Любая удачная технология начинает развиваться и приспосабливаться под конкретные требования объекта. Так и системы VRF разделились внутри класса на подклассы: стандартные двухтрубные VRF, мини-VRF, системы с водяным охлаждением конденсатора, системы с газовым приводом компрессора, системы с рекуперацией тепла. Именно о последних и пойдёт речь в данной статье.

Чем отличаются системы с рекуперацией тепла от обычных VRF-систем? В первую очередь независимой работой внутренних блоков в режиме тепла или холода. То есть в обычной VRF-системе пользователи могут включить внутренний блок, поменять требуемую температуру воздуха, но не могут сделать одного — поменять режим работы с тепла на холод или наоборот.

Конструктивно VRF-системы с рекуперацией тепла позволяют внутренним блокам не только менять температуру воздуха, скорость вентилятора, но и независимо выбирать режим функционирования: тепло или холод. Это очень удобно главным образом в переходный период, когда часть помещений требует охлаждения (например, с солнечной стороны), а другая часть — обогрева. VRF-системы с рекуперацией более комфортны для потребителя, так как позволяют независимо выбирать режим. Но это означает, что они дороже примерно на 20–30%, чем аналогичные системы без рекуперации.

И тут мы подходим к самому интересному — к конструкции VRF-систем с рекуперацией тепла. На сегодняшний день существует две принципиально разные конструкции: система с рекуперацией на основе двухтрубного варианта, назовём её «Михаил Ефремович» (МЕ), и система с рекуперацией на основе трёхтрубного варианта, назовём её просто «Петром» (P). К слову, использует двухтрубный вариант только МЕ, а трёхтрубного варианта придерживаются все остальные производители VRF-систем: например, «Михаил Харитонович» (MH), «Фёдор Геннадьевич» (FG), «Харитон» (H), «Данила» (D) и многие другие. Определить, насколько эти варианты отличаются по энергоэффективности, и есть цель данной статьи.

Отдельно хотелось бы обратить внимание, что сравниваются не бренды и производители, а сравниваются именно двух- и трёхтрубные технологии VRF-систем с рекуперацией тепла. Псевдонимы же присвоены лишь для того, чтобы исключить обвинения автора со стороны производителей в субъективной оценке производимого ими оборудования.

Конструкция трёхтрубных VRF-систем с рекуперацией тепла

Трёхтрубная VRF-система содержит наружный блок, который является компрессорно-конденсаторным блоком с тремя трубопроводами хладагента (рис. 1): газ высокого давления и высокой температуры (около 2,8 МПа, +80°C для фреона R410a), жидкость среднего давления (около 1,2 МПа, +15°C), газ низкого давления (около 0,7 МПа, +5°C).

Внутренние блоки, работающие на тепло, подключаются к трубопроводу высокого давления и жидкостному трубопроводу. Внутренние блоки, работающие на холод, подключаются к жидкостному трубопроводу и трубопроводу газа низкого давления. Эти переключения осуществляет дополнительный блок, назовём его «блок рекуператора» (BR). Блоки рекуператора могут быть однопортовые, для присоединения одного внутреннего блока, либо многопортовые — для присоединения, например, четырёх, восьми или 12-ти внутренних блоков. Основная функция блоков рекуператора — это как раз переключение внутренних блоков к нужным трубопроводам с помощью клапанов.

Конструкция двухтрубных VRF-систем с рекуперацией тепла

Двухтрубные VRF-системы с рекуперацией тепла также содержат наружный блок, блоки рекуперации и внутренние блоки. Но отличаются от трёхтрубных, во-первых, наличием двух выходящих труб из наружного блока, а не трёх (рис. 2). Во-вторых, блок рекуперации значительно сложнее по конструкции, ниже мы её рассмотрим.

Каким же образом функционируют двухтрубные VRF-системы с рекуперацией? Принципиальным отличием от трёхтрубных является объединение двух подающих трубопроводов в один: газового трубопровода высокого давления и жидкостного трубопровода. В результате по этому объединённому трубопроводу в BC-контроллер поступает парожидкостная смесь. Эту смесь необходимо разделить на жидкость и газ, что успешно и происходит в сепараторе блока рекуперации. Далее газ высокого давления поступает к внутренним блокам, работающим на тепло. А жидкость обладает слишком большим давлением, поэтому она сначала дросселируется до требуемого давления кипения и только затем поступает к внутренним блокам, работающим на холод.

Вот основные отличия блоков рекуперации двухтрубных систем: это обязательное наличие сепаратора «жидкость — газ» и дросселирующих устройств для жидкостного трубопровода.

Теперь после рассмотрения конструкции и принципов работы мы перейдём к главному вопросу нашей статьи — сравнению энергоэффективности этих двух вариантов конструкции VRF-систем с рекуперацией тепла.

Загрузка 100% на холод

Принципиальных отличий работы систем в крайних режимах (только тепло или только холод) нет. Нет отличий даже от более простых двухтрубных систем без рекуперации, для работы используется только два трубопровода (табл. 1). Жидкостный трубопровод (Ж) — для подачи жидкого хладагента ко всем внутренним блокам, работающим на холод. И газовый трубопровод низкого давления (ГНД) — для возврата вскипевшего газа в наружный блок. Газовый трубопровод высокого давления (ГВД) не используется.

Загрузка 100% на тепло

Газовый трубопровод высокого давления подаёт перегретый газ через блоки рекуперации к внутренним блокам, далее газ конденсируется, отдаёт тепло конденсации, переходит в жидкое состояние и по жидкостному трубопроводу возвращается в наружный блок (табл. 2). Газовый трубопровод низкого давления в данном случае не используется.

Частичная загрузка на холод, частичная на тепло

Вот это самый интересный режим, отличающийся по своему функционированию от простых двухтрубных систем. Для начала зададимся вопросом, а насколько этот режим необходим в современных зданиях? На этот вопрос автор ответил в статье «Обоснованный выбор трёхтрубных VRF-систем кондиционирования» [1]. Её основные тезисы следующие:

1. В жаркий период года (при наружной температуре выше +20°C) все внутренние блоки работают на холод.

2. В переходный период (от −10°C до +20°C) часть внутренних блоков уже переключаются на тепло, но большая часть блоков продолжает работать на холод.

3. В холодный период года (ниже −10°C) большая часть внутренних блоков работает на тепло, но часть блоков продолжает работать на холод.

Сейчас, по прошествии времени, можно добавить четвёртый пункт:

4. При подключении к трёхтрубной системе VRF-модуля подогрева горячего водоснабжения здания ГВС в любой период года будет требоваться как выработка тепла, так и холода.

В количественном выражении переход с режима холода на тепло в зависимости от наружной температуры представлен на рис. 3.

Из рис. 3 можно сделать вывод, что бóльшую часть времени в современном здании требуется одновременно как тепло, так и холод. Следовательно, применение VRF-систем с рекуперацией тепла необходимо и оправдано.

Работа трёхтрубных систем с рекуперацией с комбинированной выработкой тепла и холода

Далее вернёмся к нашим VRF-системам, работающим в режиме частичной загрузки на тепло и на холод. Рассмотрим сначала работу трёхтрубных систем с рекуперацией тепла — рис. 4. На нём изображён режим большей части внутренних блоков, работающих в режиме холода, и меньшей части в режиме тепла (потому что он является основным исходя из рис. 3). Хотя для наших дальнейших выводов это уже не принципиально.

Компрессор наружного блока сжимает газ низкого давления и выдаёт газ высокого давления и высокой температуры. Газ частично идёт к внутренним блокам, работающим на тепло, и частично в конденсаторы наружного блока. После конденсатора хладагент в виде жидкости поступает к внутренним блокам, работающим на тепло.

Теперь рассмотрим путь хладагента высокого давления и высокой температуры. Он поступает на блок рекуперации и далее во внутренний блок. Во внутреннем блоке горячий хладагент остывает до температуры конденсации, отдавая сначала теплоту перегрева (это важно), затем конденсируется, отдавая теплоту конденсации, и далее в виде жидкости поступает в жидкостный трубопровод.

Далее у нас есть внутренний блок, работающий на холод. Блок рекуперации этого внутреннего блока закрывает линию газа высокого давления и открывает линию газа низкого давления. Жидкий хладагент, вышедший из внутреннего блока, работающего на тепло, поступает во внутренний блок, работающий на холод, не возвращаясь при этом в наружный блок (это опять важно). То есть за один цикл хладагент совершает два полезных действия: работу части блоков на тепло, а другой части — на холод. Наружный блок как бы тратит энергию на выработку теплоты, получая холод при этом «бесплатно».

В этом процессе и есть основная причина энергоэффективности трёхтрубных систем: при одновременной выработке тепла и холода в пропорции 50% на 50% энергоэффективность трёхтрубных систем максимальна и в два раза больше, чем выработка только тепла или только холода (табл. 3).

Теперь нарисуем этот процесс на графике «давление-энтальпия» (рис. 5).

Работа двухтрубных систем с рекуперацией с комбинированной выработкой тепла и холода

Рассмотрим теперь работу двухтрубных систем с рекуперацией тепла (рис. 6). Но сначала — небольшой комментарий по поводу параметров окружающего воздуха. Параллельная выработка тепла и холода происходит, как правило, при некой средней температуре наружного воздуха, например +10°C. И логично предположить, что если температура окружающего воздуха ниже, то и температура конденсации хладагента будет также ниже.

Однако регулирование процесса охлаждения конденсатора наружного блока с помощью вентилятора направлено на поддержание постоянных температур конденсации. Эти параметры прописаны в сервисном руководстве (»мануале») и равны 49°C и 2,98 МПа. Следовательно, при понижении температуры наружного воздуха происходит снижение скорости вентилятора наружного блока и поддержание постоянной температуры конденсации 49°C. Давления конденсации и испарения немного отличаются у разных производителей, но суть регулирования остаётся прежней.

В дальнейших расчётах для единообразия мы примем их одинаковыми для всех сравниваемых систем.

Каким образом работает двухтрубная VRF-система с рекуперацией МЕ в режиме частичной загрузки? Компрессор сжимает хладагент и с высоким давлением и высокой температурой подаёт на конденсатор. Но, поскольку лишь часть внутренних блоков работает на холод, а другая часть — на тепло, конденсация происходит не полностью, и в подающий трубопровод высокого давления подаётся смесь жидкости и газа. Напомню, что любая смесь жидкости и газа находится в состоянии насыщения (в контексте данной статьи это важно). Далее в блоке рекуперации эта смесь разделяется на жидкость и газ, после чего газ высокого давления и высокой температуры подаётся к внутренним блокам, работающим на тепло. А жидкость высокого давления проходит через дросселирующее устройство, понижает своё давление до температуры кипения +5°C (и немного вскипая при этом), попадает во внутренний блок, работающий на холод. После внутреннего блока, работающего на тепло, выходит хладагент в виде жидкости, поступает обратно в блок рекуперации, там смешивается с жидким хладагентом из наружного блока и поступает далее к внутренним блокам, работающим на холод. Далее хладагент по трубе газа низкого давления возвращается в наружный блок, и процесс повторяется.

Сравнение энергоэффективности двухтрубных и трёхтрубных систем с рекуперацией в режиме частичной загрузки

Возьмём для примера 40% загрузку наружного блока на тепло и 60% на холод. Чем будет отличаться работа сравниваемых систем? Главное отличие — это то, что в подающем трубопроводе трёхтрубных систем будет поступать к блокам рекуперации перегретый газ и переохлаждённая жидкость. А в двухтрубных системах — смесь жидкости и газа в состоянии насыщения. Это означает, что энергия перегрева газа после компрессора и энергия переохлаждения после конденсатора в двухтрубных VRF с рекуперацией теряется. Сколько это в цифрах? Давайте посчитаем.

Насколько уменьшается энергия, поступающая к внутренним блокам, работающим на тепло?

Трёхтрубный вариант. Энтальпия перегретого газа, поступающего к внутренним блокам, равна 475 кДж/кг. Энтальпия переохлаждённой жидкости, выходящей от внутреннего блока, равна 275 кДж/кг. Разница между ними остаётся во внутреннем блоке в качестве полезной производительности и равна 200 кДж/кг.

Двухтрубный вариант. Энтальпия насыщенного газа, поступающего к внутренним блокам, составляет 422 кДж/кг. Энтальпия переохлаждённой жидкости, выходящей от внутреннего блока, равна 275 кДж/кг. Разница между ними остаётся во внутреннем блоке в качестве полезной производительности и равна 147 кДж/кг, отсюда 200/147 = 1,36.

То есть производительность внутренних блоков при работе на тепло в трёхтрубном варианте больше на 36%.

Насколько уменьшается энергия, поступающая к внутренним блокам, работающим на холод?

Трёхтрубный вариант. Энтальпия смеси жидкости и газа после дросселирования, поступающей к внутренним блокам, равна 245 кДж/кг. Энтальпия перегретого газа, выходящего от внутреннего блока, равна 430 кДж/кг. Разница между ними остаётся во внутреннем блоке в качестве полезной производительности по холоду и равна 185 кДж/кг.

Двухтрубный вариант. Переохладитель жидкости в двухтрубных VRF-системах вынесен из наружного блока в блок рекуперации. Поэтому энтальпия смеси жидкости и газа после дросселирования, поступающей к внутренним блокам, равна также 245 кДж/кг. Энтальпия перегретого газа, выходящего от внутреннего блока, — 430 кДж/кг. Разница между ними остаётся во внутреннем блоке в качестве полезной производительности и равна 185 кДж/кг, отсюда 185/185 = 1,0. То есть производительность внутренних блоков при работе на холод одинакова (табл. 4).

Выводы

1. VRF-системы с технологией рекуперации тепла позволяют экономить значительное количество энергии, по сравнению с классическими VRF, за счёт параллельной выработки тепла и холода.

2. Двух- и трёхтрубные VRF-системы с рекуперацией тепла не отличаются друг от друга по эффективности в режимах работы 100% тепла или 100% холода.

3. Трёхтрубные VRF-системы с рекуперацией тепла обладают преимуществом перед двухтрубными VRF-системами с рекуперацией за счёт использования тепла перегрева хладагента. Двухтрубные VRF-системы с рекуперацией при преобладании режима холода над режимом тепла подают к внутренним блокам насыщенную смесь жидкости и газа, что снижает производительность внутренних блоков на величину перегрева хладагента. Для рассмотренного примера коэффициент энергоэффективности для трёхтрубных систем составил 8,8, для двухтрубных систем с рекуперацией — 7,51.