Systemy ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego (Variable Refrigerant Flow – VRF) umożliwiają większą elastyczność przy opracowywaniu wymagających i skomplikowanych projektów instalacji klimatyzacyjnych.
Charakterystyczne w profesji inżyniera jest to, że stoi przed nim wyzwanie, aby zaprowadzać porządek w chaosie, zwiększać efektywność, regulując stopień nadmiernego zużywania i marnowania, zapewniać rozwiązania w sytuacjach trudnych i niemożliwych, a także tworzyć innowacyjne rozwiązania z tego, co wydaje się już przestarzałe. Sporządzanie projektów budowlanych wiąże się z różnymi trudnościami podczas wybierania odpowiedniego systemu i urządzeń. Zadaniem inżyniera jest ocena istniejących warunków i zaproponowanie innowacyjnego rozwiązania, dzięki któremu projektanci budowlani i architekci będą mogli zaprezentować właścicielowi i klientom najlepszy projekt budowlany, który zapewni im nowoczesny obiekt, cechujący się wysoką efektywnością energetyczną. Systemy VRF ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego, dzięki ciągłemu rozwojowi technologicznemu, przyczyniają się do zwiększania atrakcyjności ofert na rynku nieruchomości.
Zgodnie z definicją, opisywana technologia polega na zmiennej objętości czynnika chłodniczego (Variable Refrigerant Volume – VRV) lub zmiennym przepływie czynnika chłodniczego (VRF). W systemie tego typu, w czasie rzeczywistym, następuje obieg czynnika chłodniczego w takiej minimalnej ilości, która wystarczająco zaspokaja wymagania obciążeniowe całego budynku i poszczególnych stref. Technologia należy do rodziny bezpośrednich modułów rozszerzeń (Direct Expansion DX), a efektywność i oferowane funkcje zapewniają jej czołowe miejsce wśród najnowocześniejszych rozwiązań. System ma na celu wyeliminowanie wielu powszechnie występujących problemów, związanych z nadmierną wydajnością i materiałami, wykorzystaniem przestrzeni, regulacją poziomu komfortu czy oszczędnością energii.
Wielkość typowego systemu mieści się w zakresie 20–105 kW, przypadających na każdą wyznaczoną powierzchnię budynku. Systemy składają się z zewnętrznych jednostek skraplacza oraz wewnętrznych jednostek klimakonwektorów, które są połączone sieciowo z systemami odzysku ciepła z wykorzystaniem technologii obwodów odgałęzionych, zapewniając wymianę energii pomiędzy strefami grzewczymi i strefami chłodzenia. Zaawansowane panele sterowania mają możliwość włączenia pracy w trybie obejścia (bypass) jednostki skraplacza zawierającej sprężarkę, tym samym zmniejszając zużycie energii elektrycznej.
To właśnie racjonalne gospodarowanie energią sprawia, że technologia VRF staje się bardzo atrakcyjna. Systemy składają się bowiem z sieci stref, a ogrzewanie bądź chłodzenie obejmuje wyłącznie strefy, które w danym momencie są w użyciu. Wielkość przepływu i objętości czynnika chłodniczego jest zmniejszana do minimalnej ilości, jaka jest wymagana w danym systemie i w danym budynku. Urządzenia szybko i sprawnie dostosowują się do zmieniających się obciążeń i można je ustawić zgodnie z określonym zapotrzebowaniem. W ten sposób wyeliminowano konieczność stosowania urządzeń końcowych o zbyt dużych parametrach (jednostki nadwymiarowe), które służyły do zaspokajania szczytowych obciążeń w każdej strefie.
Systemy te stanowią doskonałe rozwiązanie w odpowiedzi na ograniczenia związane z tradycyjnymi układami DX, w których konieczne było sterowanie włączaniem i wyłączaniem nadwymiarowych jednostek, a także wykorzystywanie zbyt wielu wewnętrznych i zewnętrznych urządzeń i instalacji rurowych, w których należało utrzymywać stałą objętość, wydajność i przepływ. W przypadku technologii VRF mamy do czynienia z zaledwie kilkoma jednostkami wewnętrznymi, które ze sterownikami i instalacjami rurowymi są podłączone sieciowo do jednostki odzysku ciepła, a także łączą się z pojedynczym agregatem chłodniczym (skraplaczem), znajdującym się na zewnątrz. Sterowniki odłączają zasilanie z jednej strefy, która aktualnie nie jest używana, i podłączają je do innych stref, wymagających ogrzewania lub chłodzenia. Prędkość sprężarki w agregacie skraplacza również jest zmienna i mieści się w zakresie 15–150 Hz (obr./sek.), aby zapewnić pracę zgodnie z wielkością zapotrzebowania. Technologia wtrysku pary zapewnia maksymalny poziom wydajności grzewczej w trybie pracy pompy grzewczej poprzez regulowany stopień sprężania.
Przykład. W ramach wcześniejszych doświadczeń z systemami VRF, zespół inżynierów zaprojektował model systemu, który pozwolił na oszczędności do 40% większe w porównaniu z tradycyjnymi systemami DX, a także opracował system na potrzeby budynku należącego do Epley Center for Health Professions przy Uniwersytecie Arkansas (fot. 2, 3). Po zmierzeniu i zweryfikowaniu zapewniło to o 24% większe oszczędności w stosunku do podstawowego modelu systemu DX, opisanego w normie energetycznej ASHRAE 90.1-2007.
Definicja współczynnika IEER
Wskaźnik energetyczny systemu VRF najlepiej wyrażany jest jako wartość współczynnika zintegrowanej efektywności energetycznej (Integrated Energy Efficiency Ratio, IEER), zgodnie z amerykańską normą ANSI/AHRI 1230. Obecnie w branży trwają prace nad przyjęciem tej metody, w miejsce zintegrowanej wartości obciążenia częściowego (Integrated Part Load Value, IPLV). Aby uzyskać współczynniki za pomocą metody IEER, przeprowadzane są testy systemów dla czterech wartości wydajności i w warunkach temperatury zewnętrznej. Wzór na współczynnik IEER ma postać:
IEER = (0,02 × A) + (0,617 × B) +
+ (0,238 × C) + (0,125 × D)
gdzie
A = współczynnik EER przy 100% wydajności netto, w standardowych warunkach określonych przez normę AHRI (35°C);
B = współczynnik EER przy 75% wydajności netto, w warunkach obniżonej temperatury otoczenia (27,5°C);
C = współczynnik EER przy 50% wydajności netto, w warunkach obniżonej temperatury otoczenia (20°C);
D = współczynnik EER przy 25% wydajności netto, w warunkach obniżonej temperatury otoczenia (18,3°C).
Metoda ta pozwala uzyskać dokładniejszy wskaźnik charakteryzujący system, ponieważ uwzględnia fakt, że systemy rzadko pracują przy pełnym obciążeniu. W przypadku niższej wydajności całkowitej wartość współczynnika EER jest znacząco większa – czasem wyższa niż 70% wartości EER przy pełnym obciążeniu. Systemom VRF przypisuje się współczynniki IEER o wartościach 20–30, w zależności od projektu i od tego, jak często strefy pracują z obciążeniem szczytowym. Modele VRF również pozwalają na wyeliminowanie konieczności instalacji kanałów, co znacznie obniża wymogi dotyczące ciśnienia statycznego, tym samym przynosząc dodatkowe oszczędności energii.
Efektywność systemów VRF związana jest również z elastycznością w zakresie wykorzystania przestrzeni, którą można optymalnie dostosować do danego miejsca. W tradycyjnych dzielonych systemach DX (typu split) wymagana jest jedna zewnętrzna jednostka skraplacza, przypadająca na jeden wewnętrzny wentylator parownika, powodując tym samym zajęcie zbyt dużej powierzchni na zewnątrz budynku, jak również w przestrzeni międzypiętrowej. Aby zminimalizować powierzchnię zajmowaną na zewnątrz, większość producentów może zaoferować sieć 64 jednostek wewnętrznych, które podłączone są do jednej jednostki zewnętrznej. Długość instalacji rurowych w takich systemach została wydłużona do min. 40 metrów w pionie, w odróżnieniu od systemów tradycyjnych, które były ograniczone do ok. dwóch pięter. Niektórzy producenci deklarują jeszcze większe odległości, nawet do 137 metrów. Pozwala to na dyskretne umieszczenie na niewielkiej, ogrodzonej powierzchni wszystkich skraplaczy, których zadaniem będzie obsługa budynku o wysokości ponad dziesięciu pięter.
W opisywanym wcześniej przykładzie zespół inżynierów sporządził projekt systemu dla budynku o powierzchni prawie 4300 m2, należącego do Epley Center for Health Professions przy Uniwersytecie Arkansas. Zaprojektowano cztery systemy, obejmujące 80 jednostek wewnętrznych, które składały się z jednostek kasetonowych, klimakonwektorów i jednostek naściennych. Zespół zaprojektował dopływ powietrza z zewnątrz za pomocą dwóch specjalnych układów wentylacyjnych (DOAS), znajdujących się na dachu. Z boku budynku wyznaczono dyskretne miejsce na jednostkę zewnętrzną. Cztery jednostki skraplacza systemu VRF zainstalowano w taki sposób, aby mogły bez problemu obsługiwać budynek, a przy tym nie rzucać się w oczy.
Jedną z najważniejszych zalet systemów VRF jest możliwość zajmowania niezbyt dużej powierzchni i brak konieczności instalowania kanałów. Jednostki kasetonowe można umieścić w postaci szeregu czy szachownicy, zajmując powierzchnię o wielkości niewiele ponad 0,6 × 0,6 m w miejscach zabudowanych, o dużym obciążeniu, jak w przypadku pomieszczeń konferencyjnych, poczekalni, sal szkoleniowych czy seminaryjnych. Jednostki można umieszczać również w pomieszczeniach wyposażonych w urządzenia, w sterowniach czy pokojach danych, które wymagają dużego obciążenia chłodniczego. Tak właśnie było w przypadku projektu systemu dla dużego szpitala w okolicach Dallas-Fort Worth, przeznaczonego do szeregu miejsc garażowych, w których do dyspozycji znajdowało się zaledwie 20 cm wolnej przestrzeni nad podwieszonym sufitem.
Większość producentów, w pojedynczej, kompaktowej jednostce kasetonowej może zagwarantować nawet 14 kW mocy na chłodzenie. Wymaganą wydajność chłodniczą pomieszczeń obsługi danych da się uzyskać, zajmując powierzchnię równą zaledwie kilku panelom sufitowym. Projekt taki został wykorzystany podczas modernizacji centrum leczenia nowotworów Texas Health Resources w Arlington, w pomieszczeniu z rezonansem magnetycznym, którego zapotrzebowanie na moc wynosiło 35 kW. Podobne rozwiązanie naściennej jednostki kasetonowej zostało wykorzystane w szpitalu Baylor Heart Hospital w Denton (Teksas), w hybrydowej sali operacyjnej, pracowni cewnikowania oraz w pracowni elektrofizjologii, których wymagania w zakresie mocy układów chłodzenia kształtują się na poziomie 20–35 kW.
W tych szczególnych przypadkach użycie innych systemów byłoby niemożliwe. Zazwyczaj wymagana jest bowiem duża, otwarta przestrzeń przy suficie na zewnątrz pomieszczenia i konieczne jest podłączenie dość dużych kanałów do otworów wlotowych i wylotowych urządzenia, a także zapewnienie dużo wolnego miejsca na ścianie lub na podłodze, aby umieścić tam stojącą jednostkę klimatyzatora. Niełatwym zadaniem jest również znalezienie miejsca na podłodze w pracowni rentgenowskiej, w której każdy centymetr opanowany jest przez producentów urządzeń radiologicznych. We wspomnianym szpitalu Heart Hospital pracownie radiologiczne umieszczono w pobliżu sterylnego oddziału chirurgicznego, więc niemożliwością było uzyskanie jakiegokolwiek miejsca przy suficie na urządzenia czy poprowadzenie kanałów. Sterylny korytarz nad przestrzenią sufitową zajmował system wentylacji, który obsługiwał sale operacyjne i zabiegowe. Z tego powodu jednostki kasetonowe umieszczono w kratce sufitowej w takim miejscu, w którym nie było żadnych urządzeń poniżej – aby zapobiec możliwemu wyciekowi, który mógłby spowodować uszkodzenie urządzenia.
Z kolei na potrzeby wspomnianego centrum leczenia nowotworów w Arlington zespół przygotował projekt wykorzystujący połączony system jednostek kasetonowych i kanałów. Wewnętrzne jednostki kanałowe zostały zamontowane do obsługi niewielkiej strefy, składającej się z biur oraz pomieszczenia z rezonansem magnetycznym, w przypadku którego konieczne było zainstalowanie jednostki na zewnątrz, a także zastosowanie kanałów i systemów dyfuzora niezawierających żelaza ze względów bezpieczeństwa, w celu ochrony przed polem magnetycznym rezonansu. Pomieszczenia z urządzeniami oraz sterownie wyposażono w kasetony, natomiast rozdzielnie elektryczne w jednostkę naścienną umieszczoną nad drzwiami, której zadaniem było chłodzenie transformatorów. Jednostka naścienna montowana nad drzwiami stanowi idealne rozwiązanie do tego typu miejsc, ponieważ nie ma pod nią żadnego elektrycznego urządzenia, które mogłoby ulec uszkodzeniu w wyniku wycieku.
Głównym czynnikiem, który przesądził o decyzji zastosowania systemów VRF, była wysokość sufitu. Kondygnacje budynku liczyły 3,5 m, co powiększały jeszcze ogromne belki stalowe. Zatem montaż układu kanałów w przestrzeni nad sufitem na oddziale radiologii, który wymaga dużych obciążeń, byłby niemożliwy. Ponadto brakowało miejsca na zewnątrz, gdzie należałoby umieścić szachownicę skraplaczy. W takiej sytuacji zespół zainstalował dwie jednostki skraplacza, jedna nad drugą, na zewnątrz pod stropem, zajmując mniej miejsca niż dwie jednostki, które miały zostać usunięte podczas rozbiórki. Wymagania dotyczące powietrza doprowadzanego z zewnątrz były na tyle niskie, że inżynierowie postanowili doprowadzać nieklimatyzowane powietrze (bez obróbki) do jednostek obsługujących wewnętrzne i zewnętrzne obciążenia jawne i utajone. Zewnętrzne kanały były na tyle niewielkie, że możliwe było poprowadzenie ich do jednostek w przestrzeni nadsufitowej, mimo jej ograniczonych wymiarów. W przypadku obiektów o specjalnych wymaganiach dotyczących powietrza doprowadzanego z zewnątrz, należy rozważyć konieczność zainstalowania specjalnych układów klimatyzacji DOAS.
Wymogi ciśnienia i regulacji
Podczas analizy liczby pomieszczeń oraz powierzchni podłogowej, która ma być objęta w danej strefie, projektanci muszą uwzględnić ograniczenia związane z dopuszczalnym ciśnieniem statycznym jednostek wewnętrznych. W przypadku jednostek wewnętrznych, ich zewnętrzne ciśnienie statyczne znajduje się w przedziale 97–137 Pa. Im niższe wymogi dotyczące przepływu powietrza, tym niższa wartość ciśnienia statycznego, które może zapewnić urządzenie. Duże strefy, wymagające montażu kanałów zasilania i powrotu, należy pod tym kątem dokładnie przeanalizować. Oprócz tego trzeba w każdym miejscu uwzględnić konieczność instalacji filtrów i sprawdzić zgodność z normą ASHRAE 52.2. Jednostki VRF zazwyczaj wyposażone są tylko w wyjmowany filtr, który spełnia najniższe wymogi normy w postaci 25–30% wydajności usuwania pyłów. Projektanci będą zmuszeni znaleźć rozwiązania niestandardowe, aby je dostosować do miejsc o bardziej wyśrubowanych wymaganiach filtracji (takich jak szpitale).
Ograniczenia związane z wydajnością należy uwzględnić również podczas ustalania stref w budynku. Wartość graniczna (próg odcięcia) w przypadku wewnętrznych jednostek klimakonwektorów wynosi zazwyczaj 14–18 kW. Wydajność grzewcza również jest ograniczona do ok. 15 kW na jedną jednostkę. Strefy wymagają niekiedy dodatkowego ogrzewania elektrycznego, co może utrudnić regulację i projektowanie. Jednakże obecnie niektórzy producenci oferują możliwość dodania do jednostki uzupełniającego ogrzewania elektrycznego, co może być pożądane w przypadku lokalizacji w zimnym klimacie oraz stref zewnętrznych o dużych obciążeniach grzewczych. Niektórzy producenci w porównaniu z innymi dysponują większą wydajnością i mogą zaproponować większą liczbę jednostek w jednym systemie.
Systemy sterowania stanowią autorskie rozwiązania i są bardzo złożone. Ich zadaniem jest sterowanie wymianą chłodniczą pomiędzy parownikami i skraplaczami, z wykorzystaniem jednostek odzysku ciepła. Panele sterowania odpowiadają za wysyłanie sygnałów alarmowych, które dotyczą filtrów, komponentów i czujników oraz informują o konieczności wymiany filtrów, czyszczenia wężownicy, uzupełnienia poziomów czynnika chłodniczego, a także zgłaszają awarie komponentów. Panele sterowania są dobrym rozwiązaniem zarówno w przypadku budynków, które wymagają oddzielnego, niezależnego systemu sterowania, jak również budynków wymagających centralnego systemu sterowania, który może zarówno monitorować, jak i przejmować kontrolę nad systemem VRF.
Inną ciekawą cechą systemów VRF jest czujnik, który porównuje temperaturę powietrza i podłogi, dostosowując kierunek łopatek dyfuzora, aby zapewnić równomierny rozkład temperatury. Jednostki skraplacza wyposażono w tryb odmrażania, aby usuwać zmrożenia na wężownicy skraplacza, zmniejszając tym samym opóźnienia powodowane przez rozruch urządzenia i konieczność całkowitego rozmrożenia. Jednostki VRF emitują znacznie mniej hałasu w porównaniu z innymi technologiami DX. Urządzenia wewnętrzne mogą emitować dźwięk na bardzo niskim poziomie, wynoszącym nawet 23 dB, a zewnętrzne do 50 dB, co odpowiada cichemu szeptowi i normalnej rozmowie toczonej w odległości 1 metra.
Jednostki wewnętrzne wyposażono w pompy kondensatu, aby uniknąć konieczności uwzględniania grawitacyjnego spływu skroplin. Ponadto pompa może zawierać czujnik poziomu wysokości podnoszenia, podłączony do systemu zarządzania budynkiem, aby zapewnić dodatkową kontrolę nad instalacją kondensatu. Niektórzy producenci dołączają przepustnice wielostrefowe znajdujące się z przodu jednostki, obniżając tym samym koszty związane z zapewnieniem jednostki na każdą strefę. Otwarciem przepustnic w każdej strefie sterują termostaty. Inni z kolei umożliwiają zastosowanie samych wężownic w urządzeniach, celem dołączenia ich do projektów VRF. Zamiast wymiany urządzenia można zamontować w nim wężownicę i włączyć jednostkę do systemu VRF oraz pojedynczego skraplacza, z zastosowaniem technologii regulacji przepływu, zapewniając tym oszczędność energii. Systemy są również dostępne w przypadku pomp ciepła ze źródła wodnego. Oferuje to doskonałe rozwiązanie w przypadku pomieszczeń obsługi danych w budynkach biurowych, w których znajdują się wieże chłodnicze, dostarczające do instalacji klimatyzacji powietrze schłodzone za pomocą wody. Jednostki skraplacza, których źródłem jest woda, cechują się bardzo małymi wymiarami, dzięki czemu można ich użyć w pomieszczeniu z urządzeniami, w którym powierzchnia podłogowa jest bardzo ograniczona.
Wybór producenta
Każdy producent wykorzystuje firmowe oprogramowanie według swojego wyboru. Projektant powinien sprawdzić obciążenia osobno w każdej strefie pod kątem przepływu powietrza, temperatury na wlocie i wylocie, jawnych i ukrytych obciążeń chłodniczych oraz obciążeń grzewczych. Producent następnie wprowadza dane uzyskane od projektanta do wybranego programu, który dopasowuje parametry jednostki wewnętrznej i zewnętrznej, oblicza wielkość rur i długość instalacji rurowej, określa objętość czynnika chłodniczego, dopasowuje jednostki odzysku ciepła, a także przygotowuje schematy połączeń elektrycznych.
Ponieważ układ systemu bazuje na konkretnej opracowanej koncepcji, więc gdy inny producent zwycięży w danym projekcie, należy być przygotowanym na konieczność wprowadzenia zmian. Są one związane z tym, że różni producenci oferują inne wartości graniczne wydajności jednostek wewnętrznych, zewnętrznych i instalacji rurowych. Niektórzy z nich mogą kaskadowo łączyć rury z jednej jednostki do kolejnej i z powrotem do jednostek odzysku ciepła. Niektórzy z kolei zmuszeni są przeprowadzić wszystkie rury z powrotem do jednej jednostki odzysku ciepła, a inni podłączają rury do kilku jednostek. Jest również możliwość wykorzystania podwójnych i potrójnych instalacji rurowych. Z uwagi na taką różnorodność projektów, układy oferowane przez różnych producentów będą się różnić pod względem wielkości przewodów czynnika chłodniczego, długości przewodów, objętości czynnika chłodniczego, miejsca rozmieszczenia wszystkich jednostek odzysku ciepła i schematu połączeń elektrycznych.
Rozmowy z właścicielem i zespołem inżynierów na temat kosztu systemu należy zaplanować już na samym początku projektu. Istnieje możliwość, że w przypadku pewnych obiektów czy zastosowań te złożone systemy nie będą gwarantować oczekiwanego zwrotu z inwestycji. Systemy VRF są droższe od tradycyjnych systemów DX typu split bądź jednostek dachowych. Zwykle przynoszą szybszy zwrot z inwestycji przez zmniejszenie kosztów zużycia energii w dłuższym okresie, a także w wyniku niższych kosztów instalacji i konserwacji. Instalacja i konserwacja tych systemów jest znacznie łatwiejsza ze względu na mniejszą liczbę komponentów. Większe długości przewodów czynnika chłodniczego są łatwiejsze do instalacji i konserwacji w porównaniu z niewielkimi rozgałęzionymi segmentami rur, wymaganymi do zapewnienia stałego przepływu w systemach dzielonych (typu split). Ponadto większość komponentów i części, które wymagają serwisowania i wymiany, znajduje się w jednostkach położonych w miejscach łatwo dostępnych.
Należy dokładnie zapoznać się z podręcznikami instalacji i obsługi, w których opisano wymagania instalacyjne. Większość producentów oferuje szkolenia w zakresie procedur instalacji jednostek i rur. Udział w takim szkoleniu jest bardzo ważny. Jeśli bowiem pominiemy ten etap, to gdy dojdzie do nieprawidłowego rozmieszczenia rur, z niewłaściwymi odstępami i zamocowaniem, mogą one ulec rozszerzeniu i wywierać nacisk na sąsiednie materiały. W takiej sytuacji może dojść do wycieków, które obniżają wydajność systemu i zmuszają do wymiany rur i ich ponownej instalacji.
Inżynierowie i właściciele budynków na całym świecie korzystają z zaawansowanych technologii DX. Ci pierwsi wykorzystują swoją wyobraźnię, aby zapewnić kreatywne rozwiązania, umożliwiające większą wydajność systemów klimatyzacji budynków i ich efektywność energetyczną, wyróżniające się elastycznymi możliwościami w zakresie zajmowanej przestrzeni, ułatwiające instalację i konserwację. Z oferowanych korzyści cieszą się jednak nie tylko inżynierowie i właściciele budynków, ale także architekci i projektanci wnętrz. Umożliwiono im bowiem znaczną optymalizację projektów i lepsze wykorzystanie obiektów.
Autor: Jared Edwards jest CEO/dyrektorem zarządzającym firmy HES. Ma ponad 17 lat doświadczenia W pracy w branży ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji.
