Zasada działania systemów typu „multi split"
Ostatnie lata przyniosły gwałtowne zainteresowanie użytkowników systemami zapewniającymi odpowiedni komfort termiczny w pomieszczeniu. W połączeniu z rosnącą świadomością znaczenia właściwej jakości powietrza naturalnym staje się poszukiwanie kompleksowego rozwiązania zapewniającego utrzymanie właściwych parametrów pracy czy wypoczynku, bądź w przypadku klimatyzacji technologicznej zapewnienie odpowiednich warunków prowadzonych procesów produkcyjnych. Odpowiedzią na tak postawione założenia stają się zatem, w warunkach polskich, złożone systemy wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania (HVac). Ponieważ jednym z elementów takiego nowoczesnego systemu HVac coraz częściej stają się układy „multi split" w artykule starano się naszkicować zasadę działania współczesnych systemów typu „multi split", wskazać ich zastosowanie i przedstawić zasady związane z ich projektowaniem i eksploatacją.
Przy założeniu, że za sprawną wymianę powietrza w pomieszczeniach, dostarczenie powietrza świeżego i usuwanie zanieczyszczonego odpowiada system wentylacji, za komfort cieplny w znacznej mierze odpowiedzialne będą systemy klimatyzacji i ogrzewania. Utrzymanie optymalnego komfortu cieplnego dla osób pracujących w pomieszczeniach lub spełniającego warunki narzucone przez proces technologiczny oznaczać będzie zatem utrzymanie zadanej temperatury z określoną dokładnością. W polskich warunkach klimatycznych ogrzewanie pomieszczeń jest wielowiekową tradycją. Na tym tle powszechne zainteresowanie systemami klimatyzacji jest stosunkowo nowym zjawiskiem. Obecnie można dostrzec coraz większy popyt na systemy pozwalające obniżać temperaturę powietrza w okresie letnim, czemu towarzyszy znacznie zwiększona podaż systemów klimatyzacyjnych. Ostatnie ciepłe lata spowodowały, że zainteresowanie systemami klimatyzacyjnymi charakteryzuje już nie tylko dużych inwestorów, ale dotyczy także nowych segmentów rynku z inwestorami prywatnymi na czele.
Poszerzenie rynku w stronę małego biznesu i osób prywatnych spowodowało wzrost zainteresowania stosunkowo prostymi systemami klimatyzacyjnymi - tanimi inwestycyjnie i atrakcyjnymi eksploa-tacyjnie. W przypadku małych obiektów, powszechnym stało się instalowanie systemów typu „split", a urządzenia te podobnie jak w wielu krajach Europy południowej zaczęły zapełniać nawet półki hipermarketów, stając się najbardziej dostępnymi systemami klimatyzacji. „Split" jest układem składającym się z części zewnętrznej zawierającej sprężarkę oraz skraplacz, jednostki wewnętrznej zawierającej parownik oraz układu przewodów.
W przypadku nieco większych obiektów, w których wymagania chłodzenia dotyczą kilku pomieszczeń najpopularniejszym stały się systemy „multi split" pozwalające na podłączenie do jednej jednostki zewnętrznej kilku jednostek wewnętrznych.
- nadmiarowość rozumiana jako ewentualność dublowania układów lub elementów ze względu na konieczność zapewnienia warunków w przypadku awarii systemu,
- wykorzystywana przez system przestrzeń budynku,
- możliwości zastosowania elementów systemu w kontekście wymagań architektonicznych dla pomieszczenia,
- niezawodność i elastyczność systemu,
- możliwość automatycznej regulacji i sterowania,
- warunki akustyczne.
Wybór systemu klimatyzacji w znacznym stopniu zależy od potrzeb klienta. „Multi split" dedykowane są dla wszystkich, którzy poszukują niewielkiego systemu obejmującego swoim działaniem kilka pomieszczeń. Są zatem nieco bardziej rozbudowane w stosunku do najprostszych systemów typu „split" znajdujących zastosowanie w małych jednopomieszczeniowych obiektach handlowych, punktach usługowych czy mieszkaniach prywatnych. Ponieważ typowy system „multi split" pozwala na podłączenie kilku jednostek wewnętrznych nie nadają się one do obiektów dużych, wymagających kompleksowego i spójnego systemu klimatyzacji. Grupą docelową dla systemów „multi split" stają się zatem niewielkie biura, kilkupokojowe punkty handlowe i usługowe, pensjonaty i małe hotele, czyli obiekty komercyjne oraz nieco większe apartamenty i domy. W kontekście rozwoju małych i średnich przedsiębiorstw oraz coraz większej determinacji właścicieli dużych domów, w najbliższych latach można spodziewać się znacznego poszerzenia rynku na tego typu systemy klimatyzacyjne.
Ważnym aspektem praktycznym systemów „multi split" jest także możliwość wykorzystania ich w obiektach, w których istnieje instalacja ogrzewania i wentylacji. W tym przypadku rozwiązania „multi split" stanowią ciekawą alternatywę uzupełniającą istniejące systemy, gdyż nie wymagają zmian w konstrukcji obiektu. Wykonuje się tylko niewielkie przebicia, a jednostki wewnętrzne i jednostka zewnętrzna zajmują małą przestrzeń. W związku z tym, stosowanie ich w istniejących obiektach bez konieczności znaczących zmian stanowi dodatkowy atut.
Podstawowym zadaniem systemu klimatyzacji staje się możliwość utrzymania temperatury w pomieszczeniu. W podstawowej konfiguracji układ chłodniczy pozwala jedynie na schładzanie powietrza w pomieszczeniu. Zastosowanie pomp ciepła, i w związku z tym odwrócenie obiegu chłodniczego, zaowocowało możliwością ogrzewania powietrza. Oznacza to możliwość jednoczesnego chłodzenia lub ogrzewania powietrza we wszystkich obsługiwanych pomieszczeniach. Najbardziej zaawansowane systemy dzięki zastosowaniu pompy ciepła, złożonej regulacji systemu, układom automatycznej regulacji i sterowania umożliwiają także jednoczesną pracę jednostek wewnętrznych w trybie chłodzenia i ogrzewania. Wykorzystanie w tym przypadku możliwości transferu ciepła z pomieszczeń chłodzonych do pomieszczeń wymagających ogrzewania pozwala zatem na ograniczenie ilości energii „cieplnej" i „chłodniczej" wykorzystywanej przez system, czyli racjonalne wykorzystanie ciepła w układzie. Rozwiązania tego typu nazywane są systemami z odzyskiem ciepła.
Dodatkową funkcją systemów jest próba utrzymywania wilgotności w pomieszczeniu za pomocą procesów osuszania i nawilżania. Właściwe funkcjonowanie tego rodzaju regulacji zależy jednak w znacznym stopniu od współpracy z instalacją wentylacji.
Możliwość uzyskania powyższych funkcji zależy od budowy całego systemu. Jednostka zewnętrzna systemu „multi split" składa się ze sprężarki (lub sprężarek) oraz skraplacza. W przypadku małych urządzeń stosowana jest pojedyncza sprężarka zaś przy większych elementach stosowane są zazwyczaj dwie sprężarki. Do zasilania jednostki zewnętrznej najczęściej wykorzystuje się energię elektryczną.
Sterowanie pracą sprężarek następuje na podstawie aktualnego zapotrzebowania na „ciepło" lub „chłód" w układzie. Regulacja wydajności dla jednostek zewnętrznych realizowana może być za pomocą zmiany prędkości silnika sprężarki. Układy wielostopniowe pozwalają na pracę w zakresie 26-100% mocy nominalnej. Układy z dwoma sprężarkami umożliwiają dalsze zwiększenie elastyczności. W takiej konfiguracji jedna ze sprężarek (sprężarka robocza) ma przetwornik częstotliwości pozwalający na stopniową regulację mocy. W przypadku, gdy wymagana moc przekracza moc sprężarki roboczej włączana jest druga sprężarka (sprężarka szczytowa). W ten sposób możliwe jest uzyskanie większej liczby stopni przy zakresie pracy 15-100% mocy nominalnej sprężarki. Ten sposób regulacji nazywany jest regulacją przemiennikową i znany jest pod nazwą „inwerter". Zastosowanie tego rodzaju sterowania pozwala na uzyskanie płynniejszego i szybszego rozruchu oraz mniejszego zakresu wahań temperatury w pomieszczeniu. Dodatkowym efektem pracy inwertera jest eliminacja cyklu włączania i wyłączania systemu oraz znacząca redukcja zużycia energii. Innym sposobem regulacji jednostki zewnętrznej jest stosowanie dwucylindrowej sprężarki rotacyjnej. W tym przypadku regulacja następuje dzięki zaworowi mechanicznemu na kanale bocznikowym łączącym cylindry. Zastosowany dodatkowo zawór oszczędnościowy pomiędzy stroną wysokiego i niskiego ciśnienia (strony tłocznej i ssącej) wraz z zaworem w sprężarce pozwala na zmianę wydajności chłodniczej sprężarki.
- nowe konstrukcje wentylatorów, zapewniające zwiększony przepływ powietrza,
- kształty łopatek wentylatora zmniejszające turbulencję,
- konstrukcje wymienników ciepła,
- zastosowanie efektywnych silników stałoprądowych wentylatorów,
- zmiany konstrukcyjne zapewniające równomierny napływ powietrza na wymiennik.
Modyfikacje jednostek wewnętrznych
Jednostki wewnętrzne również podlegają ciągłym modyfikacjom. Do najważniejszych zaliczyć można stosowanie nowoczesnych konstrukcji silników elektrycznych. Zmianom podlegają także konstrukcje i materiały wentylatorów pozwalając na osiągnięcie wysokiego sprężu. Coraz więcej uwagi przywiązuje się także do nowoczesnego i elastycznego sposobu kształtowania strumienia powietrza w pomieszczeniu. Integralną częścią elementów jednostek wewnętrznych staje się ponadto kilkustopniowy system filtracji. Najczęściej składa się on z filtra podstawowego oraz opcjonalnie stosowanego dodatkowego filtra, np. antybakteryjnego, elektrostatycznego, plazmowego, czy pozwalającego na wychwytywanie zapachów filtra na bazie węgla aktywowanego. Najnowsze systemy umożliwiają także zastosowanie jonizatorów wewnątrz jednostek wewnętrznych oraz automatyczne czyszczenie filtrów. Nowoczesne konstrukcje pozwalają ponadto na uzyskanie lepszych parametrów akustycznych jednostek wewnętrznych. Zwraca się także uwagę na konstrukcję jednostek wewnętrznych umożliwiającą jeszcze łatwiejszy dostęp do elementów ułatwiający czyszczenie urządzeń.
Integralną częścią systemów typu „multi split" jest elastyczny układ sterowania poszczególnych jednostek wewnętrznych współpracujący ze sterownikami umieszczonymi w pomieszczeniu. Ich duża funkcjonalność pozwala na stosowanie różnego rodzaju programów, w tym programów czasowych, programów monitorujących pracę elementu, programów nastaw wartości zadanych dla pojedynczego klimatyzatora, grupy klimatyzatorów jak i całej instalacji. Dodatkowo sterowanie jednostkami wewnętrznymi pozwala na wykorzystanie szeregu funkcji, takich jak np.:
- szybkiego chłodzenia,
- automatycznego trybu snu,
- naturalnego nawiewu,
- szybkiego restartu,
- programowania tygodniowego i wielu innych.
Obecne systemy „multi split" pozwalają na wykorzystanie ich w przypadku większości budynków po zachowaniu zasady nieprzekraczania maksymalnej długości przewodów chłodniczych oraz maksymalnej różnicy wysokości między jednostką zewnętrzną i jednostkami wewnętrznymi, a także różnicy wysokości pomiędzy nimi. W zależności od systemu wartości te mogą ulegać zmianom, można jednak przyjąć, iż w przypadku tradycyjnych systemów długość instalacji nie powinna przekraczać 50 m, zaś różnica wysokości między jednostką zewnętrzną i jednostkami wewnętrznymi nie powinna być większa niż 30 m. Wiele nowoczesnych rozwiązań „multi split" pozwala na znaczne przekroczenie wymienionych powyżej maksymalnych zakresów pracy (znacznie ponad 100 m). W przypadku doboru systemów „multi split" koniecznym staje się precyzyjne sprawdzenie optymalnych i maksymalnych zakresów pracy wskazywanych przez producenta.
Podstawą właściwej konfiguracji układu „multi split" jest zbilansowanie mocy elementów wewnętrznych z elementem zewnętrznym. W tym celu zwykło się przyjmować, iż suma mocy jednostek wewnętrznych (suma indeksów) powinna wynosić od 50 do 130% mocy (indeksu) jednostki zewnętrznej. W bardziej zaawansowanych systemach sterowania pracą sprężarki możliwe jest powiększenie zakresu działania systemu i obniżenie mocy jednostek wewnętrznych do wartości 35% mocy nominalnej.
Obecne systemy „multi split" zapewniają właściwą pracę układu w szerokim zakresie temperatur zewnętrznych. Zastosowanie nowych technik sterowania częścią zewnętrzną pozwala na pracę w trybie chłodzenia nawet w granicach od -5 do +43°C. Funkcję ogrzewania utrzymuje się dla temperatury zewnętrznej od -10 do +15°C. Niektóre rozwiązania obniżają dolną granicę stosowalności systemów do wartości -15°C, a nawet -20°C. Warto podkreślić, iż układy „multi split" znakomicie pracują w okresie przejściowym, co w przypadku klimatu Polski jest także ich znacznym atutem.
Zakres temperatury wewnętrznej osiąganej w pomieszczeniu za pomocą systemów „multi split" wynosi z reguły 18-;-30oC. Dokładność utrzymania temperatury w pomieszczeniu ściśle zależy od sposobu regulacji systemu. W najprostszym układzie, przy sterowaniu typu włącz/wyłącz temperatura w pomieszczeniu utrzymuje się z dokładnością±3 K. W przypadku stosowania nieco bardziej zaawansowanych sposobów regulacji typowa dokładność wynosi ±1 K, a w systemach najbardziej zaawansowanych z dokładnością ±0,5 K.
Właściwy dobór systemu „multi split", a w konsekwencji jego prawidłowa i oszczędna praca wymaga na etapie projektowania precyzyjnych danych związanych przede wszystkim z obciążeniem cieplnym obsługiwanych pomieszczeń. W praktyce spotyka się szereg metod doboru i wymiarowania systemów. W najprostszych przypadkach dostawcy urządzeń posługują się opracowanymi przez siebie formularzami lub nomo-gramami do uproszczonego doboru lub prostymi programami obliczeniowymi. Należy podkreślić, iż w znakomitej większości są to aplikacje bazujące na prostych modelach obliczeniowych i ich zastosowanie, jakkolwiek uzasadnione w pojedynczych układach „split", nie zawsze jest wystarczające do wymiarowania systemów „multi split". Jak wspomniano powyżej, podstawą doboru systemu „multi split" jest określenie wymagań dla jednostek wewnętrznych oraz prawidłowe sformułowanie wymagań dla systemu jako całości. Podstawą wymiarowania jednostek wewnętrznych są wyznaczone zyski ciepła w obsługiwanych pomieszczeniach. Owa analiza obciążenia cieplnego (chłodniczego) pomieszczeń dotyczy w przypadku systemów „multi split" nie tylko poszukiwania wartości maksymalnych zysków ciepła, ale także rozkładu zysków ciepła w pomieszczeniach w czasie pracy systemu. Analizując rozkład zysków ciepła w poszczególnych pomieszczeniach oraz tworząc sumaryczne obciążenie cieplne obsługiwanych przestrzeni możliwe jest znacznie dokładniejsze zwymiarowanie jednostki zewnętrznej.
Na znacznie wyższym poziomie stoją aplikacje tworzone przez producentów najbardziej złożonych systemów. Programy te pozwalają na analizę czasową zapotrzebowania na „ciepło" i „chłód" przy uwzględnieniu złożonej architektury budynku. Programy te cechują się także najdokładniejszym sposobem wymiarowania instalacji klimatyzacji, a zatem wymiarowania jednostek wewnętrznych i jednostek zewnętrznych wraz z całym niezbędnym osprzętem instalacyjnym.
Najbardziej pożądanym, lecz również najbardziej złożonym sposobem wyznaczenia obciążenia cieplnego i chłodniczego w budynku jest zastosowanie komputerowych symulacji energetycznych. Zastosowanie tego typu aplikacji pozwala na precyzyjne wyznaczenie zjawisk cieplnych w pomieszczeniach, uwzględnienie dynamiki oraz przeprowadzenie analiz czasowych, łącznie z całkowitym zapotrzebowaniem na energię. Za pomocą systemów symulacji możliwe staje się analizowanie od strony energetycznej budynku wraz z pełnym wyposażeniem instalacyjnym, w tym także systemami klimatyzacji. Niestety w wielu przypadkach na etapie opracowania dokumentacji projektant nie dysponuje niezbędnymi, tak szczegółowymi danymi, co powoduje, że wykorzystanie bardzo dokładnych metod obliczeniowych nie daje oczekiwanych, równie precyzyjnych wyników.
Systemy „multi split" stanowią szybko zmieniającą się gałąź klimatyzacji. Obecne rozwiązania wykorzystujące nowoczesne technologie i urządzenia stosowane w jednostce zewnętrznej oraz jednostkach wewnętrznych podwyższają jakość i funkcjonalność całego systemu klimatyzacji. Zaletą przedstawianych systemów jest ich mobilność i elastyczność. Oznacza to możliwość elastycznej konfiguracji elementów wewnętrznych, łatwość zmian w ich położeniu oraz elastyczność w sterowaniu. Może mieć to duże znaczenie w przypadku obiektów, w których ważnym staje się niezależna regulacja mocy dla każdego pomieszczenia.
Zalety ,,multi-split"
Ważną zaletą systemów „multi split" jest fakt, iż zajmują one mało miejsca w strukturze budynku. Z jednej strony jednostki zewnętrzne są lżejsze, łatwiejsze do transportu i posadowienia od innych rozwiązań systemowych, z drugiej zaś prowadzenie instalacji przewodami o małych średnicach zajmuje mniej miejsca w przestrzeni budynku. Podobnie wielkość jednostek wewnętrznych sprzyja stosowaniu przedstawianego systemu w pomieszczeniach o ograniczonych przestrzeniach instalacyjnych. Powyższe zalety ujawniają się w szczególności w budynkach, w których nie przewidziano wystarczającej ilości miejsca na maszynownie klimatyzacyjne. Ważną cechą układów „multi split" jest także łatwość i szybkość wykonania instalacji, co może mieć wpływ na szybkość prac budowlanych lub modernizacyjnych.
Z racji wykorzystywanego systemu chłodniczego redukuje się do minimum zjawiska starzenia się czynnika oraz zjawisko „zarastania" przewodów. Cechą charakterystyczną omawianych systemów jest także stosunkowo mała bezwładność układu chłodniczego.
Przedstawione powyżej rozwiązania konstrukcyjne powodują, że współczesne systemy „multi" stają się jeszcze bardziej niezawodne i oszczędne energetycznie. Zmniejszenie poboru prądu i racjonalne wykorzystanie energii, ciepła i chłodu w układzie oraz stosowanie wysokoefektywnego czynnika chłodniczego powoduje, iż możliwe staje się zwiększenie wskaźnika COP dla ogrzewania do wartości 4, co stanowi nową jakość w systemach klimatyzacji. W przypadku wielu producentów parametry COP i EER osiągane przez stosowanie nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych pozwalają na osiągnięcie najwyższej klasy sprawności energetycznej EEC „A" prezentowanej na certyfikacie energetycznym. Systemy „multi split" z racji stosowanych czynników chłodniczych, bezpiecznych dla środowiska, R407C oraz R410A stanowią ponadto coraz mniejsze obciążenie dla środowiska zewnętrznego
Kiedy powinno się zdecydować na rozbudowany system ,, multi-split"?
Rozbudowane systemy „multi split" są dobrym rozwiązaniem w warunkach, w których okres przejściowy stanowi większość czasu pracy instalacji szczególnie przy wykorzystaniu odzysku ciepła w systemach z jednoczesnym ogrzewaniem i chłodzeniem. W okresie wysokiej temperatury zewnętrznej układy te funkcjonują z wysoką skutecznością, a z drugiej strony wykorzystywany system chłodniczy jest wyjątkowo odporny na zjawisko zamarzania. Systemy charakteryzują się ponadto niskimi kosztami eksploatacyjnymi.
Wymienione powyżej cechy systemów „multi split" uzasadniają ich stosowanie w średniej wielkości obiektach budowlanych. W połączeniu z właściwym systemem dostarczenia świeżego i usuwania zużytego powietrza mogą zapewniać oczekiwany poziom komfortu użytkownikom pomieszczeń. Włączając do tego dodatkowe cechy systemu, takie jak elastyczność, energooszczędność czy łatwość sterowania możliwe jest zaspokajanie potrzeb inwestora i użytkownika. Stanowią zatem racjonalny kompromis pomiędzy uzyskanym poziomem komfortu, a sumarycznymi kosztami poniesionymi do jego uzyskania.
autor: Dr inż. Piotr BARTKIEWICZ - Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska
źródło: Chłodnictwo & Klimatyzacja
Wykorzystano zdjęcie firmy: Samsung
