همه چیز در مورد سیستم VRF: نحوه عملکرد، مزایا، معایب و کاربرد

سیستم VRF که مخفف عبارت Variable Refrigerant Flow یا «جریان متغیر مبرد» است، یکی از پیشرفته‌ترین و مدرن‌ترین فناوری‌ها در حوزه سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC) به شمار می‌رود. تصمیم گرفتیم در این مقاله از مجموعه «تهویه‌ نو»، به‌صورت دقیق و کاربردی به بررسی سیستم VRF بپردازیم و بگوییم سیستم VRF چیست و چه کاربردی دارد. در ادامه، جنبه‌های فنی این سیستم را معرفی خواهیم کرد، همچنین به بررسی هزینه نصب، نگهداری، بهره‌وری انرژی و مزایا و معایب آن نسبت به سایر انواع سیستم های تهویه صنعتی می‌پردازیم.

سیستم VRF چیست؟

سیستم VRF یا Variable Refrigerant Flow یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های تهویه مطبوع است که با استفاده از یک واحد بیرونی و چندین واحد داخلی، امکان سرمایش و گرمایش هم‌زمان فضاهای مختلف یک ساختمان را فراهم می‌کند. در این سیستم، میزان جریان مبرد به‌صورت هوشمند و متغیر، متناسب با نیاز هر فضا تنظیم می‌شود. نتیجه این فناوری، کنترل دقیق دما، کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری سیستم در مقایسه با روش‌های سنتی تهویه مطبوع است.

فناوری VRF برای نخستین‌بار در دهه ۱۹۸۰ در ژاپن توسعه یافت و از اوایل دهه ۲۰۰۰ وارد بازار آمریکای شمالی شد.

سیستم VRF چگونه کار می کند؟

سیستم VRF با استفاده از یک واحد خارجی (مانند کندانسور) و چندین واحد داخلی، سرمایش یا گرمایش فضاهای مختلف را به‌صورت هم‌زمان و مستقل انجام می‌دهد. در این سیستم، به‌جای انتقال هوا از طریق کانال، از لوله‌هایی استفاده می‌شود که گاز مبرد را مستقیماً به هر یونیت داخلی منتقل می‌کنند.

هر واحد داخلی دارای حسگرهایی است که دمای محیط را اندازه‌گیری می‌کنند. سپس سیستم به‌صورت هوشمند، مقدار مناسبی از مبرد را از طریق شیرهای انبساط الکترونیکی به هر فضا ارسال می‌کند. اگر فضایی نیاز به سرمایش داشته باشد، مبرد وارد اواپراتور شده و با جذب گرما، آن فضا را خنک می‌کند. گرمای جذب‌شده توسط مبرد به واحد بیرونی منتقل و به خارج از ساختمان دفع می‌شود.

در حالت گرمایش نیز همین فرآیند به‌صورت معکوس انجام می‌شود؛ یعنی گرما از بیرون جذب شده و به فضای داخلی منتقل می‌گردد. کمپرسور این سیستم با سرعت متغیر کار می‌کند و بر اساس نیاز لحظه‌ای هر بخش از ساختمان، میزان جریان مبرد را تنظیم می‌کند تا بالاترین سطح راحتی و کمترین مصرف انرژی حاصل شود.

کاربرد سیستم VRF

سیستم VRF به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، مصرف بهینه انرژی و کنترل دقیق دما، در انواع پروژه‌های ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم به‌ویژه برای ساختمان‌هایی با چند فضای مستقل که نیاز به سرمایش و گرمایش هم‌زمان دارند، بسیار مناسب است. از جمله کاربردهای رایج آن می‌توان به ساختمان‌های اداری، هتل‌ها، مراکز تجاری، برج‌های مسکونی، بیمارستان‌ها، ساختمان‌های آموزشی و ویلاهای لوکس اشاره کرد.

در پروژه‌های بازسازی یا ساختمان‌هایی با محدودیت فضایی برای کانال‌کشی، سیستم VRF گزینه‌ای ایده‌آل محسوب می‌شود. همچنین در محیط‌هایی که کنترل دمای دقیق و جداگانه برای هر فضا اهمیت دارد مانند تهویه مطبوع بیمارستان، اتاق‌های سرور، آزمایشگاه‌ها یا اتاق‌های کنفرانس، تهویه مراکز تجاری و پاساژها و غیره. این سیستم عملکردی بسیار مؤثر، کم‌صدا و مقرون‌به‌صرفه از خود نشان می‌دهد. قابلیت مقیاس‌پذیری بالا نیز باعث شده VRF هم در پروژه‌های کوچک و هم در مجتمع‌های بزرگ کاربرد فراوانی داشته باشد.

بررسی هزینه نصب سیستم VRF

هزینه نصب سیستم VRF به عوامل متعددی بستگی دارد و نمی‌توان برای همه پروژه‌ها یک عدد مشخص اعلام کرد. عواملی مانند متراژ ساختمان، تعداد واحدهای داخلی، نوع برند و تجهیزات مورد استفاده، پیچیدگی طراحی لوله‌کشی، و امکانات کنترلی هوشمند نقش مستقیمی در تعیین هزینه نهایی دارند.

به‌طور کلی، هزینه اولیه نصب سیستم VRF بیشتر از سیستم‌های سنتی مانند اسپلیت یا داکت اسپلیت است؛ اما این افزایش هزینه در بلندمدت با کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینه‌های نگهداری، و افزایش عمر مفید سیستم جبران می‌شود. از همین رو، سیستم VRF بیشتر برای ساختمان‌های اداری، تجاری، پروژه‌های مسکونی لوکس و فضاهایی با نیاز به کنترل دمای دقیق توصیه می‌شود.

سیستم های VRF باید با استفاده از لوله های مسی نصب شوند در حالی که لوله کشی هیدرونیک گزینه های زیادی را ارائه می دهد. همچنین به دلیل فشار زیاد سیال و دمای مبرد در سیستم های VRF، عیار مس مورد استفاده باید مطابق با استانداردهای ASTM B280 باشد و برای فشار کاری 551 psig (LG) مناسب باشد.

علت برخی از تفاوت هزینه ها ناشی از الزامات اضافی در مورد نیروی کار است. هر مرحله نصب سیستم های VRF نیاز به مراقبت و توجه بیشتری دارد و تکنیک هایی که به طور گسترده در تاسیسات سیستم هیدرونیک (برای کاهش هزینه و زمان نصب) استفاده می شود را نمی توان در سیستم های VRF استفاده کرد.

برای برآورد دقیق هزینه، معمولاً نیاز به بازدید کارشناسی و طراحی متناسب با نیاز پروژه وجود دارد.

بررسی هزینه بهره برداری و نگهداری سیستم VRF

سازندگان ادعا می‌کنند که هزینه طول عمر فناوری VRF کمتر از سیستم‌های مبتنی بر هیدرونیک است، و بیان می‌کنند که VRF انرژی کمتری را هدر می‌دهد، راندمان بالاتری دارد و به تعمیر و نگهداری ساده‌تر و کارآمدتر نیاز دارد. با این حال، این ادعاهای صنعت توسط مطالعات پشتیبانی نمی شود. با بررسی سیستم های نصب شده واقعی، یک مطالعه اخیر توسط اتحاد صنعت هیدرونیک به سیستم VRF و سیستم هیدرونیک نصب شده در یک ساختمان نگاه کرد و با توجه به بارهای مشابه نشان داد که «بر اساس سالانه، سیستم VRF مصرف انرژی 57 درصد بالاتری داشت. 2010 نسبت به سیستم هیدرونیک، 84 درصد در سال 2011 و 61 درصد در سال 2012 بیشتر است.

جای تعجب نیست که افزایش هزینه های عملیاتی را می توان در تفاوت در طراحی سیستم، به ویژه در جابجایی سیال جستجو کرد. در یک سیستم VRF، کمپرسور دو کاره است. این مایع را فشرده و دمای سیال را افزایش می دهد و همچنین به عنوان پمپ برای فشار دادن سیال به اطراف ساختمان عمل می کند. مقاله ای که توسط اتحادیه صنعت هیدرونیک منتشر شده است توضیح می دهد که در مقایسه با سیستم های هیدرونیک، سیستم های VRF از سرعت سیال بسیار بالاتری استفاده می کنند. این سرعت های بالاتر سیال منجر به افت فشار بیشتر و سرعت کمپرسور بیشتر می شود که همه اینها باعث افزایش مصرف انرژی می شود.

مطالعات نشان داده اند که از کل مصرف انرژی، در سیستم های VRF، نسبت بیشتری از کل، صرف انتقال سیالات می شود. کانیف در مقاله خود تخمین می زند که در جایی که سیستم های هیدرونیک معمولاً 20 درصد از کل انرژی را برای جابجایی آب مصرف می کنند، یک سیستم VRF تا 30 درصد انرژی حمل و نقل را مصرف می کند.

در جایی که انواع مختلف سیستم‌ها و فن‌آوری‌های تهویه مطبوع مزایای منحصربه‌فرد و به درجات مختلف مزیت‌های هزینه را ارائه می‌دهند، مهم است که «به زیر کاپوت نگاه کنید» تا فناوری‌های مربوطه را درک کنید و برای ساختمان‌ها و سیستم‌های HVAC بر اساس حقایق و با دقت تصمیم بگیرید. مطالعات انجام شده سیستم های VRF بدون شک جای خود را برای اندازه ها و انواع ساختمان های انتخابی دارند. با این حال، برای بسیاری از اندازه‌ها و ساختار ساختمانی استاندارد، سیستم‌های هیدرونیک سطوح مشابهی از راحتی سرنشینان را با هزینه بسیار کمتر ارائه می‌دهند.

مزایای سیستم VRF

بهره‌وری بالای انرژی:

سیستم‌های VRF با حذف نیاز به کانال‌کشی گسترده و کاهش هدررفت انرژی، عملکردی بسیار بهینه دارند. این ویژگی باعث کاهش محسوس هزینه‌های قبوض انرژی و افزایش راحتی ساکنین می‌شود.

امکان تنظیم دمای اختصاصی برای هر فضا:

با استفاده از سیستم VRF می‌توان دمای بخش‌های مختلف یک ساختمان را به‌صورت مجزا کنترل کرد؛ این قابلیت به‌ویژه در ساختمان‌هایی با کاربری‌های متنوع یا تجهیزات حساس بسیار کاربردی است.

طراحی جمع‌وجور و کم‌جا:

واحدهای داخلی و خارجی VRF نسبت به سیستم‌های تهویه مطبوع سنتی فضای کمتری اشغال می‌کنند، به همین دلیل گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌های بازسازی، فضاهای محدود یا ساختمان‌های قدیمی هستند.

مقیاس‌پذیری بالا:

سیستم‌های VRF فقط مخصوص ساختمان‌های تجاری نیستند؛ امروزه می‌توان از آن‌ها در پروژه‌های مسکونی کوچک تا برج‌های اداری بزرگ استفاده کرد. این انعطاف‌پذیری، آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای انواع پروژه‌ها تبدیل کرده است.

صدای کم در زمان عملکرد:

یکی دیگر از مزایای برجسته سیستم‌های VRF، صدای بسیار کم آن‌هاست؛ چه در فضای داخلی و چه بیرونی، این سیستم‌ها آرام و بی‌صدا کار می‌کنند و آرامش محیط را حفظ می‌نمایند.

تفاوت سیستم VRF و VRV

سیستم‌های VRF و VRV از نظر عملکرد، ساختار و فناوری کاملاً مشابه هستند و هیچ تفاوت فنی یا مهندسی خاصی میان آن‌ها وجود ندارد. تفاوت اصلی این دو اصطلاح در نام‌گذاری تجاری آن‌هاست. واژه VRV که مخفف Variable Refrigerant Volume است، نخستین‌بار توسط شرکت ژاپنی Daikin در سال ۱۹۸۲ برای معرفی این فناوری ثبت شد. از آنجا که “VRV” به عنوان یک برند ثبت‌شده تجاری در اختیار دایکین قرار دارد، سایر شرکت‌های تولیدکننده سیستم‌های مشابه از اصطلاح عمومی‌تر “VRF” به معنای Variable Refrigerant Flow استفاده کردند.

در نتیجه، زمانی که صحبت از سیستم VRV یا VRF می‌شود، در واقع به یک فناوری واحد اشاره داریم که در آن جریان مبرد به‌طور هوشمند و متغیر بر اساس نیاز سرمایشی یا گرمایشی هر فضا کنترل می‌شود. تفاوت تنها در نام برند سازنده است، نه در نحوه کارکرد یا ساختار فنی. بنابراین، انتخاب میان VRV و VRF بیشتر به انتخاب برند و خدمات پس از فروش مربوط می‌شود تا تفاوت در نوع سیستم.

محدودیت های سیستم‌ VRF که باید در نظر گرفته شود

طرفداران نشان می‌دهند که سیستم‌های VRF مزایایی را در ثبات راحتی، بهره‌وری انرژی، گرمایش و سرمایش منطقه‌ای، توانایی گرمایش و سرمایش همزمان و انعطاف‌پذیری نصب، به‌ویژه برای فضاهای تنگ ارائه می‌کنند. برای نصب ها یا انواع ساختمان های انتخابی، این آرگومان ها ممکن است معتبر باشند. با این حال، محدودیت‌های مهمی وجود دارد که فناوری VRF بر ساختمان‌ها و سیستم‌های HVAC تحمیل می‌کند، که از مراحل اولیه طراحی شروع می‌شود.

پرداختن به بارهای HVAC، حداکثر ظرفیت سیستم، اثرات دمای هوای بیرون و طراحی لوله کشی 

فناوری VRF محدودیت های قابل توجهی را در طول کل لوله در یک سیستم ایجاد می کند. ظرفیت نامی با افزایش طول لوله کاهش می یابد، اما این در واقع از طول بسیار کوتاه شروع می شود. از آنجایی که استانداردهای ASHRAE یک سیستم VRF را بر اساس 25 فوت لوله‌کشی و جداسازی عمودی صفر بین واحدهای داخلی و خارجی رتبه‌بندی می‌کنند، ظرفیت نامی سیستم‌های VRF زمانی شروع به کاهش می‌کند که طول لوله و جداسازی عمودی به ترتیب از 7.62 متر و 0 متر فراتر رود.

با افزایش اندازه سیستم، ظرفیت کاهش می یابد. در جایی که طول کل لوله کشی 182 متر است، سیستم ها 10 درصد از ظرفیت کل را از دست داده اند. و در جایی که طراحان ممکن است سیستم‌هایی را برای ساختمان‌های بزرگتر انتخاب کنند، VRF نمی‌تواند بیش از حداکثر طول لوله‌کشی 1000 متر کار کند. در آن مرحله بیش از 50 درصد ظرفیت از بین رفته است.

فن آوری VRF همچنین محدودیت هایی در ظرفیت سیستم برای گرم کردن یا خنک کردن موثر فضای مطبوع برای برآورده کردن شرایط دمای هوای داخلی دارد. حداکثر ظرفیت موجود برای سرمایش ~44 تن (528 مگابایت ساعت) و حداکثر ظرفیت گرمایش ~ 49.5 تن (594 مگابایت در ساعت) است. در مواردی که ظرفیت گرمایش و سرمایش بیشتر مورد نیاز است، طرح ها باید دارای یک سیستم مجزا با لوله کشی مستقل و شبکه های کنترل مستقل باشند.

علاوه بر این، اثربخشی و کارایی سیستم‌های VRF با کاهش دمای هوای بیرون (OAT) کاهش می‌یابد. ظرفیت گرمایشی موجود در OAT 5 درجه فارنهایت در بهترین حالت 70 درصد ظرفیت گرمایشی موجود در 60 درجه OAT است. و ملاحظات طراحی باید برای رسیدگی به کاهش 50 درصدی ظرفیت گرمایش در 0 درجه در مقایسه با شرایط درجه بندی انجام شود. در بسیاری از تاسیسات، منابع گرمای تکمیلی مورد نیاز است، که تاثیر مستقیمی بر کل انرژی مصرفی یک سیستم HVAC، فقط برای حفظ شرایط طراحی دارد.

سلامت و آسایش ساکنین

در حالی که موارد نشت مبرد کم است، خطرات ناشی از سیستم های VRF با این وجود نگران کننده است. R-410A یک گاز بی رنگ و بی بو است که پتانسیل ایجاد خفگی را دارد. از آنجایی که طراحی سیستم‌های VRF به مبرد متکی است زیرا سیال عامل و لوله‌های سیستم (پر شده با R-410A) باید در کل پوشش ساختمان نصب شوند، سیستم‌های VRF صدها متر لوله‌کشی دارند. با صدها کیلوگرم مبرد تحت فشار.

متأسفانه، ماهیت نحوه عملکرد VRF (تعدیل فشار مبرد) نیز دلیل عدم وجود سیستم های تشخیص نشت در سیستم های VRF است. به دلیل این واقعیت که شبکه‌های لوله‌کشی طولانی در تعیین محل نشتی مبرد مشکل ایجاد می‌کنند، که منجر به نگرانی‌های بیشتر برای سلامت و ایمنی سرنشینان می‌شود. به همین دلیل، ASHRAE 15 الزامات طراحی را مطرح می کند که حجم کل مبرد موجود در یک سیستم را بر اساس حجم کوچکترین فضای ارائه شده توسط سیستم محدود می کند.

متأسفانه، این الزامات ایمنی اغلب با استفاده از دیفیوزرهای درب و/یا پلنوم های معمولی سقف به طور ناکافی مورد توجه قرار می گیرند. پرداختن صحیح به خطر نشت R-410A مستلزم ملاحظات طراحی گسترده و هزینه های اضافی مانند آشکارسازهای مبرد، سیستم های مجزا برای فضاهای کوچکتر، تنظیم مجدد لوله ها و غیره است.

سخن پایانی

سیستم VRF به‌عنوان یکی از مدرن‌ترین و هوشمندترین راهکارهای تهویه مطبوع، توانسته جایگاه ویژه‌ای در پروژه‌های ساختمانی امروزی پیدا کند. این فناوری با ارائه کنترل دقیق دما، صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کاهش هزینه‌های نگهداری و قابلیت سرمایش و گرمایش هم‌زمان، گزینه‌ای ایده‌آل برای فضاهای مسکونی، اداری، تجاری و حتی صنعتی محسوب می‌شود. اگر به‌دنبال سیستمی کم‌صدا، قابل اعتماد و متناسب با نیازهای متغیر فضاهای مختلف هستید، بدون شک سیستم VRF می‌تواند انتخابی هوشمندانه و آینده‌نگرانه باشد.

سوالات متداول