Сравнительный анализ энергоэффективности мультизональных систем кондиционирования воздуха

Мультизональные системы кондиционирования (VRF*) реализуют принцип позонного регулирования мощности, поэтому обладают следующими преимуществами, снижающими энергопотребление здания: 1. Обеспечивают индивидуальное регулирование требуемой температуры внутреннего воздуха; 2. Дают возможность отключения местных кондиционеров (внутренних блоков) в помещениях периодического использования; 3. Обеспечивают 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 в период эксплуатации. Так как подводимая энергия тратится только по назначению, то, как правило, энергоэффективное оборудование отличается лучшими показателями надежности, меньшими уровнями шума и вибрации, большим сроком эксплуатации. Для оценки энергоэффективности оборудования систем кондиционирования воздуха применяют обобщенный показатель энергетической эффективности, или эксергетический КПД: ~1~ Значение η_е во всех случаях показывает степень приближения установки к идеальной, у которой все процессы обратимы, т.е. η_е = 1. Эксергетическая мощность определяется по формуле: ~2~ 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: ~3~ Холодильные коэффициенты реальных установок кондиционирования значительно меньше и принадлежат диапазону от 2 до 6 единиц. Причины этого: 1. Энергетические потери 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; 2. Замена детандера дроссельным вентилем (капиллярной трубкой); 3. Сжатие 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 (температура–энтропия) с точки зрения повышения холодильного коэффициента СОР (рис. 1 ~4~). 1. Процесс сжатия в компрессоре (1–2) сопровождается увеличением энтропии ∆S_к. Чем меньше эта величина, при одинаковых величинах развиваемого давления, тем лучше качество компрессора и тем 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 ∆T_к. Чем больше величина ∆T_к, тем выше давление конденсации, 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. Конструкция холодильного контура мультизональных систем кондиционирования воздуха у различных производителей значительно различается, что логично приводит к разным энергетическим характеристикам оборудования. Основной энергетической характеристикой, показывающей КПД работы системы кондиционирования воздуха в режиме охлаждения, является холодильный коэффициент (СОР). Сравним значения холодильного коэффициента реальных многозональных систем кондиционирования воздуха. Рассматриваются двухтрубные VRF-системы: Daikin (VRV-K), General (VRF), Mitsubishi Electric (City Multi-Y), SANYO (Eco-Multi). Сравнение производится по данным технических каталогов фирм-производителей. Используемый фреон — R22. В технических каталогах и рекламных проспектах обычно приводятся так называемые номинальные характеристики кондиционеров, которые рассчитываются при определенных стандартных условиях. Стандартные условия испытания кондиционеров [2; 3; 4; 5; 6; 7] показаны в табл. 1 ~5~. Фактические условия эксплуатации кондиционеров значительно отличаются от стандартных параметров. Поэтому реальные характеристики кондиционеров существенно отличаются от номинальных. Основные факторы, влияющие на величину холодильного коэффициента 1. Температура наружного воздуха. Для проектирования систем кондиционирования воздуха важно знать как максимальную (расчетную) величину энергопотребления системами кондиционирования, так и средние значения за сезон. Причем на величину энергопотребления здания в первую очередь влияют именно средние величины. Значения расчетных температур наружного воздуха, действующие на территории России, приведены в табл. 2 [1] ~6~. Так, величина наибольшего энергопотребления наблюдается при наибольших температурах наружного воздуха, тогда расчетная средняя температура наружного воздуха для определения энергопотребления системами кондиционирования в теплый период лежит в диапазоне от расчетной максимальной температуры (параметры Б) до средней температуры наружного воздуха в теплый период. Следовательно, необходимый температурный диапазон для определения энергоэффективности систем кондиционирования воздуха лежит в пределах от +15°С до +31°С. При уменьшении температуры наружного воздуха холодильный коэффициент увеличивается (рис. 2 ~7~). Большую часть времени системы кондиционирования работают не при расчетных параметрах наружного воздуха, а при средней температуре теплого периода. Поэтому величина энергопотребления систем кондиционирования за сезон обратно пропорциональна средней величине холодильного коэффициента при расчетных средних параметрах наружного воздуха. Сравнивая значения холодильных коэффициентов VRF-систем различных производителей, можно отметить, что лидирующее положение по данному фактору занимают кондиционеры General. Худшие показатели у кондиционеров SANYO (диапазон — от +15°С до +31°С) и Daikin (диапазон — от +31°С до +35°С). 2. Температура внутреннего воздуха. Оптимальные параметры внутреннего воздуха, принимаемые при расчетах систем кондиционирования воздуха для теплого периода года [1] приведены в табл. 3 ~8~. Как видно из табл. 3 ~8~, российские нормативные параметры внутреннего воздуха отличаются от номинальных параметров, установленных для испытания кондиционеров. С уменьшением температуры внутреннего воздуха увеличивается разность температурных потенциалов между внутренним и наружным воздухом, соответственно, уменьшается СОР (рис. 3~10~). На поведение характеристических кривых у кондиционеров также накладывает отпечаток способ регулирования производительности. Лучшими показателями холодильного коэффициента в нормируемом диапазоне от +20°С до +25°С (15–18 CWB) обладает General. Худшие показатели в том же диапазоне у SANYO. 3. Отношение мощностей внутренних блоков к мощности наружного. Основной особенностью и преимуществом VRF-систем кондиционирования воздуха является возможность перераспределения мощности наружного блока между внутренними блоками. Как правило, максимумы теплоизбытков обслуживаемых помещений не одновременны, поэтому сумма мощностей внутренних блоков принимается больше мощности наружного. Между тем общая нагрузка на наружный блок меняется с течением времени. На рис. 4 ~11~ максимальными значениями холодильного коэффициента в диапазоне от 60 до 130% загрузки обладают кондиционеры General. В диапазоне от 50 до 60% — Daikin. Минимальные значения в диапазоне от 50 до 90% показали кондиционеры Mitsubishi Electric, в диапазоне от 100 до 130% — Daikin. Для суммарной оценки воздействия всех перечисленных факторов на величину энергопотребления системами кондиционирования рассчитаем холодильный коэффициент для конкретных условий эксплуатации. В табл. 4 ~9~ приведены номинальные и расчетные значения холодильного коэффициента, расчет выполнен для следующих условий: o мощность охлаждения наружного блока номинальная — 28 кВт; o коэффициент загрузки наружного блока — 100%; o расчетная температура внутреннего воздуха — 22°С (16 CWB); o расчетная температура наружного воздуха — 25°С. Выводы: 1. При российских нормативных и климатических условиях эксплуатации холодильный коэффициент, как правило, выше, чем при стандартных условиях испытания кондиционеров. 2. Значения холодильного коэффициента для VRF-систем различных производителей значительно отличаются друг от друга. 3. Наилучшими показателями энергоэффективности при рассмотренных условиях обладают VRF-системы General.

Литература 1. СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха». 2. VRV-системы. Технический каталог. ЕЕDE 01-2. 3. Air conditioning, 2001 — Heat pump machinery handbook, Mitsubishi heavy industries, 2001. 4. Мультизональные системы воздуха с инверторным управлением компании Hitachi. ТCDE0016 — 07/01. 5. Mitsubishi Electric. City Multi. Технические данные, 2001. е-01. 6. Fujitsu General limited multi air conditioning system for buildings. Technical data, 2001. 7. SANYO, Technical data, W-Eco Multi. G0900. * VRF (variable refrigerant flow) — система кондиционирования с переменным расходом хладагента. ** COP (coefficient performance) — отношение охладительной мощности к энергии, потребляемой компрессором в единицу времени.