مأخذ: ماهنامه اشری – ژانویه 2017

…………

سیستم‌های جریان مبرد متغیر با منبع هوا (VRF) در اقلیم‌های معتدل سهم بیشتری از بازار را به خود اختصاص می‌دهند. با این وجود، آن‌ها در اقلیم‌های سرد زیاد اجرا نمی‌شوند، چون معمولاً آن‌ها در دماهای پایین محیط ظرفیت و راندمان خود را از دست می‌دهند. برای غلبه بر این مشکل، سیستم‌های VRF را می‌توان با یک منبع گرمای اضافی تکمیل کرد. همین‌طور می‌توان آن‌ها را به سیستم‌های منبع آبی یا زمینی که در معرض دماهای محیط نیستند ارتقا داد. درحالی‌که سؤالاتی در مورد نحوه انتخاب، طراحی و کار سیستم‌های VRF در اقلیم‌های سردتر برای رسیدن به عملکرد انرژی خوب و کاهش از دست رفتن ظرفیت وجود دارد، ما چندین استراتژی را تحلیل کردیم و نتایج و مشاهدات خود را در این مقاله آورده‌ایم.

نقطه تنظیم دمای مناسب موتورخانه

آنالیز ما نشان می‌دهد نقطه تنظیم موتورخانه برای عملکرد مناسب انرژی در دمای نزدیک اما کمی بالاتر از دمایی رخ می‌دهد که در آن راندمان و ظرفیت گرمایش سیستم VRF به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.

با فرض اینکه مقداری گرمای مکمل تأمین می‌شود، یک مسئله مهم برای مهندس طراح، نقطه تنظیم مناسب موتورخانه است. این دمای هواست که در آن وسیله مکمل فعال می‌شود، لوورها بسته می‌شوند و یا فن کمکی خاموش می‌شود. شکل 3 تأثیر این نقطه تنظیم کنترل روی هزینه بهره‌برداری را نشان می‌دهد. نقطه تنظیم مناسب برای این قطعه از تجهیزات VRF بین 15- درجه و 5 درجه فارنهایت (26.1- و 17.8- درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. مهندس باید سیستم را در این محدوده انتخاب کند؛ چراکه با توجه به‌اندازه گرمکن دستگاه و دستگاه‌های بیرونی، کمترین هزینه اولیه و هزینه نگهداری را دارد.

مهم‌ترین عامل مؤثر بر نقطه تنظیم موتورخانه برای عملکرد مناسب انرژی، منحنی عملکرد گرمایش دستگاه VRF است. نقطه تنظیم مناسب بر اساس منحنی مخصوص راندمان گرمایش برای سازنده‌ها و مدل‌های مختلف VRF بالاتر یا پایین‌تر خواهد بود.

استراتژی یخ‌زدایی

یخ‌زدایی تأثیر مهمی روی عملکرد و مصرف انرژی هر پمپ حرارتی با منبع هوا از جمله دستگاه‌های VRF با منبع هوا دارد. وقتی این دستگاه‌ها در حالت گرمایش هستند و رطوبت کافی در هوا وجود دارد، این رطوبت در بیرون کویل های دستگاه ، کندانس و منجمد می‌شود. سیستم‌های VRF معمولاً از یک چرخه معکوس موقت برای یخ‌زدایی استفاده می‌کنند که دستگاه را در جهت عکس به کار می‌اندازد تا کویل بیرون گرم و برفک‌ها آب شود.

دو روش رایج برای کنترل چرخه معکوس وجود دارد. ساده‌ترین روش ، یخ‌زدایی زمان‌بندی‌شده است که چرخه یخ‌زدایی را برای زمانی مشخص که دمای حباب‌ تر بیرون برای تشکیل برفک مناسب است، به کار می‌اندازد؛ اما یخ‌زدایی زمان‌بندی‌شده تنها بر اساس حباب‌ تر بیش از حد از چرخه معکوس استفاده می‌کند و منجر به مصرف انرژی بیشتر از حد لازم می‌شود.

یخ‌زدایی مورد نیاز یک روش پیچیده‌تر است که از یک سنسور برای تشخیص تشکیل برفک استفاده می‌کند ؛ تنها در زمان لازم چرخه یخ‌زدایی را به کار می‌اندازد. همان‌طور که در شکل 2 نشان داده‌شده، این روش بر راندمان دستگاه تأثیر می‌گذارد. آنالیز ما نشان داد استفاده از یک روش یخ‌زدایی مورد نیاز برخلاف روش زمان‌بندی‌شده حدود 4% صرفه‌جویی در مصرف انرژی VRF به همراه دارد.

مفروضات و آنالیز ما پیشنهاد می‌کند که طراحی موتورخانه‌ها برای مطابقت با دماهای انجماد مناسب است؛ بنابراین مهندس طراح باید اداره ذوب برفک در دماهای زیرانجماد را بررسی کند تا یخ در موتورخانه تشکیل نشود. یک درین عایق‌بندی شده متصل زیر تجهیزات دستگاه بیرونی احتمالاً بهترین راه‌حل است؛ به‌ هر حال از به‌ جا ماندن مقادیر زیادی گرما باید اجتناب کرد.

به‌ منظور افزایش راندمان گرمای مکمل، می‌توان از هیترهای کندانس به‌ عنوان منبع دیگر کندانس استفاده کرد. برای بیشتر اقلیم‌ها، دمای هوا در ساعات نسبتاً کمی زیر نقطه تنظیم مناسب دمای موتورخانه است، بنابراین افزایش راندمان هیترهای مکمل تأثیر زیادی ندارد و ممکن است هزینه و نگهداری بیشتری نداشته باشد.

نکاتی در مورد تعیین اندازه دستگاه‌های VRF برای گرمایش

برای این آنالیز، تمرکز اصلی ما چیدمان و کنترل دستگاه‌های بیرونی و تجهیزات مکمل برای VRF با منبع هوا در یک اقلیم سرد با توجه به هزینه‌های انرژی بود؛ اما این تصمیمات طراحی نیز بر ظرفیت تجهیزات لازم تأثیر می‌گذارد که روی هزینه اولیه نیز مؤثر خواهد بود.

برای نمونه پایه ما که یک‌ بار گرمایش پیک 2,400 MBtu/h (700 کیلووات) دارد، یک وسیله مکمل گازی باید تقریباً 1,450 MBtu/h (430 کیلووات) باشد. (هر دو عدد یک فاکتور ایمنی 25% برای گرمایش فرض می‌کند.) این معادل 15 Btu/h•ft2 (47 W/m2) برای استفاده پایه ماست. توجه داشته باشید که برق کمپرسورها به گرما تبدیل می‌شود و اختلاف بین اندازه هیتر دستگاه و بار گرمایش ایجاد می‌کند.برای همان نمونه پایه (بار گرمایش پیک 2,400 MBtu/h [700 kW])، دستگاه‌های بیرونی باید ظرفیت اسمی 3,600 MBtu/h (1050 kW) داشته باشند تا اگر ما هوای محیط به کمپرسور را با یک هیتر مکمل در 5 درجه فارنهایت (15- درجه سانتی‌گراد) نگه داریم، با بار مطابقت داشته باشد. اگر هیچ هیتر دستگاه مکملی نصب نمی‌شود و دستگاه باید بتواند در شرایط طراحی 11- درجه فارنهایت (24- درجه سانتی‌گراد) مادیسون کار کند و طراح تنها مطابقت با شرایط طراحی را انتخاب می‌کند، ظرفیت اسمی باید تا 4,000 MBtu/h (1170 kW) افزایش یابد. این افزایش 10 درصدی در اندازه دستگاه را نشان می‌دهد. نتایج تعیین اندازه در جدول 2 خلاصه می‌شود.

VRF با منبع آب

VRF منبع آبی گزینه‌ای برای اجتناب از قرار گرفتن تجهیزات در معرض دماهای سرد بیرون است . در این سیستم، کندانسینگ یونیت‌ها با یک لوپ آب‌ کار می‌کنند و همراه با یک کویل آب به مبرد در سمت آب می‌توانند تماماً داخل ساختمان جای‌گیرند . منبع گرما و سینک حلقه آب می‌تواند یک بویلر و کولر سیال، یک مبدل حرارتی زمینی یا هر حلقه سیال در ساختمان که بتواند گرما را تقسیم کند باشد . این روش بعضی چالش‌های طراحی و مسائل نگهداری مربوط به دستگاه‌های بیرونی در سیستم‌های VRF منبع هوا در اقلیم‌های سرد را از بین می‌برد .

حلقه آب و سینک/منبع گرما هزینه‌های اولیه را افزایش می‌دهد، اما هزینه‌های انرژی و نگهداری را در اقلیم‌های سرد کم می‌کند. افزودن یک مبدل حرارتی زمینی با جایگزینی تجهیزات کولر و بویلر با افزایش متوسط در انرژی پمپ کردن اجازه صرفه‌جویی‌های بیشتر را می‌دهد.

برای درک بهتر نتایج احتمالی انتخاب روش منبع آبی، ما دو سیستم VRF منبع زمینی را در شمال میدوست کنترل و ارزیابی کردیم. یک نمونه، ساختمان اداری چند واحدی سه‌ طبقه با مساحت 70000 فوت مربع (6500 مترمربع) در مادیسون ویسکانسین با 7 مستأجر بود. مالک/سازنده ساختمان تجربه VRF منبع هوایی در این اقلیم را داشت و منبع آبی را برای کاهش الزامات نگهداری و کنترل و بهبود عملکرد انرژی در این پروژه انتخاب کرد.

ساختمان دیگر در مینه پلیس یک بخش 5500 فوت مربعی (510 مترمربعی) از یک اداره متصل به یک ساختمان خدماتی بود. مالک ساختمان در کار زمین‌گرمایی بود و می‌خواست روش VRF منبع زمینی جدید را تست کند.

عملکرد

طبق پیش‌بینی، مبدل‌های حرارتی زمینی در دو ساختمان دماهای سیال متوسط برای کندانسینگ یونیت‌ها فراهم کردند. حلقه در ساختمان مادیسون دمای 40 تا 80 درجه فارنهایت (4 تا 27 درجه سانتی‌گراد) در سال را حفظ می‌کند، درحالی‌که لوپ اداره مینه پلیس دمای 50 تا 90 درجه فارنهایت (10 تا 32 درجه سانتی‌گراد) را نگه داشت. هر دو محدوده دمایی بسیار بالاتر از دماهای محیط کمی که با سیستم‌های منبع هوا در زمستان تجربه می‌شود هستند. علاوه بر اندازه‌گیری دما، ما دبی سیال و مصرف برق را در هر دو ساختمان اندازه‌گیری کردیم تا EER بهره‌برداری در سرمایش و COP در گرمایش را تعیین کنیم. وقتی دما و دبی سیال ورودی در شرایط منطبق با AHRI با دمای داخلی نزدیک AHRI مطابقت داشته باشد، عملکرد سیستم‌ها در جدول 3 نشان داده می‌شود.

سیستم مادیسون نزدیک به عملکرد رتبه‌بندی شرایط AHRI بود، کمی پایین‌تر در سرمایش و کمی بالا در گرمایش. سیستم مینه پلیس در سرمایش کاملاً در جایگاه پایین بود. با این وجود، مزیت راندمان انرژی اولیه سیستم‌های VRF تابعی از عملکرد پیک نبود. در عوض از عملکرد فصلی کل که با نسبت راندمان انرژی یکپارچه (IEER) اندازه‌گیری می‌شود، تبعیت می‌کرد. در این زمینه، هر دو سیستم تا حدی از انتظارات دور شد. شکل 4 COP بهره‌برداری در گرمایش و سرمایش در بارهای مختلف برای سیستم مادیسون را نشان می‌دهد. افزایش پیش‌بینی‌شده در عملکرد حالت میان باری ظاهراً برای این سیستم محقق نمی‌شود.

آنالیزهای ما اغلب به حالت تنها گرمایش یا تنها سرمایش سیستم (بر اساس وضعیت دستگاه در زمان اندازه‌گیری) محدود می‌شود. سیستم‌های VRF قادر به بازیابی گرما در گرمایش و سرمایش همزمان هستند که می‌توانند راندمان را افزایش دهند. اداره مادیسون تقریباً 0.1 kWh/ft2 (1.1 kWh/m2) صرفه‌جویی انرژی اضافی از بازیابی گرما نشان داد. بازیابی گرمای مستقیم تنها زمانی ممکن است که زون‌های گرمایش و سرمایش هر دو به یک دستگاه بازیابی گرما متصل باشند (شکل 1). آنالیز طراحی و سرمایش/گرمایش منطبق در ساختمان مادیسون پیشنهاد می‌کند تقریباً نیمی از این انرژی به‌واسطه اتصال محدود در سیستم مستقیماً در یک سال بازیابی می‌شود.

علاوه بر EER های مستند شده که شامل کمپرسور و انرژی فن داخلی (به ترتیب حدود 73 و 7 درصد انرژی گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) می‌شود، کل انرژی گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، انرژی پمپ (19 درصد انرژی گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) لازم برای حرکت آب و یک دستگاه هواساز هوای تازه مستقل (DOAS) برای تهویه فضا را نیز در برمی‌گیرد. در این سطح کل انرژی سیستم، ما با استفاده از مدل‌های انرژی، VRF منبع آبی را با سایر انواع سیستم‌ها مقایسه کردیم.