Тепловлажностный режим помещений с VRF системами кондиционирования

С.В. Брух. Ассоциация Японские Кондиционеры

bruh@jac.ru

Процессы кондиционирования помещений с помощью VRF систем можно подразделить на две группы: процессы обработки воздуха с использованием холода (охлаждение, осушка) и процессы обработки воздуха с использованием тепла (обогрев). Если процесс обогрева внутреннего воздуха с помощью местного кондиционера (внутреннего блока) VRF систем не вызывает сложностей при расчете тепловлажностного режима кондиционируемых помещений, 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. Однако существует мнение, что изображать процесс охлаждения внутреннего воздуха местным кондиционером на i-d диаграмме не совсем правомочно по следующим причинам [1]:

1. Внутренний блок поддерживает в помещении только температуру внутреннего воздуха. Влажность воздуха неизвестна и может изменяться, т.к. зависит не только от характеристик кондиционера, но и от характеристик помещения.
2. При релейном управлении охлаждением полупериоды включения – выключения компрессора вовсе не равны. Из-за неравенства полупериодов среднее за цикл значение температуры в помещении переменно.
3. Процесс охлаждения в испарителе протекает и направлен в зависимости от начального состояния входящего воздуха, текущей холодопроизводительности внутреннего блока.
4. Процесс осушения воздуха, побочный при стабилизации температуры воздуха, оказывает влияние как возмущение на контур стабилизации влажности.

Не опровергая вышеприведенных утверждений, попытаемся определить с помощью i-d диаграммы комплекс возможных значений параметров внутреннего воздуха помещений при кондиционировании местными кондиционерами в режиме охлаждения. Для этого построим область оптимальных значений внутреннего воздуха помещений (рис. 1).

Рис. 1. Область оптимальных значений параметров внутреннего воздуха, изображенная на i-d диаграмме.

Область ограничена линиями относительной влажности 30 – 60 % и температуры 20 – 25 ˚С. 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 местного кондиционера, 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 поступающей влаги 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 кондиционера, так и от характеристик помещения. Что бы определить фактическое значение относительной влажности помещения с местным кондиционированием, рассмотрим процесс охлаждения воздуха подробно.

Идеальный, а точнее квазистационарный процесс охлаждения воздуха можно изобразить на i-d диаграмме следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Идеальный процесс охлаждения воздуха (i-d диаграмма).

Охлаждение воздуха приводит сначала к понижению его температуры без изменения влагосодержания (процесс 1-2) до линии относительной влажности 100 %. Затем из воздуха выделяется конденсат, влагосодержание воздуха уменьшается по линии 100 % влажности (процесс 2-3) до температуры теплообменной поверхности (кипения фреона). 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 1-2-3, смешивается с воздухом, находящимся далеко от теплообменной поверхности. Процесс смешивания проходит по линии 1-3 и 1а - точка смеси. Затем снова малая часть смешанного воздуха охлаждается по линии 1а-2а-3. Таким образом, процесс охлаждения воздуха в местном кондиционере проходит по линии смешивания 1-3, направленной от точки параметров внутреннего воздуха (1) на входе во внутренний блок до точки пересечения температуры кипения фреона с линией 100 % влажности (3). Очень часто эту прямую используют для построения процессов охлаждения воздуха. Однако и данный процесс отличается от реального процесса охлаждения внутреннего воздуха в местном кондиционере. Но, несмотря на некоторую идеализированность, область 1-2-3 дает 100 % охват всех возможных процессов охлаждения и осушения воздуха, происходящих в любом местном кондиционере.

На процесс охлаждения по линии 1-3 влияют следующие факторы. При охлаждении воздуха внутренним блоком только часть поверхности кондиционера имеет температуру кипения фреона +5 ˚С (теплообменник). Внутренняя поверхность корпуса кондиционера и дренажный поддон имеют 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 (рис. 3, процесс 1а-1б).

Рис. 3. Процесс адиабатного увлажнения и охлаждения воздуха (1а-1б).

Другим фактором, влияющим на процесс охлаждения, является турбулентность потока внутреннего воздуха. Этот фактор приводит к тому, что не все элементарные частицы успевают охлаждаться до температуры теплообменника. Поэтому процесс смешения происходит не только между точками 1-3, но и по линиям 1-2, 1-2а, 1-2б, 1-2в и т.д. (рис. 4).

Рис. 4. Процессы смешения воздуха (1-3-1а, 1-2б-1в, 1-2-1б и т.д.).

Это так же приводит к смещению линии обработки воздуха вправо. Таким образом, реальный процесс охлаждения воздуха местными кондиционерами (внутренними блоками) всегда принадлежит области 1-2-3 и имеет вид кривой, соединяющей точки 1 и 3 (рис. 5).

Рис. 5. Кривая процесса охлаждения и осушения воздуха в местном кондиционере (1-3).

Начальная точка процесса охлаждения (1) совпадает с параметрами внутреннего воздуха. Параметры воздуха на выходе из местного кондиционера 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. Например, процесс 1-3а условно состоит из процесса 1-2а – охлаждение внутреннего воздуха без изменения его влагосодержания (явное тепло) и процесса 2а-3а – осушение воздуха без изменения его температуры (скрытое тепло). Поэтому у любого местного кондиционера есть явная составляющая его мощности, которая тратится на поддержание требуемой температуры внутреннего воздуха, и скрытая составляющая, которая тратиться на осушение кондиционируемого воздуха. Как следует из рисунка 5 угол наклона касательной к кривой процесса охлаждения и прямой постоянного влагосодержания при понижении температуры воздуха на выходе из местного кондиционера увеличивается. 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 [2].

Характеристики внутренних блоков VRF систем серии  S GENERAL

Рис. 6. Внутренний блок настенного типа VRF GENERAL.

Исходя из рис. 5 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.

Определим теперь относительную влажность внутреннего воздуха в кондиционируемых помещениях. Во первых, если мы проведем прямую по линии  постоянного влагосодержания через точку 3, то линии оптимальных температур 20 ˚С и 25 ˚С будут пересекать данную прямую в точках с 40 % и 30 % влажностью (рис. 4). Отсюда важный вывод: внутренние блоки VRF систем не могут понизить относительную влажность внутреннего воздуха ниже 30 %. Это вытекает непосредственно из температуры кипения хладагента +5 ˚С и стремлении процесса охлаждения к точке 3 i-d диаграммы.

Как уже отмечалось выше, относительная влажность помещений при VRF кондиционировании зависит не только от параметров внутреннего блока, но и от характеристик помещения, а именно луча процесса (углового коэффициента) ассимиляции тепло и влагоизбытков помещения:

Где

 - разница энтальпий между начальным и конечным состоянием процесса, кДж/кг.

- разница влагосодержаний между начальным и конечным состоянием процесса, г/кг.

- полные тепловыделения в помещении, Вт.

- влаговыделения в помещении, г/с.

Для офисных помещений, как наиболее часто использующих VRF системы, луч процесса принимает значения от 5000 до 15000 кДж/кг. Причем, чем выше относительная влажность в помещении, тем больше влаги уходит с вытяжным воздухом, тем больше луч процесса и меньше нагрузка на систему кондиционирования.

В качестве примера произведен расчет относительной влажности офисного помещения с двумя внутренними блоками одинаковой номинальной холодопроизводительности 2,8 кВт и разным расходом внутреннего воздуха 600 м³/ч – первый вариант и 480 м³/ч – второй вариант (рис. 7).

Рис. 7. Процессы охлаждения воздуха и относительная влажность в помещениях при различных характеристиках внутренних блоков.

Относительная влажность помещения при использовании внутреннего блока с производительностью 600 м³/ч будет всегда выше (в пределах оптимальных значений), чем при использовании внутреннего блока с производительностью 480 м³/ч. На рис. 7 относительная влажность составила соответственно 55% и 43%. Расходы холода для поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха 25 ˚С в первом варианте составили 1,8 кВт, во втором варианте 2,1 кВт.

Однако 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 [3]. 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 от температуры.

Рис. 8. Зависимость энтальпии внутреннего воздуха от его относительной влажности и температуры.

Если за точку отчета принять энтальпию внутреннего воздуха, то например, ощущения теплового комфорта при температуре внутреннего воздуха 25 ˚С и относительной влажности 40% будут аналогичны, если температуру воздуха опустить до 23 ˚С, а относительную влажность поднять до 50% (рис. 8).

Выводы.

1. Процесс обработки воздуха внутренним блоком VRF системы в режиме охлаждения на i-d диаграмме можно изобразить в виде кривой, соединяющей точку параметров внутреннего воздуха (1) с точкой пересечения линии относительной влажности 100 % и линии температуры кипения хладагента (3).
2. Относительная влажность внутреннего воздуха не может понизиться ниже 30% при VRF кондиционировании помещений.
3. Чем больше удельный расход воздуха (м³/ч*кВт) внутреннего блока, тем больше доля явной производительности по холоду системы кондиционирования.
4. Чем больше доля явной производительности по холоду внутреннего блока VRF системы, тем выше относительная влажность в помещении (в пределах оптимальных значений).

Литература.

1. Сотников А.Г. Современные автономные кондиционеры (теория, оборудование, проектирование, испытание, эксплуатация). СПБ. 2004.
2. FUJITSU GENERAL LIMITED. Variable Refrigerant Flow System. Multi Air Conditioning System for Buildings. Technical data. 2004.
3. Fanger P. O. Thermal comfort; Analysis and Application in Environmental Engineering. McGraw-Hill Book Company, N.Y., 1973.