VRF_04

1.

Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра теплогазоснабжения и вентиляции
VRF-системы.
Особенности проектирования
Уляшева Вера Михайловна
д. т. н., профессор, профессор

2.

Проектирование VRF-систем комфортного кондиционирования, к
которым, без сомнения, принадлежат VRF-системы,
должны поддерживать параметры внутреннего воздуха в пределах
данной области.
Процессы кондиционирования помещений с помощью VRF-систем
можно подразделить на две группы: процессы обработки воздуха с
использованием холода (охлаждение, осушение) и процессы
обработки воздуха с использованием тепла (обогрев).
Если процесс обогрева внутреннего воздуха с помощью внутренних
блоков VRF-систем
не вызывает сложностей при расчете
тепловлажностного режима кондиционируемых помещений (так как
нет изменения влагосодержания воздуха), то процессы обработки
воздуха, связанные с использованием холода, не всегда однозначны.
Наиболее удобный и наглядный метод расчета и изображения
процессов
обработки
внутреннего
воздуха
основан
на
использовании i-d (энтальпия – влагосодержание) диаграммы
влажного воздуха.
2

3.

Однако существует мнение, что изображать процесс
охлаждения внутреннего воздуха внутренним блоком
VRF-системы на i-d диаграмме не совсем правомочно по
следующим причинам:
1.Внутренний блок поддерживает в помещении только
температуру внутреннего воздуха. Влажность воздуха
неизвестна и может изменяться, т.к. зависит не только от
характеристик блока, но и от характеристик помещения.
2.Процесс охлаждения в испарителе протекает в
зависимости от начального состояния входящего воздуха,
текущей холодопроизводительности внутреннего блока.
3. Процесс осушения воздуха, побочный при стабилизации
температуры воздуха, оказывает влияние как возмущение на
контур
стабилизации
влажности.
3

4.

Не опровергая вышеприведенных
утверждений,
попытаемся
определить
с
помощью
i-d
диаграммы комплекс возможных
значений параметров внутреннего
воздуха
помещений
при
кондиционировании внутренними
блоками VRF-систем в режиме
охлаждения. Для этого построим
область оптимальных значений
внутреннего воздуха помещений
Область
ограничена
линиями
относительной влажности 30 – 60 %
и температуры 20 – 25 ˚С согласно
требованиям
ГОСТ
30494.
4

5.

Системы комфортного кондиционирования, к которым, без
сомнения, принадлежат VRF-системы, должны поддерживать
параметры внутреннего воздуха в пределах данной области.
Если значения требуемой температуры внутреннего воздуха
можно задавать и поддерживать с помощью внутреннего блока,
то значения относительной влажности нельзя задавать и
поддерживать с помощью систем данного класса, хотя в
процессе
охлаждения
воздуха
будет
происходить
его осушение. С другой стороны, количество влаги,
поступающей в помещения от людей, с приточным воздухом и
т.д., будет постоянно изменяться. Поэтому значение
относительной влажности, которая установится в помещении,
будет зависеть как от характеристик внутреннего блока, так и от
характеристик помещения. Чтобы определить фактическое
значение относительной влажности в помещении, рассмотрим
процесс охлаждения воздуха подробно.
5

6.

Идеальный, а точнее
квазистационарный процесс
охлаждения воздуха
можно изобразить на i-d диаграмме
следующим образом.
Охлаждение воздуха приводит сначала
к понижению его температуры без
изменения влагосодержания (процесс
Н1 – К1) до линии относительной
влажности 100 %. Температура точки
пересечения линии процесса Н1 – К1
с линией 100 % влажности называется
температурой точки росы К1. Затем из
воздуха
выделяется
конденсат,
влагосодержание
воздуха
уменьшается по линии 100 %
влажности (процесс К1 – К3) до
температуры
теплообменной
поверхности (кипения фреона).
6

7.

Но это идеальный процесс, который должен происходить либо бесконечно
долго, либо с бесконечно малыми объемами воздуха. Фактически движение
воздуха во внутреннем блоке неравномерное и турбулентное, благодаря чему
элементарный объем воздуха, находящийся возле теплообменной
поверхности, пройдя процесс Н1 – К1 – К3, смешивается с воздухом,
находящимся далеко от теплообменной поверхности. Процесс смешения
проходит по линии Н1 – К1, и К2 –точка смеси. Затем снова малая часть
смешанного воздуха охлаждается по линии Н2 – К2 –К3. Таким образом,
процесс охлаждения воздуха во внутреннем блоке проходит по линии
смешения Н1 – К1, направленной от точки параметров внутреннего воздуха на
входе в блок (К1 ) до точки пересечения температуры кипения фреона с
линией 100%-ной влажности (К3). Очень часто эту прямую используют для
построения процессов охлаждения воздуха. Однако и данный процесс
отличается от реального процесса охлаждения воздуха во внутреннем блоке.
Но, несмотря на некоторую идеализированность, область Н1 – К1 - К3 дает
100%-ный охват всех возможных процессов охлаждения и осушения воздуха,
происходящих в любом внутреннем блоке. На процесс охлаждения по линии
Н1 – К3 влияют следующие факторы. При охлаждении воздуха внутренним
блоком
только
часть
поверхности
блока имеет температуру кипения фреона +5 ˚С (теплообменник).
7

8.

Внутренняя поверхность корпуса имеет
температуру циркулирующего воздуха. К
тому же при частичной загрузке
внутреннего блока не весь теплообменник
имеет температуру кипения фреона.
Поэтому некоторая часть конденсата снова
испаряется по адиабате и сдвигает
процесс охлаждения вправо.
Другим фактором, влияющим на процесс
охлаждения, является турбулентность
потока внутреннего воздуха. Этот фактор
приводит
к
тому,
что
не все элементарные частицы успевают
охладиться
до
температур
теплообменника.
8

9.

Поэтому
процесс
смешения
происходит не только между
точками Н1 – К3, но и по линиям Н1 –
К2 и т.д. Это также приводит к
смещению линии обработки воздуха
вправо. Таким образом, реальный
процесс
охлаждения
воздуха
внутренними
блоками
всегда
принадлежит области Н1 – К2 – К3 и
имеет вид кривой, соединяющей
точки Н1 – К3.
Начальная точка процесса охлаждения (Н1) совпадает с параметрами
внутреннего воздуха. Параметры воздуха на выходе из внутреннего блока в
значительной степени зависят от его характеристик. Важнейшей
характеристикой внутреннего блока является количество отводимого явного и
скрытого тепла. Любой процесс охлаждения можно разбить на эти две
составляющие.
9

10.

Например, процесс Н1 – К1’’ условно
состоит из процесса Н1 – К1’ –
охлаждение внутреннего воздуха без
изменения его влагосодержания (явное
тепло) и процесса К1’ – К1’’ – осушение
воздуха
без
изменения
его
температуры (скрытое тепло).
Поэтому у любого внутреннего блока
есть
явная
составляющая
его
мощности, которая тратится на
поддержание требуемой температуры
внутреннего воздуха, и скрытая
составляющая, которая тратится на
осушение
кондиционируемого
воздуха. Как следует из рисунка, угол
между касательной к кривой процесса
охлаждения и прямой постоянного
влагосодержания
при
понижении
температуры воздуха на выходе из
внутреннего блока увеличивается.
10

11.

Характеристики внутренних блоков VRF-систем
Мощность охлаждения, кВт
2,8
5,6
8,1
Производительность по воздуху,
м³/ ч
1200
1200
1200
Удельный
м³/(ч∙кВт)
расход
воздуха,
428
214
148
Явная составляющая
кВт (доля)
мощности,
2,69 (0,96)
4,76 (0,85)
5,71 (0,70)
Скрытая составляющая мощности,
кВт (доля)
0,11 (0,04)
0,84 (0,15)
2,39 (0,30)
Следовательно, чем меньше отношение производительности внутреннего
блока по воздуху к его мощности охлаждения (удельный расход воздуха),
тем большая часть мощности тратится на скрытое тепло. Этот вывод
подтверждается и данными изготовителей VRF-систем.
Исходя из рис. и характеристик внутренних блоков можно сделать
следующий вывод: чем больше величина удельного расхода воздуха
внутреннего блока (м³/ч × кВт), тем большая составляющая тратится
непосредственно на поддержание температуры внутреннего воздуха.
11

12.

Определим теперь относительную влажность внутреннего воздуха
в кондиционируемых помещениях. Анализ результатов построения
процессов позволяет сделать важный вывод: температура точки росы не
может быть ниже +5 ºС из-за минимальной температуры кипения хладагента
+5 ºС и стремления процесса к точке К3 i-d диаграммы, следовательно, при
оптимальных значениях температуры в помещении относительная
влажность не может принимать значений ниже 30%.
Как уже отмечалось выше, относительная влажность помещений при
кондиционировании VRF-системами зависит не только от параметров
внутреннего блока, но и от характеристик помещения, а именно луча
процесса (углового коэффициента) ассимиляции тепло- и влагоизбытков
помещения.
Для офисных помещений, как наиболее часто использующих VRF-системы,
луч процесса может принимать значения от 5000 до 15000 кДж/кг. Причем,
чем выше относительная влажность в помещении, тем больше влаги уходит
с вытяжным воздухом, тем больше влаги конденсируется во внутреннем
блоке и тем больше нагрузка на систему кондиционирования при равных
теплопритоках. В качестве примера произведен расчет процесса охлаждения
двух различных офисных помещений с одинаковыми внутренними блоками
номинальной производительностью 2,8 кВт и расходом воздуха 600 м³/ч.
12

13.

Расход холода для поддержания требуемой температуры
внутреннего воздуха + 25 ºС в первом случае составляет
2,1кВт при относительной влажности 43 %, во втором случае
1,8 кВт при относительной влажности 55 %.
13

14.

VRF-системы предназначены для комфортного кондиционирования
помещений, поэтому надо учитывать особенности теплового баланса
организма человека с окружающей средой. В данном случае необходимо
отметить, что при одинаковой температуре и различной относительной
влажности внутреннего воздуха ощущения теплового комфорта у
человека будут различны. Фактически, если в помещении повысилась
относительная влажность, то для достижения теплового комфорта
человеку необходимо понизить температуру внутреннего воздуха, и
наоборот. Тепловой комфорт человека в большей степени зависит от
энтальпии окружающего воздуха как функции его температуры и
относительной влажности, чем только температуры.
14

15.

Зависимость энтальпии
внутреннего воздуха от
его относительной
влажности и
температуры
Если за точку отсчета принять энтальпию внутреннего воздуха,
то ощущения теплового комфорта, например, при температуре
внутреннего воздуха 25 ˚С и относительной влажности 40 %
будут аналогичны ощущениям при температуре воздуха 23 ˚С и
относительной влажности 50 %
15

16.

Выбор принципиальной схемы VRF-систем
Существует огромное количество вариантов VRF-систем. Мы можем
поставить в помещениях множество различных типов внутренних
блоков. Мы можем использовать наружные блоки стандартной,
комбинированной или мини-серии. Мы можем применить
двухтрубные или трехтрубные наружные блоки. Мы можем сделать
поэтажную разводку или объединить все здание в целом в единый
фреоновый контур. По сути, на каждом объекте существует огромное
количество проектных решений только с помощью VRF-систем.
Поэтому на этапе выбора принципиальной схемы перед нами встают
следующие вопросы. Какие внутренние блоки мы будем использовать
и почему? Какие наружные блоки по мощности мы будем применять?
Где и как пройдут фреоновые трубопроводы? Где будут располагаться
наружные
блоки?
После
ответов
на
эти вопросы можно переходить к следующему этапу – определению
конкретной мощности и типоразмеров оборудования. А пока –
приступаем к первому этапу, выбору типа внутренних блоков.
16

17.

Вся номенклатура внутренних блоков разнообразна, но в большинстве
обслуживаемых помещений устанавливаются следующие типы внутренних
блоков: настенные, кассетные, напольно-потолочные, канальные.
Причем для потребителя в первую очередь важен тип внутреннего блока и
его характеристики, поскольку именно внутренний блок взаимодействует с
воздухом помещения и дает явные результаты работы всей системы
кондиционирования. Кроме того, внутренний блок – «лицо» кондиционера,
он располагается в обслуживаемом помещении, поэтому важнейшей его
характеристикой является дизайн корпуса. В большинстве случаев выбор
типа внутренних блоков основывается на двух критериях: расчетной
холодопроизводительности и дизайне корпуса. Между тем, существует
большой класс критериев для выбора типа внутреннего блока, основанных
на обеспечении требуемого воздушного режима помещения. Пренебрежение
ими приводит к установке внутреннего блока, который отлично сочетается с
общим дизайном помещения, обладает необходимой мощностью по
охлаждению и нагреву, но при его работе параметры воздуха в помещении
не отвечают санитарным нормам и гигиеническим стандартам. Парадокс:
Выключив
кондиционер,
потребители
находятся
в
лучших
микроклиматических условиях, чем при его функционировании. Поэтому
предпочтительнее
использовать
кассетные,
чем
настенные.
17

18.

На основании данных таблицы оптимальных параметров можно
определить критичные значения параметров приточной струи при ее
поступлении в рабочую зону.
В теплый период температура рабочей зоны поддерживается за счет
ассимиляции теплоизбытков помещения. При минимальном значении
температуры 20°С и отклонении температуры 1,5°С критичная
температура приточной струи отличается в меньшую сторону от
температуры рабочей зоны: