Расчет оборудования VRF систем кондиционирования воздуха GENERAL

С. В. Брух. Ассоциация Японские Кондиционеры

Как правило, процесс подбора оборудования VRF систем подробно изложен во всех технических каталогах фирм производителей. Тем не менее существуют различные подходы к проектированию VRF систем, которые приводят, соответственно к различным режимам функционирования кондиционеров. Не опровергая существующих методик расчета, изложенных в различных изданиях, необходимо отметить, что проектирование VRF систем кондиционирования должно строиться в первую очередь на фундаментальных законах природы – законах сохранения энергии и массы. VRF система кондиционирования является термодинамической системой, обменивающейся энергетическими потоками с одной стороны с внутренним воздухом помещений, с другой стороны с внешней средой здания (рис. 1). Причем процесс энергообмена как правило происходит с результирующим повышением потенциала тепловой энергии. Согласно второму закону термодинамики данный процесс может происходить только при участии механической работы (энергии сжатия компрессора).

Рисунок 1. Схема энергетических потоков VRF систем в режиме охлаждения.

При работе кондиционера в режиме охлаждения тепловой поток от внутреннего воздуха помещений Q_вн передается через внутренние блоки, систему трубопроводов, наружный блок во внешнюю среду здания. Кроме энергии из охлаждаемых помещений наружные блоки во внешнюю среду отдают энергию, затраченную на привод компрессора. Таким образом, энергетический баланс VRF системы кондиционирования выглядит так:

(1)

Исходя из энергетического баланса системы кондиционирования воздуха, необходимо производить расчет и подбор оборудования VRF систем. Этапы подбора оборудования VRF систем следующие.

1. Расчет мощности внутренних блоков.

Функционально максимальная мощность внутреннего блока должна быть больше или равна максимальным теплопритокам в кондиционируемом помещении. С одной стороны, мощность внутреннего блока равна количеству холода, переданного через поверхность теплообменников. Поэтому можно записать уравнение:

(2)

где

k — коэффициент теплопередачи внутреннего блока, Вт/(м²˚С);

F — площадь теплообменной поверхности внутреннего блока, м²;

t_вн1, t_вн2— температуры внутреннего воздуха на входе и на выходе внутреннего блока, ˚С;

t_фр — температура кипения фреона, ˚С.

С другой стороны, мощность внутреннего блока равна охлаждающей мощности фреона, поступающего во внутренний блок:

(3)

где

G_фр — расход фреона во внутреннем блоке, кг/с;

q_фр — теплота фазового перехода 1 кг фреона, Вт/кг.

Произведение k • F постоянная величина, зависящая от конструктивных особенностей внутреннего блока. Температура кипения фреона t_фр также поддерживается на одном уровне системой автоматического регулирования VRF системы. Таким образом, согласно формуле (2), мощность внутреннего блока зависит от температуры воздуха t_вн1 на входе во внутренний блок. Согласно формуле (3) мощность внутреннего блока зависит также от расхода жидкого хладагента G_вн, поступающего к блоку. Количество энергии, поступающей к внутреннему блоку всегда равно количеству энергии, отходящей от блока, следовательно, можно записать уравнение:

(4)

Мощность внутреннего блока регулируется с помощью изменения расхода фреона G_вн через блок с помощью терморегулирующего вентиля, но не может быть больше, чем величина теплопередачи, определенная по формуле (2). При уменьшении температуры внутреннего воздуха происходит падение максимально возможной мощности блока [1]. График падения мощности внутреннего блока кассетного типа AU12 VRF системы серии "S" GENERAL представлен на рис. 2.

Рисунок 2. (подробнее) Мощность внутреннего блока и температура воздуха в помещении

Пример 1. Необходимо подобрать внутренние блоки для кондиционируемых помещений. Расчетная температура внутреннего воздуха +20˚С. Подбираем типоразмер внутреннего блока таким образом, чтобы мощность охлаждения при температуре +20˚С была больше (или равна) максимальных теплоизбытков помещения (таблица 1).

2. Расчет мощности наружных блоков

Расчет мощности наружных блоков должен производится исходя из условия обеспечения максимальной холодопроизводительности внутренних блоков.

(5)

Как правило, VRF системы кондиционирования применяются в помещениях, где коэффициент неодновременности k<1, т.е. основной принцип функционирования мультизональных систем – перераспределение хладагента между потребителями с неодновременной нагрузкой – предполагает целесообразность их использования только при значениях k<1. При условии одновременного максимума тепловых нагрузок в помещениях оптимально применение менее сложных систем типа MS-серии GENERAL. Поэтому при проектировании VRF систем необходимо выбирать внутренние блоки в пределах одной системы с неодновременными максимумами нагрузок, например ориентирование по разным фасадам здания. Такой выбор приводит к равномерной загрузке наружного блока в течение суток и меньшей расчетной мощности наружного блока.

Коэффициент неодновременности k зависит в первую очередь от теплового режима здания, но не может быть меньше определенных величин, зависящих от конструкции VRF систем. Например, для серии "S" GENERAL отношение суммы номинальных мощностей внутренних блоков к мощности наружного блока не может быть больше 130%. Для серии "J" GENERAL данная величина уже равна 150%. Поэтому для определения мощности наружного блока необходимо знать три величины: сумму максимальных теплоизбытков обслуживаемых помещений, сумму номинальных мощностей внутренних блоков, коэффициент неодновременности теплоизбытков помещений.

Холодопроизводительность наружного блока Q_нар можно определить по формуле:

(6)

Особенностью систем автоматического регулирования VRF систем является поддержание определенного давления на выходе и входе наружного блока (рис. 3). Потери давления в системе также зависят от расхода фреона G_нар и гидравлической характеристики сети k_гидр:

(7)

Таким образом, при увеличении длины магистралей выше номинала 7,5 метров происходит увеличение гидравлической характеристики сети и, соответственно, уменьшение расхода фреона в системе.

Рисунок 3. (подробнее) График изменения давления в подающем и обратном фреонопроводах

Пропорционально уменьшению расхода фреона (формула 6) происходит уменьшение мощности наружного блока (рис. 4).

Рисунок 4. (подробнее) График изменения мощности охлаждения наружного блока АО90R GENERAL

Необходимо отметить на распространенную ошибку в расчетах VRF систем, когда коэффициент уменьшения мощности по длине магистралей применяют к мощности внутренних блоков [2]. Фактически, внутренний блок «не знает», какая длина магистралей от него до наружного блока. Поэтому на его производительность влияет только расход хладагента, поступающего от наружного блока. А вот наружный блок, измеряя перепад давления на подающей и обратной магистралях, уменьшает расход хладагента на систему кондиционирования согласно рис. 4.

Пример 2. Необходимо подобрать наружный блок для внутренних блоков примера 1. Эквивалентная длина магистралей 70 метров. Коэффициент неодновременности нагрузки 0,8.

Суммарная фактическая мощность внутренних блоков:

(4,9+4,0+6,3+2,1+2,8)×0,8=16,08 кВт

Суммарная номинальная мощность внутренних блоков:

(6,9+5,4+8,8+2,8+4,0)=27,9 кВт

Для серии "S" GENERAL максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным в одной системе равно 130% [1]. Следовательно, минимальная номинальная мощность наружного блока: 27,9/1,3=21,5 кВт. Подходит наружный блок АО72R с номинальной мощностью 22,4 кВт. Максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным равно 27,9/22,4=125%. Максимальная производительность наружного блока [1] равна 21,5 кВт. Потери давления мощности по длине трубопроводов составляют 7%. Максимальная мощность наружного блока в данных условиях составляет: 21,5×0,93=20,0 кВт. Для внутренних блоков необходимо максимум 16,08 кВт. Запас мощности наружного блока отсюда 20,0/16,08=1,24 (24%).

Вывод

Рассмотренная методика, основанная на уравнениях энергетического и материального баланса VRF систем, применима для расчета кондиционеров с переменным расходом фреона любых производителей.

Литература

1. FUJITSU GENERAL LIMITED. Многоблочная VRF система кондиционирования воздуха для зданий.  Конструкция и технические данные. 2001.

2. DAIKIN. VRV системы кондиционирования. Технический каталог. ЕЕDE 01-2.