Вестник УКЦ АПИК: Современные технологии, применяемые в мультизональных системах кондиционирования

Постоянно растущие требования к уровню создаваемого комфорта, экономичности и экологичности мультизональных систем кондиционирования заставляют конструкторов непрерывно совершенствовать предлагаемое потребителю оборудование. Изменения затрагивают практически все составляющие климатической системы: применяются все более современные компрессоры, внедряются повышающие энергоэффективность технологии, повышаются напорные характеристики и в то же время снижаются массогабаритные показатели. В качестве примера на рис. 1 указаны модифицированные элементы в оборудовании Panasonic.

Компрессоры постоянного тока

Модернизация оборудования заключается в доработке практически всех элементов климатической установки
Рис. 1. Модернизация оборудования заключается в доработке практически всех элементов климатической установки
(изображение взято из технического каталога Panasonic)
Так как основным потребителем энергии в климатической технике является компрессор, то основная работа по энергосбережению сосредоточена именно вокруг него. Причем если ранее она заключалась во внедрении инверторных приводов, то сегодня — в улучшении алгоритмов работы инверторов, оптимизации алгоритмов системы управления, переходе на инверторы постоянного тока.

В частности, все представленные в 2013 году мультизональные системы кондиционирования компании Hitachi изготовлены по технологии DC Inverter, разработанной ею же. Благодаря переменной частоте вращения, регулируемой инверторным преобразователем, система кондиционирования способна достаточно быстро обеспечить заданную температуру воздуха в помещении. Производители обещают 30-процентную экономию электроэнергии без ухудшения уровня комфорта. В то же время применение электродвигателей постоянного тока позволяет на 10 % повысить эффективность оборудования.

В частности, в системах Hitachi Set Free использованы компрессоры с электродвигателем постоянного тока DC Inverter, которые отличаются повышенной эффективностью при вращении на частотах от 30 до 40 Гц. Именно в этом режиме компрессор работает большую часть времени.

Еще одна особенность данного оборудования — оптимизированная форма ротора, которая обеспечивает пониженную интенсивность электромагнитного излучения от компрессора.

Спиральные компрессоры с постоянной скоростью вращения использованы и в мультизональной системе Panasonic ECOi — до трех компрессоров в одном наружном блоке.

Применение инновационной технологии инжекции хладагента в компрессорах VRF-систем Samsung DVM улучшает характеристики оборудования при работе на обогрев. Инжекция паров — это технология двойного сжатия, заключающаяся в повторном впрыске парообразного хладагента среднего давления, поступающего из интеркулера пластинчатого теплообменника.

Кроме того, в Samsung DVM использован компрессор, обеспечивающий эффект двухступенчатого сжатия. Он всасывает хладагент и после второго сжатия под высоким давлением нагнетает его в систему. По оценкам производителей, эффективность сжатия при этом повышается на 16 %, за счет чего достигается значительная экономия электроэнергии.

Эта технология на 20 % повышает скорость циркуляции хладагента и производительность в режиме охлаждения и обогрева, позволяя достичь максимальной эффективности.

Двухроторные компрессоры постоянного тока использованы в оборудовании Toshiba (VRF-система SMMS-i). В SMMS-i снижены потери давления сжатия и трения благодаря оптимизации положения нагнетательного патрубка. Площадь поверхности магнитов ротора увеличена, а специальные прорези повышают эффективность и снижают шум двигателя. Вихревые потери в каждом двигателе уменьшены благодаря компактным магнитным роторам новой конструкции. Снижение давления пластины на ротор компрессора и силы трения увеличивает эффективность работы как двигателя компрессора, так и системы кондиционирования Toshiba SMMS-i в целом.

При этом оборудование Toshiba отличается весьма высокой точностью поддержания скорости вращения вала компрессора: 0,6 Гц для мультизональных систем SMMS и 0,1 Гц для SMMS-i.

Модификации в наружных блоках VRF-систем Daikin
Рис. 2. Модификации в наружных блоках VRF-систем Daikin:
1 — компрессор с синхронным бесщеточным инверторным двигателем постоянного тока;
2 — синусоидальный инвертор постоянного тока;
3 — инверторный двигатель постоянного тока для вентилятора;
4 — теплообменник E-pass
Дополнительные меры по увеличению коэффициента производительности при частичной загрузке наружного блока предприняты и в системах City Multi G5 (серия YJM) компании Mitsubishi Electric. Все модели YJM оснащены новыми компрессорами, в которых серьезной модификации подвергся электродвигатель. Статор нового двигателя изготовлен с использованием обмотки сосредоточенного типа, а также специальной структуры сердечника, которую в Mitsubishi Electric назвали «Poki Poki Core». Такая обмотка может быть уложена на сердечник в развернутом состоянии. За счет этого ее длина уменьшается, что, в свою очередь, приводит к снижению ее сопротивления. При этом сохраняется высокий коэффициент заполнения обмотки. Такой двигатель имеет повышенную эффективность в области низких и средних частот вращения вала, что чрезвычайно важно для мультизональных VRF-систем, значительную часть времени работающих с неполной загрузкой.

Компания Daikin в VRF-системах VRV IV анонсировала применение синхронного бесщеточного двигателя постоянного тока (рис. 2), который обеспечит значительное повышение эффективности по сравнению со стандартными инверторными двигателями переменного тока. Этому способствует одновременное использование двух различных форм крутящего момента (активной и реактивной) для выработки дополнительной мощности при малой величине электрического тока. Мощные неодимовые магниты, создающие большой крутящий момент, существенно улучшают энергосберегающие характеристики электродвигателей.

Кроме того, в наружные блоки VRV IV встроен синусоидальный инвертор постоянного тока, который позволяет создавать более гладкую синусоиду с целью обеспечения более плавного вращения и повышения КПД электродвигателя.

Битва за эффективность вентиляторов

Еще один энергопотребитель систем кондиционирования — вентиляторы, проектированию которых также уделяется особое внимание.

Схематичное объяснение повышения энергоэффективности за счет использования сабкулера
Рис. 3. Схематичное объяснение повышения энергоэффективности за счет использования сабкулера
(изображение взято из технических каталогов компании Hitachi)
Так, в VRF-системах Panasonic ECOi реализована новая конструкция с раструбом, быстро рассеивающая воздух, сокращая нагрузку на вентилятор. Меньшее сопротивление воздуха в результате позволяет уменьшить потребление электроэнергии. Кроме того, система способна подавлять турбулентность. Несмотря на то что используется высокоскоростной вентилятор, уровень шума остается очень низким.

Компания Daikin в вентиляторах наружного блока систем VRV IV использует инверторные двигатели постоянного тока, так как они обеспечивают существенное повышение эффективности эксплуатации по сравнению с обычными двигателями переменного тока, особенно при низких скоростях вращения вентилятора.

Инженеры компании Toshiba постарались оптимизировать расход воздуха и его скорость, одновременно понизив уровень шума, применив запатентованную конструкцию рабочего колеса вентилятора увеличенного диаметра (740 мм) с 4 лопастями, новую конструкцию защитной решетки и мощный электродвигатель. Улучшенное управление воздушными потоками позволило повысить энергетическую эффективность, а за счет увеличения статического давления вентилятора стало возможным обеспечить необходимый воздухообмен, в случае если наружные блоки установлены в помещении (например, на техническом этаже).

В системе Samsung DVM PLUS IV применяется бесщеточный электродвигатель постоянного тока. Он, по словам компании Samsung, на 35 % легче и на 39 % эффективнее обычного двигателя переменного тока.

Дополнительные элементы в холодильном контуре

Ряд производителей для повышения энергоэффективности внедряет в холодильный контур дополнительные элементы.

В частности, в системе Samsung DVM PLUS IV использован интеркулер типа «пластинчатый теплообменник». Благодаря ему, как говорят специалисты компании, удалось на 35 % увеличить теплопроизводительность по сравнению с традиционными кондиционерами Samsung с кожухотрубным интеркулером и на 50 % по сравнению с конкурирующими изделиями, оснащенными двухтрубным интеркулером.

В Hitachi Set Free для повышения энергоэффективности использован сабкулер (рис. 3). Сабкулер представляет собой теплообменник для дополнительного переохлаждения хладагента, установленный после конденсатора. За счет этого при той же потребляемой мощности генерируется большее количество холода и холодильный коэффициент повышается.

Аккумулятор хладагента увеличенного объема в системах Panasonic ECOi служит для поддержания надежной работы компрессора. Он позволил увеличить максимальную длину трубопровода и сократить потери давления хладагента, что, в свою очередь, способствует более эффективной работе системы.

Модернизация элементов управления

Иллюстрация недостатка хладагента в наиболее удаленных внутренних блоках и решение данной проблемы в системах SMMS-i
Рис. 4. Иллюстрация недостатка хладагента в наиболее удаленных внутренних блоках и решение данной проблемы в системах SMMS-i
(изображение взято из технических каталогов компании Toshiba)
В случае неисправности наружного блока Samsung DVM PLUS IV система автоматически диагностирует проблему и сохраняет данные за последние 30 минут работы. При условии использования дополнительного оборудования можно хранить годовой объем эксплуатационных данных, что значительно облегчает диагностику и ремонт.

Как известно, в VRF-системах, содержащих большое число блоков, в некоторых внутренних блоках образуется избыток хладагента, а в других — недостаток. При движении хладагента по трубам фреоновой трассы происходит потеря давления и утечка тепла. В результате этого в каждый блок может попадать отличное от необходимого количество хладагента. Иными словами, до дальних блоков хладагент может попросту не доходить, а расходоваться по пути (рис. 4). В Toshiba данную проблему попытались решить за счет интеллектуальной системы, которая непрерывно контролирует расход хладагента и проходное сечение вентилей PMV (PMV — вентиль расхода хладагента, имеет 1500 положений). Поток хладагента оптимизируется не только в каждом отдельном блоке Toshiba SMMS-i, но и в системе в целом. Благодаря этому SMMS-i поддерживает заданную температуру в каждом помещении даже при перепаде высот между ними до 40 метров.

Все инверторные системы Panasonic ECOi поддерживают технологию гибкого комплексного управления энергопотреблением Demand Response Management (DRM). С ее помощью можно запрограммировать 3 уровня потребления электроэнергии во время пиковых нагрузок. Это позволяет снизить годовой расход электроэнергии с минимальным ущербом для комфорта.

В системах City Multi G5 компании Mitsubishi Electric предусмотрена возможность выбора параметра оптимизации при работе системы в режиме нагрева. Для этого имеются два альтернативных алгоритма управления, в первом из которых происходит оптимизация теплопроизводительности, а во втором делается упор на достижение максимальной энергоэффективности. Выбор одного из вариантов производится с помощью DIP-переключателя на плате наружного блока. При активации алгоритма приоритета теплопроизводительности ее значение возрастает на 10 %, когда наружная температура становится ниже –5 °C.

Оптимизация процесса отделения масла

В системах Hitachi Set Free кожух высокого давления действует как маслоотделитель, снижая количество циркулирующего в холодильном контуре масла и улучшая эффективность теплообмена. Также он позволяет избежать попадания масла в кожух во время останова компрессора, не допуская разжижения и вспенивания масла при пуске.

У компании Panasonic для эффективного отделения масла использован центробежный сепаратор. Как результат — достигается уменьшение потерь давления хладагента.

Распределение масла из маслоотделителя между компрессорами в мультизональных системах кондиционирования Toshiba SMMS-I
Рис. 5. Распределение масла из маслоотделителя между компрессорами в мультизональных системах кондиционирования Toshiba SMMS-I
(изображение взято из технических каталогов компании Toshiba)
Система распределения масла в мультизональных системах Toshiba SMMS-I стабильно поддерживает необходимый уровень масла в компрессорах. Работающий в данный момент компрессор может получать хладагент и масло от других компрессоров и наружных блоков без дополнительного расхода электроэнергии (системы SMMS-i, SHRM-i) (рис. 5).

Другие особенности современных VRF-систем

Большое влияние на эффективность климатического оборудования оказывает процесс теплообмена. Этим объясняется внимание производителей к конструкциям конденсаторов и испарителей. Так, у оборудования Samsung увеличены размеры теплообменника в наружном блоке. Площадь теплообмена увеличена на 10 % за счет большего количества трубок.

Определенные изменения внесены и в теплообменное оборудование VRF-систем Mitsubishi Electric. Так, ранее в моделях серии YHM теплообменник имел трехрядную структуру, а в новой серии YJM — 2,5 ряда. Это обозначает, что 3-й ряд неполный — он занимает лишь половину площади теплообменника в верхней части блока. Новая конструкция позволила увеличить коэффициент энергоэффективности в режиме нагрева воздуха.

Компания Daikin в кондиционеры VRV IV внедрила теплообменник, получивший кодовое название «E-pass». Оптимизация расположения трубок хладагента предотвращает передачу тепла из секции перегретого газа в секцию переохлажденной жидкости, что способствует более эффективному использованию теплообменника.

Эффективность теплообменного аппарата в кондиционерах Hitachi при работе на обогрев повышена за счет применения нового типа пластин «Slitless fin».

Системы Hitachi IVX спроектированы так, чтобы обеспечить наибольший уровень комфорта для клиента даже в режиме оттайки, при котором кондиционер обогревает сам себя, практически не подавая тепло в помещение. Режим оттайки включается, только если в нем действительно есть необходимость.

Практически все производители выпускают оборудование в корпусах с антикоррозионной защитой. В частности, модели с антикоррозионной защитой от компании Panasonic предназначены для зданий, расположенных в прибрежной зоне и других местах, где соленый морской воздух может повредить наружный блок. Теплообменник и другие детали подвергнуты специальной обработке, которая делает их стойкими к неблагоприятным атмосферным воздействиям.

Следует отметить, что модели в антикоррозионном исполнении, как правило, производятся под заказ.

Интересные решения

Для внутренней установки в тех случаях, где невозможен монтаж снаружи здания, компания Hitachi разработала установки IVX Centrifugal, оснащенные центробежными вентиляторами DC Inverter.

Чтобы поддерживать нормальную работу системы зимой, снег, который покрывает наружный блок, необходимо счищать. Благодаря наличию функции автоочистки пользователям систем Samsung DVM не придется делать это вручную: наружный блок каждые 30 минут сам сдувает накопившийся снег.

Система управления VRV IV от компании Daikin обзавелась функцией I-Demand, включающей в себя датчик тока и не позволяющей превышать заданную величину энергопотребления. Следует предположить, что подобная будет полезна на объектах с ограничением подведенной электрической мощности.

Итоги: постоянное движение вперед

Подводя итоги, следует отметить очевидный факт: в климатической технике происходит постоянное движение вперед. Даже если не случается кардинальных изменений и существенных прорывов, существующие технологии модернизируются, оттачиваются и доводятся до совершенства: оптимизируются поверхности лопастей вентиляторов, улучшаются алгоритмы управления, ищется способ повысить энергоэффективность за счет перераспределения и отделения масла.

Следует обратить внимание, что все современные мультизональные системы поставляются с инверторными компрессорами. Причем компрессоры могут быть роторными или спиральными, в любом случае они работают от постоянного тока, двигатели переменного тока уходят в прошлое.

Кроме того, чтобы привлечь потребителя, производители внедряют дополнительные функции, которые повышают уровень комфорта, такие, как, например, очистка от снега у оборудования Samsung.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест