سیستم های دبی متغیر سیال (vrf)

سیستمهای پمپ گرمایی مولتی اسپیلیت، که در آنها از چند واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی استفاده می شود، از یک فناوری مناسب برای ساختمانهای مسکونی و تجاری سبک به سیستمهای با جریان متغیر مبرد یا VRF متحول شده اند که می توانند تهویه مطبوع موثری را برای ساختمانهای تجاری بزرگ فراهم نمایند. سیستمهای VRFدر آسیاو اروپا از محبوبیت زیادی برخوردارند... و با حمایت فزاینده ای که از سوی سازندگان آمریکایی و آسیایی صورت می گیرد، کاربرد این فناوری در ساختمانهای تجاری چند منطقه ای (مولتی زون) مورد توجه واقع شده است. در فناوری VRF از کنترلهای هوشمند یکپارچه، محرکهای سرعت متغیر (VSD)، لوله کشی مبرد، و بازیابی گرما برای تولید محصولاتی استفاده می شود که واجد ویژگیهایی از قبیل راندمان بالای انرژی انعطاف پذیری عملکرد، سهولت نصب، و کنترل منطقه هستند.

این مقاله به بررسی فنّاوری سیستم VRFپرداخته و مواردی همچون وضعیت بازار، ویژگیهای فناوری، نحوه عملکرد، و کاربردهای آن را مورد بحث قرار می دهد.

وضعیت بازار سیستمهای VRF

محصولات تهویه مطبوع بدون کانال که پیشگام مولتی اسپیلیت و VRF محسوب می شوند، اولین بار در دهۀ 1950 در ژاپن به صورت سیستمهای اسپیلیت با واحدهای داخلی و واحدهای خارجی مجزا عرضه شدند. این محصولات بدون کانال به عنوان جایگزین های کارآمدتر و کم صداتر واحدهای پنجره ای طراحی شدند. این واحدها که به نام سیستمهای مینی اسپیلیت هم شناخته می شوند از محصولات قدیمی تر که از مبرد R-22 استفاده می کردند به محصولات با مبرد R-407C و محصولات فعلی با مبرد R-410Aتکامل یافته اند.

پیشرفتی که صورت گرفت این بود که سیستمهای مینی اسپیلیت (یک واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی) به محصولات مولتی اسپیلیت تبدیل شدند به طوری که تعداد واحدهای داخلی متصل به یک واحد خارجی در اواخر دهه 1980 به 4 تا 8، در اوایل دهه 1990 به 16 واحد، و در سال 1999 به 32 واحد افزایش یافت.

در فنّاوری VRF کنونی از موتورهای با مبدل جریان (کموتاتور) الکترونیکی (ECM)، کمپرسورهای پیچی با محرک معکوس گر، کمپرسورهای چند تایی، پیکربندی های چند کاره، مداربندی پیچیده مبرد و روغن، برگشتها، و کنترلهایی استفاده می شود که اجازه می دهند تا 60 واحد داخلی یا بیشتر به صورت متصل به یک واحد خارجی کار کنند.

محصولات بدون کانال و مولتی اسپیلیت اغلب سیستمهای ساخته شده در کارخانه در نظر گرفته می شوند که با محصولات سنتی یکپارچه رابت می کنند، ضمن این که بعضی از سازندگان VRF سیستمهای VRF خود را به نحوی طراحی کرده اند که به عنوان جایگزین سیستمهایی از قبیل چیلرها نیز به کار می روند. در ایالات متحده میزان فروش کلی محصولات بدون کانال، مولتی اسپیلیت، و VRF در سال 2007 حدوداً 250000 واحد بود.

اما میزان فروش در ژاپن (جایی که ایده VRF شکل گرفت) و سایر قسمتهای آسیا بالاتر بوده است. در اروپا که بسیاری از ساختمانهای موجود فاقد تهویه مطبوع هستند، موقعیتهای بهسازی نیز تقاضای بالایی را برای این محصولات ایجاد کرده است.

محصولات بدون کانال در اوایل دهه 1980 به بازار ایالات متحده وارد شدند اما نفوذ آنها در بازار بسیار کم بود که علت آن عدم پشتیبانی سازندگان ژاپنی و ناآشنایی با این فنّاوری بود. در آن زمان موضوع تحلیل لایه ازن نگرانی های زیادی ایجاد کرده بود و مسئله شارژ بالای مبرد سیستمهای مولتی اسپیلیت احتمالاً یک جنبه منفی برای این سیستمها به شمار می آمد. اما از آن زمان، پیشرفتهایی که در زمینه مبردها، مدیریت شارژ مبرد، کنترلها، و فناوری معکوس گر صورت گرفته اند، باعث شده اند که این سیستمها تحول پیدا کنند. سازندگان آسیایی طی چند سال گذشته به طور مستقل یا با مشارکت سازندگان آمریکایی مجدداً به بازار ایالات متحده وارد شده اند تا به ترویج این فناوری کمک کنند. در سال 2007 حدوداً 10000 سیستم VRF در ایالات متحده به فروش رسید.

یکی از بارزترین علائم پذیرش بازار فناوری VRF این است که در بازسازی ساختمان دفتر مرکزی ASHRAE در آتلانتا از فناوری VRF مولتی اسپیلیت شامل پمپهای گرمایی زون بندی شده با محرک معکوس گر سیستم بازیاب حرارت استفاده شده است.

چگونگی VRF کار می کند؟

سیستمهای مولتی اسپیلیت متشکل از چند واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی می باشند. محصولات بدون کانال اساساً با سیستمهای کانالی تفاوت دارند زیرا در آنها انتقال گرما به یا از فضا مستقیماً توسط چرخش مبرد در واحدهای داخلی (اواپراتور یا کندانسور) مستقر در داخل یا نزدیک فضای تحت تهویه مطبوع صورت می گیرد (واحدهای داخلی وقتی که در وضعیت سرمایش هستند به عنوان اواپراتور؛ و هنگامی که در وضعیت گرمایش هستند به عنوان کندانسور عمل می کنند.) در مقابل، در سیستمهای سنتی، انتقال گرما از مبرد به فضا توسط گردش هوا (در سیستمهای کانالی) یا آب (در چیلرها) در سراسر ساختمان انجام می شود.

سیستمهای VRF انواع پیشرفته ای از سیستمهای مولتی اسپیلیت بدون کانال هستند که اجازه می دهند واحدهای داخلی بیشتری به هر واحد خارجی متصل شوند و امکانات اضافه ای از قبیل گرمایش و سرمایش همزمان و بازیابی گرما را نیز فراهم می کنند. سیستمهای پمپ گرمایی مولتی اسپیلیت گرمایش در تمام واحدهای داخلی، یا سرمایش در تمام واحدها را امکان پذیر می سازند؛ نه گرمایش و سرمایش همزمان. اما سیستمهای VRF امکان گرمایش و سرمایش همزمان و همچنین بازیابی گرما جهت کاهش مصرف انرژی طی فصل گرمایش را فراهم می کنند.

طی 15 سال گذشته، این فناوری در چندین زمینه متحول شده است که عبارتند از:

کمپرسورهای استاندارد به کمپرسورهای پیچی با محرک معکوس گر و یا VRF (محرک فرکانس متغیر) تبدیل شده اند.
بادزنهای خارجی با محرک مستقیم به بادزنهای با محرک معکوس گر و یا VRF تغییر یافته اند.
موتورهای کویل داخلی با محرک مستقیم به موتورهای جریان مستقیم یا نوع ECM تبدیل شده اند.
واحدهای داخلی ظرفیت متغییر
سطوح تبادل حرارت بهتر با کویلهای چند بخشی
بهبود کنترلها و ادوات تشخیص و عیب یابی
R-22 به R-410Aتبدیل شده است.
مدیریت بهتر روغن و شارژ مبرد
از سایر تحولات می توان به اضافه شدن واحدهای کانالی توکار و آرایشهای کاستی سقفی به واحدهای سنتی دیواری اشاره کرد. لوله کشی مبرد با طول بیش از 200 فوت امکان پذیر می باشد و واحدهای خارجی نیز با اندازه های تا Btuh 240000 موجودند.

شکل 2 یک واحد خارجی و چند نوع واحد داخلی متصل به آن را در یک سیستم پمپ گرمایی VRF نشان می دهد. انواع آرایشهای واحدهای داخلی عبارتند از : دیواری، کفی، کاستی سقفی، و کانالی توکار.

عبارت VRF به توانایی سیستم در کنترل مقدار مبرد جاری به هریک از اواپراتورها اشاره می کند که این، استفاده از تعداد زیادی اواپراتور با ظرفیتها و آرایشهای متفاوت، کنترل انفرادی آسایش، گرمایش و سرمایش همزمان در زونهای مختلف، و بازیابی گرما از یک زون برای زون دیگر را امکان پذیر می سازد. اکثر کندانسورهای VRF برای کنترل جریان مبرد به اواپراتورها از محرکهای فرکانس متغییر (VRF) استفاده می کنند. کنترل جریان مبرد منشأ بسیاری از مزایای سیستمهای VRF است ضمن این که چالش فنی اصلی این سیستمها نیز به شمار می رود.

در اکثر موارد، هنگامی که کلیه زونهای ساختمان طی یک دوره عملیاتی به سرمایش و یا همه آنها به گرمایش نیاز داشته باشند، می توان سیستمهای دو لوله ای را به طور موثر در سیستمهای پمپ گرمایی VRF مورد استفاده قرار داد. اما موقعی که طی یک دوره عملیاتی، بعضی از فضاهای ساختمان باید خنک و برخی دیگر باید گرم شوند، سیستمهای سه لوله ای (یک لوله گرمایشی، یک لوله سرمایشی، و یک لوله برگشت) بهترین کارایی را خواهند داشت (این وضعیت اغلب در زمستان و در ساختمانهای با اندازه متوسط تا بزرگ که دارای یک بخش مرکزی قابل توجه هستند، اتفاق می افتد). البته یکی از سازندگان یک سیستم دو لوله ای عرضه کرده که می تواند گرمایش و سرمایش همزمان و همچنین بازیابی گرما را تأمین کند.

بازیابی گرما را می توان با انتقال حرارت بین لوله هایی که مبرد را برای واحدهای سرمایشی و گرمایشی تأمین می کنند، انجام داد. یک راه، استفاده از مبدلهای حرارتی است تا گرما را از واحدهایی که در وضعیت سرمایش هستند استخراج کرده و آن را به مبرد ورودی به زون تحت گرمایش انتقال دهند. محصول ارائه شده توسط یکی از سازندگان ابتدا مبرد را به واحدهایی که نیاز به گرمایش دارند ارسال می کند؛ اجازه می دهد که مبرد چگالیده شود؛ آن را در یک نقطه مرکزی جمع می کند؛ و سپس آن را به اواپراتورهایی که سرمایش را انجام می دهند ارسال می کند. اکثر سازندگان دارای یک طرح اختصاصی برای لوله کشی و عملکرد سیستم بازیاب گرما هستند و برای این منظور از آرایشهای شیرگذاری، مبدلهای حرارتی، کنترلها، رسیورها، و جعبه های توزیع خاصی استفاده می کنند.

تهویه را به چند طریق می توان با سیستم VRF یکپارچه نمود. یک واحد داخلی اختصاصی VRF را می توان در یک آرایش کانالی جهت مطبوع کردن هوای تهویه مورد استفاده قرار داد. همچنین می توان یک سیستم تهویه و واحد مطبوع کننده مجزا را با استفاده از فناوری سنتی نصب کرده و عملکرد سیستم VRF را به هوای باز چرخشی منحصر نمود. بعضی از واحدهای VRF هم از این قابلیت برخوردارند که مقداری از هوای خارج را به دست گرفته و تأمین نمایند. آوردن هوای خارج به داخل اتاق و سپس مطبوع کردن آن با VRF توصیه نمی شود به استثنای آب و هواهای خشک که در آنها چگالش، مشکلات رطوبتی را ایجاد نخواهد کرد. از وانتیلاتورهای بازیاب گرما نیز می توان استفاده نمود تا بارهای سرمایی وارده بر واحدهای VRF را کاهش دهند.

هر دو نوع سیستمهای آب خنک و هوا خنک موجودند؛ همچنین سیستمهایی که با واحدهای ذخیره سازی یخ یکپارچه شده اند.

چه کارایی را باید از این سیستم انتظار داشت؟

یکی از سازندگان VRF هزینه های نصب و راهبری را در 14 ساختمان واقع در ایتالیای مرکزی/شمالی مورد مقایسه قرار داد. در سال 1998، در هفت تا از این ساختمانها سیستم چیلر/دیگ و در هفت ساختمان دیگر سیستم VRF (که برای تأمین گرمایش در دمای تا Cº20-طراحی شده بود) نصب شدند. سیستمهای VRF در دوره مورد بررسی 35% انرژی کمتری مصرف کردند و 40% هزینه های نگهداری پایین تری داشتند. البته همانطور که توسط سازندگان عنوان شده، قیمت تجهیزات برای سیستمهای VRF بالاتر از سیستمهای مبتنی بر چیلر است اما این هزینه اضافی توسط هزینه های پایین تر نصب برای سیستمهای VRF جبران می شود.

اطلاعات به دست آمده از یکی دیگر از سازندگان نشان می دهد که سیستمهای VRF می توانند 30% تا 40% انرژی مصرفی توسط یک سیستم سرمایش 200 تنی مبتنی بر چیلر را در یک ساختمان تجاری صرفه جویی کنند. همین اطلاعات حاکی از آن است که هزینه تجهیزات نصب شده در یک سیستم VRF حدوداً 8% بیشتر از یک چیلر آب خنک و 16% بیشتر از یک چیلر هوا خنک خواهد بود. با ترکیب پیش بینی های مصرف انرژی و هزینه تجهیزات نصب شده برآورد می شود که دوره استهلاک هزینه سیستم VRF در مقایسه با یک چیلر هوا خنک تقریباً 5/1 سال و در مقایسه با یک چیلر آب خنک حدوداً 8 ماه باشد.

یکی دیگر از تحقیقات، صرفه جویی 38 درصدی را در مقایسه با یک سیستم VAV پشت بامی نشان داد، البته در این تحقیق یک سیستم VRF جدید با سیستم VAV پشت بامی موجود مورد مقایسه گرفت. نتایج شبیه سازی برای آب و هوای برزیل، صرفه جویی 30 درصدی در تابستان و 60 درصدی در زمستان را نشان دادند. پیش بینی می شود که در ایالات متحده صرفه جویی ها بین 5 تا 15 درصد خواهند بود.

طی یکی دیگر از تحقیقات مدلسازی که در آن سیستم VRF با نسخه ای از نرم افزار Energy Plus مورد شبیه سازی قرار گرفت، مشخص شد که در یک ساختمان اداری 10 طبقه در شانگهای، یک سیستم VRF بیش از 20% در مقایسه با یک سیستم متشکل از فن کویل و هوای تازه، در مصرف انرژی صرفه جویی می کند.

هزینه های تجهیزات و نصب آنها وابستگی بالایی به نوع کاربرد، ساختار، و طرح ساختمان دارند و این که آیا نصب در ساختمان جدید صورت می گیرد یا این که در ساختمان موجود و به منظور بهسازی انجام می شود. عدم آشنایی پیمانکاران آمریکایی با این فناوری، هزینه های سیستم VRF را افزایش خواهد داد. هزینه های کلی( هزینه تجهیزات و نصب آنها) برای سیستمهای VRF احتمالاً 5% تا 20% بالاتر از سیستمهای آب سرد با ظرفیت مشابه خواهند بود.

بنا بر اظهار یکی از سازندگان، هزینه سیستمهای VRF تقریباً30% تا 50% بیشتر از سیستمهای کانالی پکیج هم ظرفیت با SEER برابر 13 تا 14، و بیش از دو برابر واحدهای ترمینالی پکیج است. این اظهارات ممکن است جالب باشند اما به اندازه مقایسه VRF و چیلر، در صورتی که سازندگان VRF محصولات خود را به عنوان جایگزین چیلر طراحی کنند، اهمیت ندارند.

هزینه و مصرف انرژی سیستمهای VRF شدیداً وابسته به نوع کاربرد بوده و باید با تجزیه و تحلیل و انجام تستهای آزمایشگاهی و میدانی دقیق بر روی سیستمهای مولتی اسپلیت تعیین شوند.

بهترین کاربردها برای سیستمهای VRF کدامند؟

کاربردهای اولیه VRF در ساختمانهای تجاری در بر گیرنده تجهیزات کامپیوتری از قبیل مراکز داده جدید و وضعیتهایی است که به سرمایش موضعی نیاز باشد. بناهای تاریخی نیز از حداقل تغییرات و اصلاحات لازم برای افزودن یک سیستم VRF منتفع شده اند. وضعیتهای بهسازی که مستلزم افزایش یا ارتقای تهویه مطبوع فضا باشند نیز کاربردهای خوبی برای سیستمهای بدون کانال محسوب می شوند زیرا کانال کشی اضافی مورد نیاز برای تهویه را می توان با سیستمهای VRF در مقایسه با سیستمهای کانالی به حداقل رساند.

سایر کاربردهای مناسب برای سیستمهای VRF جاهایی هستند که تهویه مطبوع تفکیک شده و تأمین آسایش شخصی یک مزیت باشد؛ از قبیل ساختمانهای اداری، پاساژها، هتلها و متلها، بیمارستانها و آسایشگاهها نیز کاندیداهای خوبی به شمار می روند زیرا سیستم VRF اجتناب از اختلاط هوا در زونها را آسان می سازد. در بانکها نیز به لحاظ ایمنی استفاده از این سیستم مطلوب می باشد زیرا به خاطر کوچک تر شدن قطر شبکه کانال، مسیرهای مخفی ورود به بانک به حداقل می رسند. حتی در مدارس که اغلب به لحاظ اشغال بالا به 100% هوای خارج نیاز دارند نیز می توان از واحدهای VRF (همراه با وانتیلاتورهای بازیاب گرما) برای تأمین بار استفاده کرد. سیستمهای VRF همچنین در خانه های لوکس تک خانوار و نیز آپارتمانها و ساختمانهای مسکونی چند خانواری قابل استفاده اند.