Кондиционеры бывают разными - бытовые и коммерческие, воздушного и водяного охлаждения. В статье сравниваются воздушные тепловые насосы с водяными, системы VRF и воздушные насосы двойного назначения.
Воздушный против водяного теплового насоса
Воздушный агрегат: использует воздух для отвода и подвода тепла, получая холодную и горячую воду.
Водяной агрегат: использует воду для отвода тепла, получая холодную воду.
1. Экономическое и техническое сравнение
Начальные затраты на воздушный агрегат несколько выше, чем на водяной, а расход энергии на единицу холода тоже чуть выше. Но годовые совокупные затраты примерно равны или чуть ниже водяных. Чем дольше годовая наработка, тем выгоднее воздушный агрегат, и срок окупаемости его дополнительных вложений короче. На затраты водяного агрегата сильно влияет расход подпиточной воды для градирни; снижение водопотребления при эксплуатации - главный способ их уменьшить.
Воздушные агрегаты подходят для небольших и средних систем в районах с дефицитом воды. При большей наработке они выгоднее, а годовые затраты ниже, чем у водяной системы. Но если водяная система хорошо управляется и подпитка - менее 3%, дополнительные вложения в воздушный агрегат окупаются с трудом.
2. Особенности водяного теплового насоса
1. Широкая область применения, невысокая стоимость.
2. Самая зрелая технология и самая распространённая система кондиционирования.
3. Источники холода и тепла обычно централизованы, эксплуатация и обслуживание удобны.
4. Высокий КПД охлаждения летом, высокий коэффициент энергоэффективности.
5. Меньшие начальные затраты; отсутствие изолированных труб заметно снижает расход материалов.
6. Меньше источников шума, чем у воздушного агрегата.
7. Низкие требования к машинному залу - достаточно обычной вентиляции.
8. Срок службы заметно больше, чем у воздушного агрегата.
9. Относительно небольшие габариты и площадь.
3. Особенности воздушного теплового насоса
1. Экономит воду, экологичен, оборудование используется эффективно.
2. Устанавливается снаружи, не нужен отдельный машинный зал, экономит площадь здания и строительные затраты.
3. Охлаждает летом и греет зимой, не нужна котельная; удобно для строительства и ландшафта.
4. Нет системы охлаждающей воды, градирни, насосов, трубопроводов и водоподготовки - экономия вложений и эксплуатации.
5. Зимой экономит электричество: тепловой насос расходует примерно на две трети меньше энергии, чем прямой электрообогрев.
6. Выпускается в нескольких исполнениях; малошумные агрегаты меньше влияют на окружение.
7. Защита и автоматика размещены в одном корпусе, агрегат надёжен, прост в установке и управлении.
8. Чем дольше работает, тем выгоднее; затраты на обслуживание низкие.
4. Выбор оборудования
Для центрального кондиционирования большого здания нет единой схемы; нужно учитывать местные условия. Какое бы оборудование ни выбрали, надо тесно координировать с архитектурой, конструкциями и прочими инженерными разделами. Главное в проектировании - исходить из реальной ситуации, учитывать все факторы и при технической возможности, надёжности и безопасности обеспечить лучшее использование и экономику, выполнить волю заказчика.
Водяные и воздушные агрегаты имеют свои особенности; выбор делают по условиям, площади, требуемой холодопроизводительности и региону. Чем здание больше, тем больше склоняются к водяному; чем меньше - тем к воздушному.
Воздушный насос - в основном для сухих районов с дефицитом воды; плюсы - экономия площади машзала и простота установки, но температура среды делает режим менее стабильным. Водяной - для районов с достатком воды, работает стабильно, но есть проблема защиты охлаждающей воды от замерзания, зимой это хлопотно. Одной градирни зимой на севере недостаточно для отопления, нужен водо- или грунтовый тепловой насос - у него лучше охлаждение и отопление, сейчас это лучший выбор. Воздушный насос на севере для отопления затруднителен, нужен электроподогрев воды.
На практике выбор делают так:
1. Там, где водопользование строго ограничено, однозначно предпочитают воздушный агрегат; конструкция здания должна обеспечить сечение вентиляции и нагрузку пола под агрегат и его теплообмен с воздухом.
2. Если по форме здания или условиям площадки нельзя ставить наружную градирню, систему проектируют под воздушный агрегат, согласуя с конструкциями несущую способность и вентиляцию.
3. При отсутствии таких ограничений предпочитают водяной агрегат; эта схема в отрасли распространена и освоена.
4. Для комбинированной схемы небольшой воздушный агрегат как дополнение к водяному - хорошее решение.
5. Обычно при больших нагрузках, большой холодопроизводительности или достатке воды выбирают водяной агрегат.
Воздушный насос против VRF (мультизональной системы)
1. Принцип
Центральная система на воздушном насосе. Теплоноситель - обычно водный раствор. Наружный блок готовит холодную или горячую воду и подаёт её по трубам к внутренним терминалам; там вода обменивается теплом с воздухом помещения, давая охлаждённый или нагретый воздух и снимая нагрузку. Холод и тепло вырабатываются централизованно, а нагрузка помещений обрабатывается локально.
Внутренний терминал - обычно фанкойл. Скорость вентилятора фанкойла (или расход воды через клапан) можно регулировать, задавая подачу в помещение, поэтому каждым помещением управляют отдельно, а энергоэффективность хорошая. Но распределение воды занимает часть монтажного пространства.
Система VRF. Система управления считывает параметры комфорта, наружные условия и состояние холодильного контура и по критериям оптимизации и комфорта регулирует производительность компрессора инвертором, управляет вентиляторами, электронными расширительными клапанами и всеми управляемыми узлами, удерживая комфорт и оптимальный режим. VRF регулирует расход хладагента во внутренние блоки для покрытия нагрузки - эффективная холодильная система. Применяют инверторный, многоступенчатый или с отгрузкой компрессор либо несколько компрессоров; нужен электронный расширительный клапан или вспомогательный контур для расхода хладагента; регулируют скорость вентиляторов. После освоения инверторов и ЭРВ VRF широко применяет инверторный компрессор и ЭРВ. Система работает при меняющихся условиях, её узлы взаимодействуют, состояние меняется, управление вовремя корректирует производительность - мягкое регулирование.
Вывод: воздушный насос передаёт тепло через воду (вторичный носитель) с потерями; VRF обменивается напрямую через хладагент без вторичного носителя, поэтому экономичнее.
2. Оборудование
1. Воздушная система: наружный блок плюс вспомогательное оборудование (насосы, расширительный бак) плюс фанкойлы плюс материалы и пусконаладка.
2. VRF: наружный блок плюс внутренние блоки плюс монтаж.
Вывод: разовые вложения VRF и воздушного насоса близки.
3. Эксплуатационные расходы
1. Воздушная система из-за шага водяного теплообмена включает наружный блок за 40 минут, а внутренний терминал за 10 минут до охлаждения помещения.
2. VRF достаточно включить внутренний блок за 10 минут.
4. Срок службы
Воздушный блок рассчитан примерно на 26000 ч, терминал - на 16000 ч, средний срок системы - около 21000 ч (без учёта срока воздуховодов и труб и их коррозии). Оборудование VRF рассчитано минимум на 30000 ч, до 40000 ч. Срок службы VRF в 1,4-1,9 раза больше водяной системы.
5. Обслуживание
Воздушная система кроме чистки фильтров требует периодической промывки фильтра наружного блока и удаления накипи в трубах, иначе растёт сопротивление и падает эффект; обслуживание хлопотное, нужна спецфирма. VRF требует только чистки фильтров - просто, можно делать самому. VRF заметно лучше по удобству и стоимости обслуживания.
6. Прочее
Воздушный блок использует крупный винтовой компрессор без инвертора, пусковой ток очень большой и влияет на сеть. Холодильный блок и котёл требуют отдельного машзала, занимая полезное пространство (обычно в подвале ради тишины).
VRF использует несколько мелких компрессоров и инвертор; пусковой ток всего 1 А и растёт плавно, на сеть не влияет. Наружный блок на крыше или на земле не занимает внутреннее пространство.
Вывод: VRF проще и гибче в использовании, чем воздушный насос.
Воздушный насос против воздушного насоса двойного назначения
Воздушные модули и агрегаты двойного назначения и греют, и охлаждают, но не одинаковы. Привлёкший внимание за два года агрегат воздушного отопления тоже отличается от воздушного модуля и агрегата двойного назначения. В статье разбор по трём пунктам: стандарт, расчётный режим, выбор узлов.
1. Разные стандарты на изделие
Таблица 1. Стандарты на изделия
Тип изделия | Воздушный тепловой насос для отопления | Воздушный тепловой насос двойного назначения | Воздушно-охлаждаемый модуль теплового насоса | |
Номер стандарта | Бытовой | GB/T 25127.2-2010 Воздушные тепловые насосы (водяные холодильные машины) для низких температур - Часть 2: агрегаты для бытового и аналогичного применения | GB/T 18430.2-2008 Парокомпрессионные водяные холодильные машины (тепловые насосы) - Часть 2: агрегаты для бытового и аналогичного применения | GB/T 18430.2-2008 Парокомпрессионные водяные холодильные машины (тепловые насосы) - Часть 2: агрегаты для бытового и аналогичного применения |
Коммерческий | GB/T 25127.1-2010 Воздушные тепловые насосы (водяные холодильные машины) для низких температур - Часть 1: агрегаты для промышленного или коммерческого и аналогичного применения | GB/T 18430.1-2007 Парокомпрессионные водяные холодильные машины (тепловые насосы) - Часть 1: агрегаты для промышленного или коммерческого и аналогичного применения | GB/T 18430.1-2007 Парокомпрессионные водяные холодильные машины (тепловые насосы) - Часть 1: агрегаты для промышленного или коммерческого и аналогичного применения |
Разные изделия следуют стандартам из таблицы.
1. Стандарты выше - только для справки, обычно их посылают на сторонние испытания. На практике заводы учитывают возможность радиаторного отопления, поэтому агрегат воздушного отопления и агрегат двойного назначения имеют температуру воды выше стандарта - 55 °C и выше; воздушный модуль обычно не выше 50 °C, поэтому не годится для радиаторного отопления.
Для агрегата двойного назначения рынок теперь делит по регионам на низко- и нормальнотемпературные; низкотемпературный тоже следует GB/T 25127.1 или GB/T 25127.2, нормальнотемпературный - таблице.
2. Разные стандарты расчётного режима
Таблица 2. Расчётные режимы (значения * зависят от завода)
Тип изделия | Воздушный тепловой насос для отопления | Воздушный тепловой насос двойного назначения | Воздушно-охлаждаемый модуль теплового насоса | ||
Расчётный режим | Сторона потребления | Отопление | Стандартная температура воды: 41 °C; макс.: 50 °C*; расход: 0,172 м³/(ч·кВт) | Стандартная: 45 °C; макс.: 50 °C*; расход: 0,172 м³/(ч·кВт) | Стандартная: 45 °C; макс.: 50 °C*; расход: 0,172 м³/(ч·кВт) |
Охлаждение | Стандартная: 7 °C; макс.: 15 °C; расход: 0,172 м³/(ч·кВт) | Стандартная: 7 °C; макс.: 15 °C; расход: 0,172 м³/(ч·кВт) | |||
Сторона источника (или стока тепла) | Отопление | Стандартная сухая температура: -12 °C; диапазон: 21 °C - -20 °C | Стандартная сухая: 7 °C; диапазон: 21 °C - -7 °C | Стандартная сухая: 7 °C; диапазон: 21 °C - -7 °C | |
Охлаждение | Стандартная сухая: 35 °C; диапазон: 21 °C - 43 °C | Стандартная сухая: 35 °C; диапазон: 21 °C - 43 °C |
По принципу все три следуют обратному циклу Карно. Агрегат воздушного отопления делает упор на низкотемпературное отопление - для этого применяют впрыск пара, переменную скорость компрессора, двухступенчатое сжатие или транскритический цикл. Завод выбирает технологию по своим возможностям, стоимости и рынку, чтобы поднять низкотемпературные показатели и m/p.
По той же логике агрегат двойного назначения и воздушный модуль из-за разных регионов и задач обычно используют одноступенчатый цикл Карно или переменную скорость; но для конкуренции могут взять и технологию отопительного агрегата. Все агрегаты следуют парокомпрессионному обратному циклу Карно.
Со зрелостью рынка понятия и технологии трёх изделий будут сближаться, но по регионам их по-прежнему делят на низко- и нормальнотемпературные.
По расчётному режиму агрегат воздушного отопления делает упор на отопление, что видно по эффекту и экономии против газовых, угольных и электрокотлов; поэтому в расчётах берут GB/T 25127.1 или GB/T 25127.2 с температурой -12 °C. Два других применяются шире - по ним берут GB/T 18430.1-2007 или GB/T 18430.2-2008 (допустимы и 25127), они в первую очередь учитывают охлаждение, а отопление - вспомогательно, при нехватке добавляют электрообогрев.
Агрегат двойного назначения в основном следует нормальному режиму; при низкотемпературном он переходит в группу отопительных.
По терминалам: воздушный модуль греет в основном фанкойлами, а агрегаты воздушного отопления и двойного назначения служат и фанкойлам, и полностью лучистому тёплому полу, поэтому к ним строже требования по режиму, температуре воды и точности; агрегат двойного назначения лучше сопротивляется высокому давлению, перепаду и температуре, чем воздушный модуль.
По электроавтоматике три изделия практически одинаковы и особых требований не имеют.
3. Разный выбор узлов
Таблица 3. Выбор основных узлов
Узел | Воздушный тепловой насос для отопления | Воздушный тепловой насос двойного назначения | Воздушно-охлаждаемый модуль |
Компрессор | Низкотемпературный компрессор с впрыском пара для тепловых насосов | Компрессор для тепловых насосов | Обычный кондиционерный компрессор |
Конденсатор | Пластинчатый, кожухотрубный или кожуховый теплообменник | Кожухотрубный теплообменник | Пластинчатый или кожухотрубный теплообменник |
Дросселирующий элемент | Электронный или терморегулирующий вентиль | Электронный или терморегулирующий вентиль | Электронный или терморегулирующий вентиль |
Испаритель | Рёбрами оребрённый теплообменник | Рёбрами оребрённый теплообменник | Рёбрами оребрённый теплообменник |
Экономайзер | Пластинчатый теплообменник | ||
Вспомогательный дроссель | Электронный или терморегулирующий вентиль |
Сейчас агрегат воздушного отопления кроме традиционных четырёх главных узлов обычно добавляет промежуточный экономайзер или флеш-бачок для двухступенчатого контура; два других обычно имеют только четыре главных узла. Но повышение низкотемпературных показателей добавляет новые технологии (например, регенератор); при двухступенчатом сжатии контур сильно отличается от одноступенчатого, и общего правила тут нет.