Проектирование VRF-систем с нуля: шаг за шагом к мультизональному кондиционированию

В этой статье мы рассмотрим процесс расчета и проектирования VRF-систем (Variable Refrigerant Flow) – инновационных систем кондиционирования, позволяющих эффективно и экономично обеспечивать комфортный микроклимат в различных помещениях.

Мы изучим основные принципы работы VRF-систем, а также представим методы и инструменты для их расчета и проектирования. От общего описания системы до конкретных расчетов и практических рекомендаций – в данной статье вы найдете полезную информацию для успешной реализации проектов по установке VRF-систем.

Общие сведения

Как подразумевает название, это устройство для контроля климата, способное одновременно обслуживать несколько зон в больших помещениях или отдельных комнатах. Идеальное решение для офисов, крупных квартир и отелей, а также востребовано в промышленных объектах и больницах.

Стоит отметить, что не каждая VRV-система может обеспечить достаточную мощность для одновременного отопления или охлаждения всех зон — параметры различаются как у моделей разных производителей, так и у конкретных систем.

Важно отметить: существуют два вида таких систем — VRV и VRF. Они являются аналогами, но называются по-разному из-за того, что первая была запатентована компанией Daikin в 1982 году. В документах они могут быть обозначены как Variable Refrigerant Volume или Variable Refrigerant Flow, что означает изменяемый объем или поток хладагента.

Если система мультизональная, то у нее есть общий контур подачи фреона ко всем внутренним блокам. Внутренние модули имеют терморегулятор, который регулирует подачу хладагента в зависимости от нагрузки. Именно поэтому системы VRV/VRF обеспечивают стабильность и точность микроклимата, в отличие от обычных кондиционеров, которые часто вызывают перепады температуры.

Преимущества VRF-систем

Их перечень впечатляет, что делает мультизональное оборудование востребованным в банках, офисах и торговых комплексах. Преимущества столь велики, что они перекрывают стоимость приобретения и установки.

Мультизональная система позволяет каждому внутреннему модулю работать независимо и регулироваться по отдельности, обеспечивая гибкость. Несмотря на дороговизну установки, она технически проста из-за небольшого веса внутренних блоков. Для полного монтажа достаточно нескольких квалифицированных специалистов.

Широкий выбор внутренних блоков с различным дизайном и производительностью доступен для разных целей — от жилых комнат до производственных помещений. Точность поддержания температуры — в пределах 1°C.

Несмотря на высокую стоимость, эксплуатация мультизональных систем оказывается бюджетной, что частично компенсирует начальные затраты. Вентиляционный блок практически совместим с любой моделью мультизональной системы, а встроенная в базовый комплекс приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает различные режимы работы и оптимизацию энергопотребления.

Возможные трудности

В этом разделе мы рассмотрим ключевые трудности, с которыми можно встретиться при проектировании и запуске VRF систем.

Правильная установка магистральных трубок

Система VRF/VRV состоит из тонких магистральных труб, внутри которых находится хладагент, часто являющийся опасным веществом. Эти трубы необходимо устанавливать безопасно и надежно уже на этапе проектирования. Обычно у мультизональных систем одна общая магистраль, что облегчает их распределение по зонам и комнатам по сравнению с канальной вентиляцией.

Наличие регулятора на каждом внутреннем модуле

На каждом внутреннем модуле должен быть регулятор, чтобы поддерживать заданный режим во всех зонах. По крайней мере один из внешних блоков должен быть инверторным, чтобы в случае выхода из строя одного из них система продолжала работать. Важно также правильно установить параметры работы в сезон, чтобы обеспечить комфортную температуру в помещениях.

Управление системой

Интеллектуальное управление системой подразумевает подключение к компьютеру и, если имеется, использование пульта ДУ для мониторинга и управления в режиме реального времени.

Проблемы шума

Наконец, следует учитывать возможное влияние шума от работы системы на комфорт и качество сна пользователей, особенно для тех, кто требует полной тишины.

Поэтапное проектирование

Сначала анализируются условия эксплуатации системы, определяются требуемые параметры и факторы, которые могут повлиять на их выполнение. Производится расчет предельных нагрузок, чтобы выбрать подходящие внутренние модули. Затем, на основе этих данных, формируется комплект оборудования. После перепроверки начинается монтаж системы.

Анализ исходных данных

Для начала проектирования требуется небольшой объем информации: внутренние и внешние температуры, общая и максимальная нагрузка. Для помещений измеряются влажность и температура, а также рассчитывается нагрузка на охлаждение для каждой комнаты, предпочтительно учитывая ощущение охлаждения.

Внешняя температура необходима только по сухому термометру. Затем производится расчет пиковой нагрузки. Это не просто сумма нагрузок всех блоков, а максимальная нагрузка, которая может возникнуть в определенный момент и должна быть поддержана всеми внутренними модулями, подключенными к одному внешнему блоку.

Кроме того, сумма пиковых нагрузок также важна. Она может варьироваться в разное время суток в зависимости от освещения и расположения комнат. Например, комнаты с окнами на восточную сторону могут иметь максимальную нагрузку утром, а на западную — после полудня.

Подбор оборудования

Имея данные о общей нагрузке и температуре (проектную для внутренних помещений по влажному термометру и номинальную для наружных условий по сухому), специалист может легко подобрать оборудование внутренних блоков системы в соответствии с проектом. Затем осуществляется проверка нагрузки – производительность каждого внутреннего блока по охлаждению должна превышать расчетную нагрузку.

Производительность всех внутренних блоков определяется с учетом длины труб и перепадов уровня. Для оптимального выбора необходимо учитывать общую производительность внутренних блоков, количество подключенных модулей, температуру воздуха снаружи, а также этот же параметр по проекту, эквивалентную дистанцию от самого удаленного внутреннего блока и внешнего модуля, а также разницу в уровнях между внутренними и наружными блоками.

Расчет производительности

Вначале необходимо определить общую нагрузку на охлаждение, которую будут нести внутренние блоки. Это включает в себя сумму пиковых нагрузок по всем зонам или комнатам, а также пиковую нагрузку всей системы.

Затем общая нагрузка на охлаждение корректируется для учета потери тепла в магистрали. Было бы желательно также оценить уровень безопасности внешнего модуля.

Расчет производительности внутренних блоков

Для расчета мощности внутренних блоков необходимо учитывать, что их функциональная мощность должна быть достаточной для обеспечения максимальных тепловых нагрузок в помещении. Мощность внутреннего блока определяется количеством холода, переданного через поверхность теплообменников, и охлаждающей мощностью фреона, поступающего в блок.

Постоянная величина k⋅F, зависящая от конструктивных особенностей внутреннего блока, учитывает коэффициент теплопередачи и площадь теплообменной поверхности. Температура кипения фреона поддерживается на постоянном уровне, а мощность внутреннего блока регулируется изменением расхода фреона через блок с использованием терморегулирующего вентиля.

При уменьшении температуры внутреннего воздуха происходит снижение максимально возможной мощности блока. График снижения мощности внутреннего блока представлен на соответствующем рисунке.

Для лучшего понимания расчетов приведем пример. Необходимо выбрать внутренние блоки для кондиционируемых помещений, где расчетная температура внутреннего воздуха составляет +20˚С. Для этого подбираем типоразмер внутреннего блока таким образом, чтобы его мощность охлаждения при указанной температуре была больше или равна максимальным тепловым нагрузкам помещения.

Более подробно об этом в таблице ниже:

Расчет производительности наружных блоков

Необходимо определить мощность наружных блоков, учитывая максимальную холодопроизводительность внутренних блоков. В системах VRF кондиционирования, как правило, применяются в помещениях с коэффициентом неодновременности (k) менее 1. Этот коэффициент означает неодновременную нагрузку, что целесообразно для таких систем. При проектировании VRF систем важно выбирать внутренние блоки с неодновременными максимумами нагрузок, например, при ориентации помещений на разные фасады здания.

Коэффициент неодновременности k зависит от теплового режима здания и конструкции системы VRF. Например, для серии «S» GENERAL отношение суммы номинальных мощностей внутренних блоков к мощности наружного блока не может быть больше 130%. Определение мощности наружного блока требует знания суммы максимальных теплоизбытков помещений, суммы номинальных мощностей внутренних блоков и коэффициента неодновременности теплоизбытков помещений.

Холодопроизводительность наружного блока (Qнар) определяется с учетом перепада давления в системе и гидравлической характеристики сети. При увеличении длины магистралей происходит увеличение гидравлической характеристики сети и уменьшение расхода фреона в системе.

Ошибочным является применение коэффициента уменьшения мощности к мощности внутренних блоков. Фактически, внутренний блок не зависит от длины магистралей, а наружный блок уменьшает расход хладагента в системе, основываясь на перепаде давления.

Для лучшего понимания приведем пример:

Требуется выбрать наружный блок для внутренних блоков из предыдущего расчета внутренних блоков, при условии, что эквивалентная длина магистралей составляет 70 метров, а коэффициент неодновременности нагрузки равен 0,8.

Суммарная фактическая мощность внутренних блоков составляет 16,08 кВт, а суммарная номинальная мощность — 27,9 кВт.

Для серии «S» GENERAL максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным в одной системе ограничено 130%. Следовательно, минимальная номинальная мощность наружного блока составляет 21,5 кВт (27,9 кВт / 1,3). Подходит наружный блок АО72R с номинальной мощностью 22,4 кВт.

Максимальное превышение номинальной мощности внутренних блоков над наружным составляет 125% (27,9 кВт / 22,4 кВт). Максимальная производительность наружного блока составляет 21,5 кВт.

Потери давления и мощности по длине трубопроводов составляют 7%. Максимальная мощность наружного блока в таких условиях сокращается до 20,0 кВт (21,5 кВт * 0,93).

Требуемая мощность для внутренних блоков составляет максимум 16,08 кВт. Таким образом, запас мощности наружного блока составляет 24% (20,0 кВт / 16,08 кВт).

Определяем необходимость маслоподъемных петель

Если контур невелик, нет необходимости устанавливать маслоподъемные петли на вертикальных трубах. Кроме того, компрессор обычно оснащен встроенной защитой от возврата жидкости.

Однако следует учитывать длину труб между парой разветвителей внешних блоков — если расстояние превышает 2 метра, без маслосъемных петель не обойтись. Также маслосъемные петли используются при понижении трубной линии.

Отсутствие таких петель там, где они необходимы, может привести к перемещению и утрате масла, а в результате — к аварийному останову работы внешнего модуля системы.

Подбор средств управления внутренними модулями

Выбор метода управления внутренними модулями сегодня предлагает несколько инженерных решений. Это может быть централизованное управление, контроль групп устройств или индивидуальное управление.

Самый простой вариант — индивидуальное управление, которое часто осуществляется с помощью проводных или беспроводных пультов. Хотя для удобства пользователей предпочтительны дистанционные пульты, модели с кабелем рекомендуются для офисов и общественных систем климат-контроля, так как они менее подвержены потере.

Групповое управление предполагает контроль нескольких групп устройств с использованием пультов, что может включать в себя значительное количество блоков (до сотни). Однако в такой системе, вероятно, потребуется сетевой конвертер. Централизованный вариант управления требует специального программного обеспечения, обеспечивая возможность централизованного контроля тысяч внутренних блоков и учета энергозатрат.

При централизованном или групповом управлении можно подключиться к линии передачи данных в любой точке, что упрощает развертывание сетевого проекта и позволяет экономить на общей длине коммуникаций. Это также сокращает время монтажа оборудования и коммуникационных линий, снижает вероятность ошибок при подключении устройств.

Дополнительное оборудование и приборы

На первый взгляд может показаться странным, но часто в реальности возникает ситуация, когда в системе установлены дополнительные приборы, но при расчетах по проекту они не учитываются. Это обычно происходит из-за забвения о дополнительном оборудовании.

Например, при передаче данных на расстояние более 500 метров или при подключении более 64 приборов необходимо использовать усилитель сигнала. Специальные устройства известных производителей обеспечивают стабильную связь на расстоянии нескольких километров.

Еще один пример – насосы. Например, помпы для откачивания конденсата из внутренних модулей. Хотя это дополнительное оборудование, оно включено в комплект поставки и устанавливается внутри кассетных блоков или в узких канальных блоках.

Возможные ошибки проекта

К сожалению, на практике эксплуатации мультизональных систем климатического контроля время от времени обнаруживают ошибки, которые были допущены еще на стадии проектирования.

Если повезет, эти ошибки могут быть замечены еще на этапе установки оборудования и прокладки коммуникаций специалистами-монтажниками. Поэтому так важно, чтобы проектные работы были выполнены на высоком профессиональном уровне — это облегчит реализацию проекта и обеспечит безотказную работу системы.

Существуют определенные технические ограничения по длине магистралей. Например, дистанция от основного внешнего модуля до самого удаленного внутреннего блока не должна быть слишком большой. Также имеются ограничения на расстояние между первым разветвителем и тем самым внутренним блоком. При неучтенных этих ограничениях по конструкции, скорее всего, в дальнейшем возникнут проблемы.

Важно понимать, что чем длиннее труба, тем выше потеря давления, что ведет к снижению производительности системы. Слишком длинные магистрали также требуют большего объема заправки хладагентом, что может привести к избытку его в компрессоре.

Расчет и проектирование с помощью готовых сервисов

В этом разделе мы рассмотрим варианты проектирования и расчета ВРФ-систем посредством готовых сервисов или специалистов – особенности этих методов, их преимущества и недостатки.

Онлайн-калькуляторы

Онлайн-калькуляторы для расчета и проектирования VRF (Variable Refrigerant Flow) систем представляют собой инструменты, которые позволяют инженерам и проектировщикам эффективно определять параметры и характеристики системы кондиционирования воздуха на основе ввода различных технических данных.

Такие калькуляторы обычно предоставляют возможность выбора типа и модели оборудования, а также учитывают факторы, такие как площадь помещения, температурные условия, тепловые нагрузки и другие параметры, необходимые для правильного расчета.

Преимущества онлайн-калькуляторов включают в себя:

• Доступность: Они доступны онлайн и могут использоваться в любое время и из любого места с доступом в интернет.
• Простота использования: Калькуляторы обычно разработаны с учетом удобства использования и могут быть просты в навигации и понимании.
• Скорость расчетов: Онлайн-калькуляторы позволяют быстро получить результаты и провести расчеты, что экономит время проектировщиков.
• Возможность сравнения: Инженеры могут сравнивать различные варианты оборудования и параметров системы, чтобы выбрать оптимальное решение.

Несмотря на преимущества, у онлайн-калькуляторов есть и некоторые недостатки:

• Ограниченность функционала: Некоторые онлайн-калькуляторы могут быть ограничены в функционале и не учитывать всевозможные факторы, влияющие на проектирование VRF систем.
• Ограниченные настройки: Некоторые калькуляторы могут не предоставлять возможность настройки всех параметров в соответствии с конкретными требованиями проекта.
• Ограниченные возможности адаптации: Онлайн-калькуляторы могут оказаться недостаточно гибкими для адаптации к специфическим потребностям проекта или особенностям конструкции помещения.
• Точность результатов: Точность расчетов может зависеть от качества введенных данных и точности моделей, используемых в калькуляторе.

Тем не менее, несмотря на эти недостатки, онлайн-калькуляторы все еще являются полезным и удобным инструментом для предварительного расчета и проектирования VRF систем кондиционирования воздуха.

Специалисты

Еще одним способом проведения расчетов и проектирования VRF систем является обращение к частным специалистам или специализированным компаниям, занимающимся проектированием HVAC систем.

Эти специалисты имеют профессиональный опыт и специализированные знания в области климатических систем, что позволяет им проводить более точные и качественные расчеты и проектирование системы.

Вот некоторые особенности этого подхода:

• Профессиональный опыт: Частные специалисты и компании, специализирующиеся на проектировании HVAC систем, имеют большой профессиональный опыт в данной области. Они обладают знаниями о последних тенденциях и инновациях в отрасли, что позволяет им предложить оптимальные решения для конкретного проекта.
• Индивидуальный подход: Частные специалисты и компании обеспечивают индивидуальный подход к каждому проекту. Они проводят детальное изучение требований заказчика и особенностей объекта, что позволяет создать систему, полностью соответствующую потребностям и условиям конкретного проекта.
• Комплексный подход: Специализированные компании предоставляют комплексные услуги, включающие в себя не только расчеты и проектирование, но и установку, настройку и последующее обслуживание системы. Это обеспечивает единый контроль за всеми этапами проекта и гарантирует его успешное выполнение.
• Гарантия качества: Частные специалисты и компании обычно предоставляют гарантию на качество выполненных работ и установленное оборудование. Это обеспечивает заказчику уверенность в надежности и долговечности системы.

Недостатком этого подхода может быть более высокая стоимость услуг по сравнению с другими методами проведения расчетов и проектирования. Кроме того, зависимость от графика работы и доступности специалистов может повлиять на сроки выполнения проекта.

Специализированные программы

Кроме использования онлайн-калькуляторов, специалисты в области проектирования и инженерии VRF систем могут проводить расчеты и проектирование с помощью специализированного программного обеспечения.

В сравнении с онлайн-калькуляторами, программное обеспечение предоставляет более широкий набор функций и возможностей:

• Расширенные функции расчета: Программное обеспечение обычно включает в себя более расширенные функции расчета, которые позволяют учесть больше параметров и условий для более точного проектирования системы.
• Гибкость и настраиваемость: Программы предоставляют возможность более гибкого настройки параметров и условий расчета в соответствии с конкретными требованиями проекта и предпочтениями специалистов.
• 3D-моделирование: Некоторые программы позволяют создавать трехмерные модели системы с визуализацией различных компонентов, что помогает визуально представить расположение и взаимодействие элементов системы.
• Анализ нагрузки: Программное обеспечение часто включает инструменты для анализа нагрузки, что позволяет более точно определить требуемую мощность и параметры системы.

Недостатки использования программного обеспечения по сравнению с онлайн-калькуляторами включают в себя:

• Сложность использования: Некоторые программы могут быть сложны в освоении и требовать дополнительного времени на обучение персонала.
• Стоимость: Более продвинутые программы могут иметь высокую стоимость лицензий или подписок, что может быть недоступно для небольших фирм или частных специалистов.
• Необходимость обновлений: Программное обеспечение требует регулярных обновлений и поддержки, что может потребовать дополнительных затрат на обслуживание.
• Зависимость от технических параметров: Работа программного обеспечения может зависеть от технических характеристик компьютера, на котором оно установлено, что может ограничить его использование в некоторых ситуациях.

Заключение

В заключение, расчет и проектирование VRF-систем – это сложный, но важный процесс, который требует внимания к деталям и глубокого понимания принципов работы этих систем. От выбора оборудования до определения параметров системы, каждый этап играет ключевую роль в обеспечении эффективного и надежного функционирования. Тщательный анализ условий помещений, правильный расчет нагрузок и выбор подходящих компонентов позволяют создать оптимальную систему кондиционирования.

Применение онлайн-калькуляторов и специализированных программ упрощает процесс расчета и проектирования VRF-систем, делая его более доступным и эффективным. Однако необходимо помнить о возможных ограничениях и недостатках такого подхода, таких как ограниченный функционал и не всегда учитывающие особенности конкретного проекта.

Вместе с тем, опытные специалисты и компании, специализирующиеся на расчете и проектировании VRF-систем, могут предложить индивидуальный и глубокий анализ, учитывая все особенности проекта и обеспечивая максимально эффективное решение. Идеальное сочетание технологий и профессионального подхода гарантирует создание оптимальной системы кондиционирования, соответствующей всем требованиям и потребностям клиента.