هر آنچه که باید در مورد سیستم های VRF بدانید!

سیستم VRF مخفف عبارت لاتین “Variable Refrigerant Flow” است که نوع پیشرفته سیستم HVAC می باشد و ما در این مقاله به بررسی آن می پردازیم. با حجم قابل توجهی از اطلاعات متناقض در مورد کاربرد فن آوری های مختلف برای سیستم های HVAC، این پس از تهویه نو، توضیحی در خصوص برخی از جنبه های فنی سیستم های جریان متغییر مبرد (VRF) را ارائه می دهد و هزینه نصب، هزینه سرویس و نگهداری و عملکرد آن را نیز مورد بررسی قرار می دهد.

• بیشتر بخوانید: طراحی و اجرای سیستم تهویه مطبوع (EPC)

سیستم VRF چیست؟

جریان مبرد متغیر (VRF) که به عنوان حجم مبرد متغیر نیز شناخته می شود، سیستمی است که از مبرد، معمولاً R-410A، به عنوان سیال عامل برای توزیع گرما در داخل ساختمان استفاده می کند. خروجی سیستم بر اساس بار سیستم تنظیم می شود، جایی که جریان مبرد توسط دریچه های انبساط الکترونیکی و کمپرسورهای سرعت متغیر تنظیم می شود.

VRF یک فناوری نسبتاً جدید است که برای اولین بار در ژاپن در دهه 1980 توسعه یافت. طرح های سیستم VRF برای اولین بار در اوایل دهه 2000 در بازار آمریکای شمالی ظاهر شد.

به طور کلی، سیستم‌های VRF از یک واحد مرکزی بیرونی با کمپرسور(های) یکپارچه سرعت متغیر و واحدهای داخلی متعدد با انواع و ظرفیت‌های مختلف تشکیل شده‌اند که توسط دریچه‌های انبساط الکترونیکی (EEVs) مدوله می‌شوند. طرح‌های سیستم VRF معمولاً کنترل‌های سیستم را در یک پیکربندی زنجیره‌ای مرتب می‌کنند و معمولاً از یک سیستم لوله‌کشی منفرد که به صورت سری و موازی متصل هستند استفاده می‌کنند.

• بیشتر بخوانید : دستگاه زنت چیست؟

سیستم VRF چگونه کار می کند؟

در سطح بالا، توالی عملکرد یک سیستم VRF به شرح زیر است:

• کنترل‌کننده‌های محلی نقاط تنظیم را با دمای اتاق مقایسه می‌کنند و دریچه‌های انبساط مربوطه را مستقیماً برای باز یا بسته کردن به‌عنوان راهی برای تعدیل جریان در سیستم، مقایسه می‌کنند.
• یک کنترل‌کننده مرکزی داده‌های همه کنترل‌کننده‌ها را برای درک بار خالص یکپارچه می‌کند و سرعت کمپرسور را طوری تنظیم می‌کند که نه تنها خواص ترمودینامیکی مبرد را با بار مورد نیاز مطابقت دهد، بلکه فشار لازم برای حرکت مبرد را برای توزیع مناسب گرما نیز اضافه می‌کند.
• هنگام کار در حالت خنک کننده، دریچه های انبساط فشار مبرد را هنگام ورود به اواپراتورها کاهش می دهند. مبرد انرژی را از فضای تهویه شده جذب می کند و آن را به کمپرسور منتقل می کند. کندانسور گرمای جمع شده توسط مبرد را به بیرون ساختمان دفع می کند.

محدودیت هایی 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.

• بیشتر بخوانید: بررسی انواع سیستم تهویه مطبوع هوا

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.

بررسی هزینه نصب سیستم VRF

در جایی که طرح‌های سیستم VRF دارای نقاط قوت و مزایای منحصربه‌فردی برای ساختمان‌ها و فضاهای با اندازه‌های خاص هستند، بسیاری از ادعاهای صنعت در مورد صرفه‌جویی در هزینه‌ها نسبت به دیگر طرح‌های سیستم استاندارد صنعتی مبتنی بر مقایسه‌های قدیمی است که قابل بررسی دقیق نیستند.

در مقاله‌ای که در Plumbing & Mechanical در سال 2013 منتشر شد، گرگ کانیف خاطرنشان می‌کند که تفاوت هزینه‌های نصب در درجه اول نتیجه نیاز به سیستم‌ها و کنترل‌های پیچیده‌تر مدیریت مبرد در سیستم‌های VRF است. تفاوت های اصلی به عوامل زیر وابسته می باشد :

• تغییرات طراحی مورد نیاز برای قرار دادن ایمن مبرد به عنوان سیال کار
• الزامات نصب دقیق تر
• تفاوت در هزینه های لوله کشی و نصب لوله کشی

بررسی هزینه‌ها در سال 2004 نشان داد که برآوردهای اولیه هزینه‌های نصب شده برای سیستم‌های VRF از 5 تا 20 درصد بیشتر از سیستم‌های معمولی برای یک ساختمان اداری ایالات متحده است.

در مطالعه دقیق‌تر دیگری از سال 2013 به نام «تحلیل مقایسه‌ای سیستم VRF و سیستم‌هایجان» سیگنتالر در مقاله‌ای در سال 2015 با عنوان «هیدرونیک مدرن در مقابل سیستم‌های جریان مبرد متغیر» نشان داد که نسبت بزرگ‌تر تفاوت هزینه ناشی از تفاوت در نیازهای مواد است.

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.

داده های هزینه صنعت از سال 2020 نشان می دهد که مس با رتبه ASTM B280 برای 50 فوت لوله 7/8 اینچی، 346.12 دلار هزینه دارد، در حالی که 60 فوت 2 لوله فولادی کربنی 40 1/2 اینچی (معمولاً برای کاربردهای گرمایش هیدرونیک استفاده می شود) فقط 28 دلار هزینه دارد. همانطور که این اعداد نشان می‌دهند، هر گونه سود هزینه ادعایی ناشی از کوچک‌تر بودن (قطر) لوله‌کشی VRF نسبت به لوله‌کشی هیدرونیک (برای یک بار معادل) با هزینه اضافی نوع ماده و درجه فشار جبران می‌شود. HVAC متداول، با تمرکز بر هزینه چرخه زندگی»، Jaesuk Park نشان می‌دهد که سیستم‌های VRF برای مدارس و ساختمان‌های آپارتمانی به ترتیب بین 14.90 دلار و 34 دلار در 0.09 متر مربع هزینه دارند.

به طور نسبی، سیستم های هیدرونیک سنتی از 11.90 دلار به ازای هر فوت 2 تا 31 دلار بر 0.09 متر مربع برای انواع نصب یکسان متغیر است.

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.

بیشتر بخوانید: بررسی سیستم های تهویه مطبوع تمام آب، تمام هوا و هواشوی

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.