВт по холоду) никакого смысла их применять, конечно, нет, поскольку эту нишу успешно занимают мини-VRF-системы, которые проще, дешевле и энергоэффективнее систем с фанкойлами. А вот на производительности от 20 кВт и выше вполне можно рассматривать новые системы как более комфортную альтернативу системам «чиллер — фанкойлы», с одной стороны, и более безопасную для пользователей, чем мощная система VRF, — с другой стороны. Если ещё вспомнить, что гидравлический контур может не только охлаждать помещения, но и подогревать воду для санитарных нужд или быть источником теплоснабжения для системы «тёплый пол» в холодный период, то можно находить очень интересные решения для различных типов жилых зданий, гостиниц и спа-центров.
