VRF系统的工程应用

2012-08-15李浙

制冷 2012年3期

李浙

(宁波市民用建筑设计院有限公司,宁波31500)

目前VRF系统由于其使用灵活,占用建筑层高小等优点在许多工程中得到广泛应用。但在其实际工程应用中还是存在这样和那样的问题。笔者认为对于这种系统站在设计师的角度来讲主要是把握二大方面的问题,其一就是尽可能的提高其运行效率;其二就是保证系统运行的可靠性。要做到上述二点那就必须在设计、施工、设备选型三大块下功夫。在设计阶段主要应做到合理的系统划分和管长控制;在施工阶段最关键的就是把握关键施工工艺及选择合格的材料配件;在设备招标选型中应特别关注其部分负荷效率、能量调节方式及范围、冷媒分配、回油措施、冬季融霜等方面的方式及其控制策略。

1 设计篇

1.1 制造商对系统设计的要求

目前各大VRF系统制造商对系统设计的要求主要有:

(1)室内机离室外机最远配管长度,一般是100米,也有厂家已承诺可以延伸至165米。

(2)室内外机落差,一般是室外机位于上方时最大落差允许50米;室外机位于下方时最大落差允许为40米;同一系统室内机最大允许落差为15米。

(3)第一分岐器后的最远配管长度,一般是40米,也有样本称是70米。

以上各项长度数值中应注意其均为等效长度而非实际长度,即在实际长度数值上还要加上弯头和分岐器的等效长度。

1.2 目前规范与技术措施对系统设计的要求

目前涉及VRF系统的规范主要是《多联机空调系统工程技术规程》(JGJ1001-2010)和《公共建筑节能设计标准》(浙江版)(DB33/1036-2007)二本规范,另外还有国家和地方的技术措施有这方面的要求。主要概括下来有这几条:

(1)JGJ1001-2010中规定2011年多联机能效值,即其制冷综合性能系数CC≤2800W,IPLV(C)≥3.2;2800W＜CC≤8400W,IPLV(C)≥3.15;CC＞8400W,IPLV(C)≥3.10;其测试方法为室内、外机连接管道上冷媒分配器前、后连接管长度为5米。上述数值相当于能效等级3级。在2009版全国技术措施中又将其提高了一个等级,即不应低于2级标准[CC≤2800W,IPLV(C)≥3.4;2800W＜CC≤8400W,IPLV(C)≥3.35;CC＞8400W,IPLV(C)≥3.30]。

(2)当空气源多联机系统供热时,冬季运行性能系数低于1.8时,不宜采用。同样在2009版全国技术措施中也将 “不宜”改为 “不应”。

(3)JGJ1001-2010中规定系统冷媒管等效长度应满足对应制冷工况下满负荷的性能系数不低于2.8,当产品技术资料无法满足核算要求时,系统冷媒管等效长度不宜超过70米。但上海市建设和交通委员会2008年发布的沪建交 (2008)828号文件规定,VRF系统配管长度宜控在50米内,最长不应超过70米。这里有关50米的值是有道理的,笔者自已曾计算过几个品牌的直流变频压缩机在管长达到50米时的制冷量衰减在0.82～0.88之间(主要考虑管长延伸后压缩机排气压力上升、吸气压力下降造成的制冷量衰减)。当然笔者计算的前提是压缩机工作频率不发生变化,如果因为管长加长而提高压缩机的工作频率,那么可以在一定程度上弥补由于管长加长而造成的压缩机制冷量衰减,当然这时压缩机所需要的输入功率也加大了。

(4)DB33/1036-2007中规定系统冷媒配管不宜过长,按系统的最长配管长度折算甲类建筑夏季制冷量修正系数不应小于0.85,乙类建筑夏季制冷量修正系数不应小于0.8,但笔者认为该条款既没有限制直流变频压缩机的工作频率变化 (制造商可以通过调节工作频率来控制制冷量衰减,当然数码涡旋压缩机做不到这一点),也没有对性能系数加以控制,所以对实际节能意义并不大。

1.3 关于设备选型

在《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)中第7.1.5条 “电动压缩式机组的总装机容量应按本规范第6.2.15条计算的冷负荷选定,不另作附加”。笔者认为该条款应该是针对电动水冷式机组的,对于直接蒸发式机组至少应分别考虑显热负荷与潜热负荷均应满足要求才行。对于目前的VRF系统各个厂家对系统蒸发温度的控制是不同的,室内机循环风量也不同,这直接导致了不同厂家同一制冷量的室内机其显热制冷量是不同的。比如某办公室按 (GB50019-2003)6.2.15条计算所得其夏季冷负荷为3.7kW,其显热负荷为2.75 kW。考虑管长衰减、室内外温差衰减等因素,如按 (GB50019-2003)第7.1.5条要求可选用一台全热制冷量为4.5 kW的室内机,但如考虑显热负荷因素就有可能得出不一样的结论。如甲厂家的技术手册中对全热制冷量为4.5 kW的室内机标注的显热负荷为3.2 kW(此值已考虑了系统管长与温差的衰减);而乙厂家的手册中标注的显热负荷是2.67kW。这样如采购乙厂家的设备而选用制冷量4.5 kW的室内机就有可能造成室内温度降不下来。笔者比较过造成这种差异的最主要原因是不同厂家在系统控制中采用了不同的蒸发温度。蒸发温度高系统相对节能,显热比就大;反之蒸发温度低系统运行费用就高,显热比较小。显热比大的室内机适合用于高档写字楼 (人员密度小,显热大、潜热小),显热比小的室内机适合用于湿负荷大的场合,如餐厅、多功能厅等场合。因此笔者认为作为设计师应在图纸设备表中注明所选设备的全热制冷量和显热制冷量。

1.4 系统划分与设计

VRF系统设计中笔者认为应把握以下几点:

(1)管长最短原则,一个VRF系统的管长在满足制造商和规范 (技术措施)的限制值的基础上,应尽可能缩小管路长度。这对系统的实际能效是非常重要的。

(2)系统内室内机数量不宜过多,除满足制造商的要求,应尽可能少。因为尽管每台室内机均配置电子膨胀阀,但在室内机台数较多、管路长短不一时仍是无法实现各台室内机的均匀供液的。

(3)系统划分时应根据使用时间、功能、房间朝向来考虑,应尽可能将系统负荷率保持在40%～80%之间,以保证系统运行的高效。从这个角度讲对系统进行超大型配也是不太合理的,因为系统超配尽管可以减少初投资,但对于系统运行而言就有可能长期处于满负荷状态下,不利于运行节能。而我们在设计中选用VRF方案本身就是为了降低运行费用,而不是为了节约初投资。

(4)应考虑VRF系统冬季制热量衰减,冬季制热量衰减应考虑管长衰减、室内外温度引起的衰减、融霜衰减,一般系统此三项合计约为65%～70%。

2 设备篇

2.1 设备的主要技术参数

笔者认为目前VRF系统设备可控的主要技术参数包括制冷综合性能系数、制冷工况下满负荷的性能系数、冬季运行性能系数、室内外机噪音。

制冷综合性能系数 (IPLV)是对VRF设备的要求,是指其在额定工况下 (额定室内外环境温度、额定管长),机组在25%、50%、75%、100%负荷下效率的加权值。

制冷工况下满负荷性能系数与冬季运行性能系数均是指特定系统在当地冬夏季室内外温度环境下,结合该系统的实际内外机管长、落差,冬季融霜衰减,得出系统满负荷下冬夏季的制热量、制冷量与输入功率。这既是对实际系统设计的要求,也是对设备供应商的要求。笔者认为设计师应在图纸上体现这方面的要求。

室外机噪声应根据所在区域的类别,满足区域环境对噪声的要求。具体详见《城市区域环境噪声标准》(GB3096-93)。

室内机噪声至少应满足各类建筑规范中对室内噪声的要求。

2.2 压缩机形式

关于压缩机形式目前主要关注的有二点,一是涡旋式和转子式;二是涡旋式压缩机中的高压腔压缩机和低压腔压缩机。

从结构形式看涡旋式压缩机是动盘与定盘相互啮合,逐级压缩,无吸排气阀;转子式是滚动转子沿气缸壁转动压缩,无吸气阀有排气阀。从实际测试来看同样容量的涡旋式压缩机比转子式效率高;涡旋式压缩机与双转子压缩机的平衡性能相似;涡旋式压缩机与滚动转子压缩机均可采用变转速调节方法改变其输气量,且两种压缩机均适用于转速在宽广范围内变化的场合。

高压腔压缩机的优点主要有:

(1)吸气直接进入涡旋体,排气冷却电机,减少了吸气过热度,提高了压缩机效率。

(2)机壳内是高压排出气体,压力脉动小,因此振动和噪声较小。

(3)润滑油与气体在机壳内分离,润滑油的分离效果好。

(4)采用压差供油,与压缩机转速无关,即使非常低的转速也能保证润滑,可靠性高。

2.3 能量调节方式

目前常见的能量调节方式主要有数码涡旋和直流变频二种。对这二种技术路线的优劣已经争论了很久了。主要集中在以下几点:1)电磁干扰问题。2)湿度控制问题。3)回油问题。4)冬季供热问题。关于这几点已经争论很久了,笔者在此不再进行评述。

笔者仅从能量调节措施对部分负荷性能的影响来分析。对于直流变频系统当其部分负荷运行时,仅开启某个模块内的一至二台压缩机,而这台模块的冷凝面积是固定的,这样系统的冷凝温度相应较低,可以充分提高部分负荷时的制冷效率。而数码涡旋涡旋系统部分负荷运行时,由于其属于定频压缩机,其压缩机开启是满负荷运行 (通过工作时间来调节冷量输出),如果此时该模块内有二台压缩机,而投入运行的压缩机只有一台,那么由于模块的冷凝面积是不变的,所以此时系统的冷凝温度同样可以相应较低,此时部分负荷的制冷效率有所提高。但是如果模块内的二台压缩机均投入运行,那么该部分负荷下系统的冷凝温度与满负荷下的冷凝温度是一样的,也就是说部分负荷下系统并不能利用 “富裕的”冷凝面积。因此在很多情况下数码涡旋系统的部分负荷性能系数会比直流变频系统要小一些,当然要达到同样水平也不是不可能,那就需要在硬件上增加投入 (如:提高压缩机效率、增加冷凝器面积等),同时在控制策略上也要下一番功夫。

2.4 冷媒分配

VRF系统目前均采用电子膨胀阀实现室内机供液,该阀响应速度快,调节迅速;调节范围宽且具有良好的线性流量特性;其所配单片机具有阀针记忆功能且能实现多种高级算法,因此调节品质好。

但要注意的是电子膨胀阀的这种良好调节特性是基于冷媒液体分配的,如果膨胀阀入口处冷媒已呈气液两相,那么电子膨胀阀是无法实现冷媒的按需分配的。这也就是厂家样本中要求的第一分岐器到最后一台室内机的当量管长不应大于40米的原因。当然这个40米也是一个比较宽泛的概念,主要目的是防止电子膨胀阀入口处出现气液两相冷媒。如果将此根液管的管径加大;或者是冷凝器出口处冷媒的过冷度本身就比较大;那么在同样的管长下电子膨胀阀入口处就不容易出现冷媒的气液两相了。

另外过冷度还值得提一下,目前制造商提供的过冷度值均是指设计工况下的,对于一台冷凝面积已经确定的室外机,当其进风温度升高,冷凝温度增大时,其过冷度会减少。这样由于高压供液管路的压降基本未变,而过冷度减小,往往会出现在设计工况下能保证室内机电子膨胀阀入口处呈饱和液态的系统,此时会在膨胀阀入口处呈汽液两相,此种状态是极不利于电子膨胀阀的调节和冷媒的合理分配。

2.5 融霜措施

融霜是所有风冷型热泵机组无法回避的问题。笔者认为解决霜的问题应从以下几点入手:

(1)尽可能减少室外侧换热器的结霜的可能。如增大换热面积,系统在冬季运行时的蒸发温度相应提高,室外侧换热器表面温度也相应升高,这样减小了室外空气含湿量同换热器表面空气饱和状态下的含湿量之差。这样单位时间内的结霜量就会减少。所以在设备采购时让投标人提供机组冬夏季冷凝温度和蒸发温度有助于对设备性能的深入判断。

(2)减小结霜对系统运行的影响。当室外侧换热器表面结霜后,会造成风阻增加,热阻增加。因此对制造商而言,在产品开发时应适当控翅片形式、片间距及换热铜管的排数。

(3)融霜的控制策略。控制策略必须解决三个问题,一是何时需要融霜,二是何时融霜结束,三是何时必须强制结束融霜。

对于结构形式已经确定的换热器它存在一个结霜状态点 (这个状态点可以用室外侧换热器两侧的空气阻力来表示),当这个值高过某个值后系统效率会明显降低。如果用这个点作为融霜起始点就比较合适。当然具体实施时也要注意其它影响因素(如灰尘的影响),另外也有利用换热器表面温度作为融霜起始的判据 (但是对于多联系统而言,有时会因为系统负荷较小造成冬季蒸发温度较高,而此时霜层其实已经很厚了)。融霜结束与融霜起始是一样的,也是用这样一个风阻点。另外当某个时间间隔内融霜时间过长会影响室内制热效果,所以需要有个强制结束融霜的时间。

笔者认为我国各地气象状况差异较大,对于制造商而言应根据主要气象区开发不同的控制策略,然后针对不同的具体工程可根据实际情况现场调整融霜的控制点和转换点。

(4)融霜手段。目前常用的融霜手段是逆向运行 (冬季采用制冷运行)或者采用电热融霜。电热融霜耗能大用得不多。逆向运行时会影响室内制热效果,这是其最大的缺点。

2.6 回油技术

关于VRF系统的回油主要有三个层面:

首先是油过滤器的设置与滤油效率的保证。目前涡旋式压缩机还无法实现无油运行,而润滑油进入系统会影响换热器的换热效率,因此在系统设计中应尽量避免使润滑油进入系统,所以各个厂家均在VRF室外机排气口设置油分离器 (也有将油分离器做成与压缩机一体的)。当然所选用的油分离器效率就很有讲究了,高的据宣传可达99%。

其次是均油,目前每个VRF系统往往是多个模块组成,每个模块又由多台压缩机组成 (也有个别品牌的产品每个模块仅有一台压缩机,这样均油相对简单),系统运行时必须保证各个模块内的各台压缩机的油位保持一致。目前主要有二种技术措施:一种是在压缩机内设置油位传感器,当某台压缩机油位偏低时,通过交叉回油将油位较高压缩机油分离器中的油回至油位较低的压缩机中。另一种是在各个模块之间,每个模块的各台压缩机之间设置均油管,以此来保证各台压缩机中的油位一致。

最后是回油运行,当某个VRF系统长期在低负荷下运行时,由于系统回气管流速减慢,进入系统的润滑油无法随系统回气返回压缩机时,系统需定时进行回油运行,将积聚在室内机的润滑油强制返回压缩机。回油运行是属于 “无功损耗”,应尽量避免。所以我们在系统设计中应尽量避免大马拉小车的现象。

2.7 控制策略

在当今压缩机技术已经发展到接近极限的时候,笔者认为系统控制策略是影响一个VRF系统效率的关键因素了。

VRF系统控制策略包括启停策略、冷媒分配策略、融霜策略、均油回油策略、安全保护策略。冷媒分配策略、融霜策略、均油回油策略这几项前面已做了介绍,本节主要介绍VRF系统的启停控制策略。目前市场上的VRF系统基本上都采用模块化组合,每台模块内配置一台变频机和一台定频机或是二台以上的变频机 (又称全变频),也有厂家的某些机型一台模块内只有一台变频机。各台室内外机上均配有电子膨胀阀。制冷工况下,室外电子膨胀阀全开,依靠室内机电子膨胀阀来控制室内温度和室内机热交换器出口制冷剂的过热度;根据吸气压力来控制变频压缩机的频率调节。制热工况下,由室外机电子膨胀阀控制室外机热交换器出口处的制冷剂过热度,室内机电子膨胀阀控制室温和室内热交换器出口的过冷度,通过压缩机变频来控制压缩机的排气压力。

在各台模块的启停控制中,有二种典型的方式。一种是按模块逐台启动 (即先启动主模块内的变频压缩机,待其接近满载时再启动一台定频压缩机同时将原先那台变频压缩机减载,随着系统负荷逐渐增大,再逐渐加载变频压缩机,直至其达到满载,接着如果系统负荷进一步增大,再启动第二台模块内的压缩机);另一种是接近按系统效率最大化来启停模块 (如随着系统负荷增大,先启动主模块内的一台变频压缩机,当该台变频压缩机达到满载时,如果系统负荷继续增大,就启动另一台模块内的一台变频压缩机。这种情况下系统内二台模块均处于部分负荷下运行,系统运行效率较高。当第二台模块中的变频压缩机也达到满载后,如果系统负荷继续增大,再启动第一台模块内的另一台变频压缩机。具体控制策略各个制造商均有不同,本文仅做一个简单的举例,这方面可以开展更深入的研究)。很显然采用前一种控制策略的系统部分负荷效率相对也较采用第二种控制策略的系统要低一些,但其控制手段相应也要简单一些。

从上面的控制策略分析,我们可以看出目前许多制造商在提供部分负荷效率时往往都只是提供单模块机组的部分负荷效率,因为如果采用第一种控制策略,一个由四台模块组成的VRF系统其部分负荷效率 (IPLV值)与其中单台模块的满负荷效率是一致的。另一方面如果采用第二种控制策略,每台模块内均配置变频压缩机是比较合适的。

3 施工篇

对于VRF系统的施工主要应关注施工单位资质与人员、材料与施工工艺、施工组织等方面来考察。

3.1 施工单位的资质与人员

当前在VRF系统工程招标中多数项目都没有对工程承包人的施工资质提出要求,这主要是由于在VRF系统诞生之初其工程规模较小,项目也不多,职能部门并不重视,制造商在这方面掌握了话语权,到目前为止只要有制造商授予安装许可的产品经销商均可进行VRF系统的施工。如果在招标时对施工资质提出相应要求是否有依据呢?笔者认为是有的,在国家机电设备安装专业承包资质中对各级安装资质允许的承包范畴有明确要求。即各个不同等级的资质,可分别承担投资额不等的一般工业和公共、民用建设项目的设备、线路、管道的安装,非标准钢构件的制作、安装。而此处对工程内容作了明确规定即包括:锅炉、通风空调、制冷、电气、忧表、电机、压缩机机组和广播电影、电视播控等设备。而VRF系统恰好涵盖了通风空调和制冷的内容。因此笔者认为尽管目前在招投标中对此类工程未要求有具体施工资质,但如果某个工程提出了有资质要求也是有依据的。

另外在《多联机空调系统工程技术规程》(JGJ1001-2010)对VRF系统的施工人员资质已给出了明确要求,主要包括:

(1)钎焊人员应有焊工操作证。

(2)空调电源线应由具有电工操作证的人员安装。

(3)进行系统试运转与调试的工作人员,必须持有国家职业资格制冷工中级以上证书。

以上三条是当前招投标及施工监理、验收都应该控制的。

3.2 材料与施工工艺

VRF系统涉及的施工材料主要包括冷媒铜管、分岐器、保温材料、冷媒和冷冻油等。

目前各制造商对工程项目所用铜管的要求主要是二点:一则必须是无缝铜管,二则规定了各档管径的铜管壁厚。但从工程实践看对于冷媒铜管 (包括分岐器)还应关注其含铜量及其力学性能 (按日本标准,外径小于等于19mm的铜管许用拉伸应力大于等于33N/mm2,外径大于19mm的铜管许用拉伸应力大于等于61N/mm2);另外还应注意铜管加工工艺,用于冷媒的铜管应采用挤压工艺成型的铜管(而不是拉伸管),这种管材壁厚均匀,可承受较高压力。

工程中冷媒与冷冻油应选用与制造原厂同品牌同型号产品。