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 دمای 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.

سیستم‌های VRF گرمایش و سرمایش را از طریق مبردهایی که مستقیم از پمپ‌های حرارتی با منبع هوا یا آب به فن کویل های هر زون ساختمان انتقال می‌دهند، تأمین می‌کنند. سرعت متغیر سیستم‌های VRF با استفاده از فناوری‌های کنترل پیچیده اجازه ارسال مقدار مبرد را به هر زون که جداگانه تنظیم می‌شود و هماهنگ با بارهای متنوع و متغیر فضاست، می‌دهد. اجزای کلیدی یک سیستم VRF ، دستگاه بیرونی که اغلب یک دستگاه کندانس است، دستگاه داخلی، مبرد و در صورت امکان دستگاه بازیابی گرما هستند (شکل 1). دستگاه اصلی گرمایش و سرمایش یک سیستم VRF معمولاً پمپ حرارتی با منبع آب یا هوا است.

مزیت اصلی سیستم‌های VRF صرفه‌جویی در انرژی است که می‌تواند از 0.20 دلار به ازای هر فوت مربع تا 0.40 دلار به ازای هر فوت مربع از سطح ساختمان باشد. سیستم‌های VRF به چهار طریق در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کنند:

1. توزیع گرمایش و سرمایش با استفاده از مبرد به‌ جای هوا
2. فن‌ها و کمپرسورهای با سرعت متغیر
3. حذف بازگرمایش هوا با تأمین گرمایش و سرمایش لازم صِرف
4. بازیابی گرما از نواحی سرمایش به نواحی گرمایش در بعضی سیستم‌ها

یک مزیت اضافی سیستم‌های VRF، اندازه کوچک آن‌ها مخصوصاً برای کاربردهای بازسازی با فضای کم برای کانال‌کشی است. این دستگاه‌ها در پروژه‌های ساختمانی جدید به فضای کمتری نیاز دارند و سطح کمتری اشغال می‌کنند. کنترل دمایی دقیق آن‌ها نیز امکان افزایش آسایش ساکنین را فراهم می‌سازد. مانع اصلی برای اجرای بیشتر VRF، تصور عموم از یک مزیت هزینه‌ای در برابر سیستم‌های با راندمان کمتر است.

VRF با منبع هوا

آنالیز

برای بیان ملاحظات طراحی کلیدی، ما مدلی ابداع کردیم که مصرف انرژی و هزینه‌های برق مربوطه یک سیستم VRF با منبع هوا را در شرایط مختلف پیش‌بینی می‌کند. مدل در درجه اول اجزای سیستم را بررسی می‌کند:

دستگاه‌های بیرونی (گرمایش یا سرمایش). بارهای ساختمان همراه با راندمان سرمایش و گرمایش دستگاه بیرونی، مصرف برق دستگاه بیرونی را تعیین می‌کند. ظرفیت گرمایش و راندمان دستگاه‌های بیرونی وابستگی زیادی به شرایط هوای محیط دارند. شکل 2 راندمان گرمایش را به‌صورت تابعی از دمای حباب خشک و تر دستگاه VRF یک سازنده نشان می‌دهد. شکل این منحنی بر نتایج این آنالیز تأثیر می‌گذارد. عملکرد گرمایش به‌ واسطه الزامات یخ‌زدایی بین 0 و 35 درجه فارنهایت (17.8- تا 1.7 درجه سانتی‌گراد)، تحت تأثیر رطوبت یا دمای حباب‌ تر قرار دارد. این منحنی نسبت راندمان گرمایش واقعی به راندمان گرمایش اسمی را نشان می‌دهد. برای بیشتر فصل‌های گرمایش در یک اقلیم سرد، دستگاه تقریباً 30 درصد زیر راندمان گرمایش اسمی خود کار می‌کند. با این وجود، در دماهای بسیار سرد (کمتر از 10- درجه فارنهایت[23.3- درجه سانتی‌گراد])، نسبت به‌سرعت کاهش می‌یابد و در نتیجه افت شدیدی در راندمان گرمایش رخ می‌دهد. ظرفیت نیز به شیوه‌ای مشابه کاهش می‌یابد.

گرمایش تکمیلی. یک روش حداقل ساختن تأثیر دماهای پایین محیطی روی عملکرد VRF، گذاشتن دستگاه بیرونی در یک موتورخانه نیمه بسته نیمه گرم است. یک وسیله گرمایش مکمل، نقطه تنظیم دما را در موتورخانه حفظ کرده و مانع کاهش قابل‌توجه عملکرد دستگاه VRF می‌شود. یک توازن بین عملکرد بالای دستگاه VRF و مصرف انرژی بیشتر گرمکن مکمل وجود دارد.

موتورخانه نیمه بسته است چون وقتی دما گرم‌تر یا در حالت سرمایش است، باید بتواند از هوای محیط به‌عنوان یک منبع/چاهک حرارت استفاده کند. ما چندین استراتژی را برای کنترل این بخش آنالیز کردیم:

• لوورهای ثابت. بدون توجه به دمای حباب خشک هوای بیرون، لوورهای روی دیوار موتورخانه همیشه باز هستند و اجازه جریان آزاد هوا به دستگاه‌های بیرونی را می‌دهند.
• لوورهای متغیر. لوورها باز هستند و وقتی دمای حباب خشک هوای بیرون بیشتر از نقطه تنظیم دمای موتورخانه است، هوا آزادانه به دستگاه‌های بیرونی جریان می‌یابد. وقتی دمای حباب خشک هوای تازه کمتر از نقطه تنظیم دمای موتورخانه باشد، لوورها بسته هستند.
• استفاده از فن. وقتی دمای هوای تازه بیشتر از نقطه تنظیم دمای موتورخانه باشد، یک فن مکمل برای تحویل هوای کافی به دستگاه بیرون استفاده می‌شود. وقتی دمای حباب خشک هوای بیرون کمتر از نقطه تنظیم باشد، فن خاموش می‌شود. فن در این استراتژی مصرف انرژی خود را دارد.

ما از مدل برای کشف بسیاری از تصمیمات مختلف طراحی و تأثیرات آن‌ها روی انرژی و هزینه استفاده کردیم. نمونه پایه ما برای این ملاحظات طراحی یک ساختمان اداری 100000 فوت مربعی (9290 مترمربعی) در مادیسون ویسکانسین بود.

چیدمان موتورخانه

آنالیز ما نشان می‌دهد چیدمان مناسب موتورخانه دارای لوورهای قابل تنظیم و گرمای مکمل با گاز طبیعی است. جدول 1 نتایج را برای سه استراتژی توضیح داده‌شده و برای یک استراتژی بدون گرمای مکمل نشان می‌دهد. توجه کنید که این نتایج از یک نقطه تنظیم 10- درجه فارنهایت (23.3- درجه سانتی‌گراد) برای موتورخانه استفاده می‌کند که درست بالای نقطه‌ای است که در آن عملکرد گرمایشی این تجهیزات VRF به‌شدت افت می‌کند.

لوور متغیر کمترین میزان هزینه برق سالانه و EUI را در میان سه استراتژی توضیح داده‌شده دارد و بعد از آن نمونه لوور ثابت جای می‌گیرد. همچنین در جدول 1، ظرفیت گرمای مکمل مربوطه موجود است. نمونه لوور ثابت به‌منظور مطابقت با جریان هوای بالا در لوورها در زمانی که حباب خشک بیرون زیر نقطه تنظیم مناسب موتورخانه است، نسبت به سایر موارد به ظرفیت گرمای مکمل بالاتری نیاز دارد.

ما همچنین تأثیر نوع سوخت مکمل روی عملکرد سیستم را تعیین کردیم. استفاده از گرمای مکمل گازی به‌واسطه هزینه نسبتاً پایین گاز طبیعی، منجر به هزینه‌های سوخت سالانه کمتر می‌شود.