تشغيل وحدات تكييف الهواء ذات التدفق المبرد المتغير “VRF SYSTEM OPERATION”

إن الفهم الشامل لكيفية تشغيل وحدات المضخة الحرارية VRF وكيفية عمل المكونات المختلفة بشكل فردي (وكجزء من النظام) أمر مهم لتصميم أنظمة VRF وتطبيقها بنجاح. يجب على المصممين مراعاة العديد من عوامل التشغيل قبل اقتراح أنظمة المضخة الحرارية VRF لمشروع مبنى وهي:

• إدارة الحمل

• عملية التبريد

• عملية التدفئة

• إعادة ضبط درجة حرارة التشبع

• عملية استرداد الحرارة

• عملية إزالة الجليد

• إدارة استرداد الزيت

• التحكم في الرطوبة

 إدارة الحمل – Load Management

على مستوى المنطقة، تقوم الوحدات الداخلية لنظام المضخة الحرارية VRF بإدارة الحمل (تسمى أحيانًا التحكم في السعة) من خلال EEV أو LEV.

على مستوى النظام، تقوم الوحدة الخارجية بإدارة الحمل من خلال ضاغط متغير السرعة يعمل بالعاكس the inverter-driven” variable-speed”، أو تركيبة بديلة لسعة متغيرة ومراوح وحدة خارجية متغيرة السرعة لمصدر الهواء.

لعملية التبريد، يتم التحكم في الضاغط من خلال مراقبة درجة حرارة التبخر المستهدفة أو ارتفاع درجة الحرارة المستهدفة.

لعملية التدفئة، يتم التحكم في الضاغط من خلال مراقبة درجة حرارة التكثيف المستهدفة أو التبريد الفرعي المستهدف (الشكل 7).

تُستخدم هذه القيم بعد ذلك للتحكم في ضاغط نظام VRF ومحرك المروحة وEEV/LEV لضمان التحكم المستقر في درجة حرارة الهدف، بغض النظر عن الأحمال المتغيرة والظروف البيئية (الجدول 2).

عملية التبريد – Cooling Operation

تم تصميم الوحدات الداخلية لنظام VRF للعمل بقدرات تبريد متغيرة لتتناسب مع الحمل في المنطقة المحددة.

في وضع التبريد، يتم التحكم في EEVs أو LEVs للوحدة الداخلية للحفاظ على قيمة حرارة فائقة مستهدفة target superheat valueأو درجة حرارة المبخر.

يتم تحديد الحرارة الفائقة target superheat valueعن طريق حساب الفرق في درجة الحرارة بين الثرمستور لأنبوب بخار الوحدة الداخلية والثرمستور لأنبوب المبرد السائل. عندما ينخفض ​​الفرق بين نقطة الضبط ودرجة حرارة المنطقة، يخنق صمام التمدد (والعكس صحيح)، مما يحافظ على الحرارة الفائقة المستهدفة. تتأثر سعة النظام الإجمالية بعدد الوحدات الداخلية العاملة في وضع التبريد ومعدلات تدفق الهواء وحمل المنطقة والظروف المحيطة الداخلية والخارجية.

تعمل وحدات الهواء الخارجية ووحدات مصدر المياه كمكثف متغير يتم التحكم فيه للحفاظ على فرق محدد مسبقًا بين درجة حرارة الحوض (الهواء المحيط أو الماء) ودرجة حرارة التكثيف. يحدث التمدد بشكل مستقل في كل وحدة داخلية. مع تغير الحمل لكل وحدة داخلية فردية، يتم تعديل EEV/LEV للتحكم في درجة الحرارة المستهدفة و/أو درجة حرارة المبخر. يتم ضبط الضاغط لتتناسب مع الحمل الإجمالي للنظام من خلال تغيير تدفق المبرد حسب متطلبات الوحدات الداخلية.

يجب توجيه حجم الوحدة الداخلية بالحمل المحسوب، ولكن السعة المتغيرة للوحدات تسمح بمرونة التصميم، ومطابقة السعة للحمل أقل أهمية من أنظمة السعة الفردية.

عملية التسخين – Heating Operation

في وضع التدفئة، يتم التحكم في EEV أو LEV للوحدة الداخلية للحفاظ على درجة حرارة التبريد الفرعي المستهدفة أو درجة حرارة الملف. يتم تحديد التبريد الفرعي Subcooling عن طريق حساب الفرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة تكثيف النظام ودرجة الحرارة لأنبوب السائل في الوحدة الداخلية.

عندما ينخفض ​​الفرق بين نقطة الضبط ودرجة حرارة المنطقة، يخنق صمام التمدد (والعكس صحيح)، مما يحافظ على التبريد الفرعي المستهدف target subcooling. كما هو الحال مع وضع التبريد، تتأثر سعة النظام الإجمالية بعدد الوحدات الداخلية العاملة في وضع التبرد و كمية تدفق الهواء وحمل المنطقة والشروط التصميم للهواء الداخلي والخارجي.

يعمل الملف الموجود في وحدة الهواء الخارجية أو وحدة مصدر المياه الآن كمبخر، ويفتح ويغلق EEV أو LEV وفقًا لقيمة الحرارة الفائقة superheat value المكتشفة في أنبوب الراجع suction pipe,، ويعمل حسب الضرورة للحفاظ على قيمة الحرارة الفائقة المستهدفة. مع تغير الحمل في كل وحدة داخلية فردية، يتكيف الضاغط لتغيير تدفق المبرد لمطابقة الحمل الإجمالي للنظام.

إعادة تعيين درجة حرارة التشبع – Saturation Temperature Reset

يتكون التشغيل القياسي لضاغط نظام VRFStandard operation من الحفاظ إما على درجة حرارة تشبع التبخر المستهدفة evaporating saturation temperature أو درجة حرارة التكثيف المستهدفةcondensing temperature;؛ تكون درجات الحرارة المستهدفة ثابتة عادةً، كما هو موضح في الجدول 2. بموجب هذا التحكم، يكون الحفاظ على سعة النظام هو الأولوية.

تتضمن بعض أنظمة VRF منطق تحكم قابل للتكوين للسماح لدرجات حرارة التشبع المستهدفة بالطفو بناءً على ظروف التشغيل (على سبيل المثال، درجة الحرارة المحيطة وحمل الوحدة الداخلية) لتحقيق التوازن بين كفاءة التشغيل والسعة.

أثناء التبريد، ومع انخفاض الحمل على النظام، يتم إعادة تعيين درجة حرارة التبخر المستهدفة إلى الأعلى لتقليل الرفع على الضاغط وتحسين كفاءة الطاقة. ومع زيادة حمل النظام، يتم إعادة تعيين درجة حرارة التبخر المستهدفة إلى الأسفل لزيادة سعة النظام والحفاظ على مستويات الراحة الداخلية.

عند التسخين، يمكن إعادة تعيين درجة حرارة التكثيف المستهدفة إلى أقل من خلال منطق التحكم أثناء ظروف الحمل المنخفض لتقليل رفع الضاغط وتحسين الكفاءة. ومع زيادة حمل النظام، يتم إعادة تعيين درجة حرارة التكثيف المستهدفة إلى الأعلى لزيادة سعة النظام والحفاظ على مستويات الراحة الداخلية. نظرًا لتأثر وقت الاستجابة والتشغيل، استشر الشركة المصنعة للحصول على معلمات تشغيل محددة لتحديد استراتيجية التحكم الأفضل لحالة التصميم والتطبيق.

عملية استعادة الحرارة – Heat Recovery Operation

يمكن لأنظمة استعادة الحرارة نقل الطاقة من منطقة إلى أخرى. تعتمد كمية الطاقة المنقولة على وضع تشغيل الوحدات الداخلية الفردية indoor units. تعمل الوحدة الخارجية في التبريد أو التدفئة حسب الطلب الأكبر للوحدات الداخلية.

يمكن أن تكون عملية استعادة الحرارة شائعة في المواسم الانتقالية، ويمكن تطبيقها في جميع المواسم إذا كان المبنى يحتوي على ملفات تعريف حمل منطقة مختلفة مثل أحمال الغرف الداخلية مقابل أحمال الغرف الخارجية. يمكن أيضًا تطبيق عملية استعادة الحرارة على المباني ذات الاتجاه الشرقي / الغربي أو الشمالي / الجنوبي، وعندما تعتمد ملفات تعريف الإشغال على الوقت من اليوم.

تقدم الشركات المصنعة طريقتين للتصميم لعملية استعادة الحرارة VRF: أنظمة ثنائية الأنابيب وثلاثية الأنابيب.

أنظمة ثنائية الأنابيب “Two-Pipe Systems”: تتضمن أنظمة استعادة الحرارة VRF ثنائية الأنابيب وحدة تحكم في استعادة الحرارة (تسمى أحيانًا وحدة تحكم فرعية أو صندوق فرعي أو وحدة استعادة حرارة) تعمل كمبادل حراري وسيط بين الوحدات الداخلية والوحدة (الوحدات) الخارجية. تحتوي هذه الوحدة على سلسلة من صمامات التحويل وفواصل الغاز/السائل لتحريك المبرد عالي أو منخفض الضغط بين الوحدات الداخلية، مما يقلل من الحمل المنقول مباشرة إلى الوحدة الخارجية (الشكل 8).

تكون أنظمة استرداد الحرارة VRF ثنائية الأنابيب في وضع استرداد الحرارة الكلي أو المتوازن عندما تكون أحمال التدفئة والتبريد في منطقة الذروة متساوية. أثناء وضع استرداد الحرارة المتوازن، يتم توصيل غاز التبريد الساخن من ضاغط الوحدة الخارجية إلى وحدة التحكم في استرداد الحرارة، حيث يتم توزيعه بعد ذلك على الوحدات الداخلية في المناطق التي تتطلب التدفئة.

يتم توصيل سائل التبريد subcooled refrigerant من الوحدات الداخلية في وضع التدفئة مرة أخرى إلى وحدة التحكم في استرداد الحرارة، حيث يتم إعادة توزيعه على الوحدات الداخلية في وضع التبريد. يكون سائل التبريد الذي يغادر الوحدات الداخلية في وضع التبريد في حالة بخار منخفضة الضغط، مما يكمل حالة التوازن في دورة التبريد. يتم توصيل هذا البخار منخفض الضغط إلى وحدة التحكم في استرداد الحرارة قبل العودة إلى ضاغط الوحدة الخارجية، حيث يتم ضغطه إلى غاز عالي الضغط عن طريق إضافة حرارة الضغط إلى العملية. تتكرر الدورة بالطريقة السابقة. إذا لم يكن النظام متوازنًا تمامًا بين أحمال التدفئة والتبريد، فلن يتم تجاوز المبادل الحراري في الوحدة الخارجية. يتم امتصاص الطاقة الحرارية جزئيًا أو رفضها، اعتمادًا على التوازن بين أحمال التدفئة والتبريد.

أنظمة الأنابيب الثلاثة “Three-Pipe Systems“: تتضمن أنظمة VRF ثلاثية الأنابيب أنبوب بخار واحد عالي الضغط وأنبوب بخار واحد منخفض الضغط وأنبوب سائل واحد بين الوحدة الخارجية ووحدة (وحدات) التحكم في استرداد الحرارة. تتحكم وحدة التحكم في استرداد الحرارة في اتجاه تدفق المبرد عبر الوحدات الداخلية. في وضع التدفئة، يفتح أنبوب البخار عالي الضغط ويغلق أنبوب البخار منخفض الضغط، مما يسمح للمبرد بالتدفق عبر أنبوب البخار عالي الضغط وإلى الوحدة الداخلية، حيث يتكثف، مما يحول الوحدة الداخلية إلى مكثف مقسم إلى مناطق. في وضع التبريد، يُغلق أنبوب البخار عالي الضغط ويُفتح أنبوب البخار منخفض الضغط، مما يسمح للغاز المبرد بالتدفق عبر أنبوب السائل إلى الوحدة الداخلية، حيث يتبخر، مما يحول الوحدة الداخلية إلى مبخر.

يمكن أن تحتوي وحدات استعادة الحرارة في نظام VRF ثلاثي الأنابيب على منفذ واحد أو منافذ متعددة، ويمكن لكل منفذ توفير التدفئة أو التبريد بشكل مستقل عن المنافذ الأخرى (الشكل 9). يمكن توصيل وحدة داخلية واحدة أو أكثر بكل منفذ في وحدة استعادة الحرارة، ولكن إذا تم توصيل وحدات داخلية متعددة بمنفذ واحد، فستعمل في نفس الوضع. يجب أن تتبع أعداد وسعة الوحدات الداخلية المتصلة توصيات الشركة المصنعة.

استعادة الحرارة متعددة الطبقات في أنظمة VRF ذات مصدر المياه. Multilayer Heat Recovery in Water-Source VRF Systems: توفر أنظمة VRF ذات مصدر المياه فرصة لمستويين من استعادة الحرارة، لأنه يمكن تبادل الطاقة الحرارية بين المناطق عند مستوى المبرد وكذلك بين الأنظمة من خلال حلقة المياه (الشكل 10).

إزالة الجليد – Defrost Operation

كما هو الحال مع جميع أنظمة مضخات الحرارة التي تعمل بالهواء، يمكن أن تتراكم الصقيع في ملفات المبادل الحراري للوحدة الخارجية VRF أثناء عملية التسخين في ظل بعض ظروف درجة الحرارة والرطوبة. يتم تضمين عملية دورة إزالة الصقيع لإذابة الصقيع المتراكم، لكنها تختلف من شركة إلى أخرى. في بعض الأحيان، تبدأ عملية إزالة الصقيع بعد وقت ثابت أو حد أدنى متغير، بناءً على فرق درجة الحرارة المستشعر بين المحيط والمبرد. تستشعر بعض الأنظمة تراكم الصقيع من خلال انخفاض درجة الحرارة في خط مبرد البخار منخفض الضغط، و/أو درجة حرارة منخفضة في ملفات المبادل الحراري للوحدة الخارجية. تتوقف عملية التسخين، ويعكس النظام تدفق المبرد، مما يجعل ملف الوحدة الخارجية مكثفًا لإذابة الصقيع المتراكم. يتم إيقاف تشغيل الوحدات الداخلية طوال مدة عملية إزالة الصقيع لتجنب التبريد غير المرغوب فيه للمساحة المكيفة. بدلاً من ذلك، يمكن للوحدة الداخلية الحفاظ على درجة حرارة المساحة من خلال إشارة خرج إلى سخان إضافي (قناة أو محيط)، كما يتم التحكم فيه من خلال ترموستور قائم على الغرفة. قد يستخدم المصنعون نهج إزالة الجليد الجزئي، والذي يستخدم تكوين ملف مقسم في الوحدة (الوحدات) الخارجية، وإزالة الجليد عن نصف الملف فقط في المرة الواحدة مع الاستمرار في توفير ما يقرب من 30 إلى 40٪ من سعة التدفئة. إذا كان النظام يحتوي على وحدات خارجية متعددة متصلة ببعضها البعض لتكوين نظام واحد، فقد يختار المصنعون إزالة الجليد عن كل وحدة خارجية على حدة، أو إزالة الجليد عن جميع الوحدات الخارجية في نظام واحد معًا لتقليل وقت إزالة الجليد الكلي للنظام أو ضمان إزالة الجليد من الملف بشكل أكثر فعالية. قد يستخدم المصنع أيضًا منطقًا يسمح للمعدات بتشغيل إزالة الجليد الجزئية في الظروف التي يكون فيها إزالة الجليد من الملف أسهل أو عندما لا يؤثر ذلك سلبًا على الكفاءة، أو إزالة الجليد بالكامل لضمان خلو الملف تمامًا من الجليد عندما يكون من الصعب إزالة الجليد من الملف للحفاظ على السعة. يمكن تركيب وحدات خارجية تعمل بالهواء في الداخل، ولكن كل مصنع لديه متطلبات تركيب محددة لكل من درجات حرارة التشغيل المحيطة وتكوينات القنوات المحتملة لهذا التطبيق. أينما اختار المصمم تركيب الوحدة الخارجية (داخليًا أو خارجيًا)، فمن المهم أن يضع في اعتباره أن الوحدة ستولد تكاثفًا، وبالتالي قد تتطلب تصريفًا.

إدارة استرداد الزيت – Oil Recovery Management

أثناء التشغيل العادي، قد يهاجر الزيت خارج الضاغط، لذلك قد يقوم المصنعون بتضمين فاصل زيت لكل ضاغط في الوحدة (الوحدات) الخارجية. يستخدم فاصل الزيت سرعة تصريف الضاغط لتدوير المبرد إلى غلاف الفاصل، حيث يتجمع الزيت

على الجدران، ثم تتسرب بفعل الجاذبية إلى القاع وتعود إلى حوض زيت الضاغط.

تجمع فواصل الزيت معظم الزيت؛ ومع ذلك، تبقى كمية صغيرة من الزيت محصورة في مادة التبريد التي تغادر الفاصل، وغالبًا ما تتجمع في نظام الأنابيب والوحدات الداخلية. لاستعادة الزيت الذي يستقر في النظام وبعيدًا عن حوض الزيت، تفتح عناصر التحكم صمام التمدد الإلكترونيEEV  أو صمام التمدد المنخفض في جميع الوحدات الداخلية (حتى إذا لم تكن قيد التشغيل) بعد فترة محددة من تشغيل الضاغط. يتحول الضاغط إلى سرعة أو إعداد محدد مسبقًا لضمان تدفق الزيت الموجود في النظام مرة أخرى إلى حوض زيت الضاغط. تبدأ دورة استرداد الزيت عمومًا بعد تشغيل الضاغط لعدد محدد مسبقًا من الساعات، وقد تأخذ في الاعتبار القدرة التشغيلية لضبط تردد الدورة، أو استخدام مستشعر مستوى الزيت. يستمر استرداد الزيت عادةً من 3 إلى 6 دقائق وقد يؤثر على وضع التشغيل، كما هو محدد من قبل الشركة المصنعة.

التحكم بالرطوبة – Humidity Control

يتم في منطقة الراحة التحكم في الرطوبة ومخرجات الوحدة الداخلية المرتبطة بها بناءً على نقطة ضبط درجة الحرارة الجافة في المساحة أو في موقع مركزي. تتراوح نسبة التبريد المحسوس إلى الإجمالي عادةً في نطاق 70 إلى 80%، اعتمادًا على تدفق الهواء عبر الوحدة ودرجات حرارة الهواء المحيط أو مياه المكثف. تتوافق السعات المقدرة للوحدات الداخلية المثبتة عادةً مع الحمل الإجمالي الأقصى للتدفئة أو التبريد للعناصر الإجمالية والحساسة والكامنة للمنطقة المحددة. يتبع خرج الوحدة الداخلية منحنى ملف تعريف الحمل لتلك المنطقة المحددة. تتغير نسبة الحمل الحسي إلى الكامن وفقًا للظروف المحيطة الداخلية والخارجية في معظم تطبيقات التبريد.

تتضمن بعض الوحدات الداخلية وضعًا جافًا يمكن أن يوفر إزالة الرطوبة بمجرد ارتفاع درجات حرارة المنطقة فوق عتبة درجة حرارة نقطة الندى. في الوضع الجاف، تعمل الوحدة الداخلية بسرعة مروحة منخفضة للحفاظ على برودة الملف، وبسعة كافية لإزالة الرطوبة من الهواء دون خفض درجة حرارة الغرفة بشكل كبير. إذا انخفضت درجة حرارة المنطقة إلى ما دون نقطة ضبط محددة (اعتمادًا على مواصفات الشركة المصنعة الفردية)، فقد يتم إيقاف تشغيل الوحدة الداخلية.

إذا تم تطبيق نظام هواء خارجي مخصص (DOAS) على نظام VRF، فإن درجات الحرارة المنخفضة خارج الملف في DOAS تسمح لنظام DOAS بإدارة نسبة كبيرة من حمولة التبريد الكامنة للهواء الخارجي. وهذا يسمح للوحدات الداخلية لنظام VRF بإدارة غالبية أحمال التبريد الحسية والكامنة للهواء الداخلي.

في دورات التدفئة الشتوية حيث يكون الترطيب مطلوبًا للحفاظ على راحة المنطقة، يمكن استخدام وحدة ترطيب تكميلية من خلال نظام تهوية الهواء. يمكن أن تساعد مروحة استرداد الطاقة (ERV)، على عكس عجلة استرداد الحرارة أو مروحة اللب، كجزء من نظام تهوية الهواء، في تقليل الأحمال الكامنة أثناء وضع التبريد. في وضع التدفئة الشتوي، يتم ترطيب هواء الإمداد الخارجي البارد والجاف جزئيًا بواسطة هواء العادم الرطب. في وضع التبريد الصيفي، تنتقل الرطوبة من هواء الإمداد الخارجي إلى هواء العادم الجاف، وبالتالي تقليل الحمل الكامن على وحدات VRF الداخلية.

وحدات VRF عالية الأداء للتدفئة من تبريد هوائي– High-Heating-Performance Air-Source VRF Units

لتحسين أداء التدفئة لأنظمة VRF من مصدر الهواء في ظروف درجات الحرارة المحيطة المنخفضة، طور المصنعون دورات تبريد بحيث يمكن الحفاظ على أداء التدفئة الاسمي بنسبة 100% عند درجة حرارة محيطة منخفضة تصل إلى -15 درجة مئوية، وبنسبة إنتاج تدفئة تبلغ حوالي 80% عند -25 درجة مئوية. تتضمن الاستراتيجيات لتحقيق مستويات أداء التدفئة هذه الحقن الفوري ودورة ضغط على مراحل.

الحقن الفوري Flash Injection. تتضمن بعض أنظمة VRF من مصدر الهواء تقنية الحقن الفوري على دارة تبريد ذات ضاغط واحد لتقديم إنتاج تدفئة متزايد عند درجات حرارة محيطة منخفضة. توفر مثل هذه الأنظمة إنتاج تدفئة اسمي عند درجات حرارة محيطة منخفضة تصل إلى -18 درجة مئوية. يتم تعديل تدفق غاز الفلاش إلى نقطة وسيطة في عملية الضغط بناءً على الفرق بين الناتج المطلوب للتدفئة والظروف المحيطة الخارجية. يتم تحسين سرعة الضاغط بناءً على حمل الدائرة (الشكل 11).

تعمل دورة الحقن السريع فقط في وضع التدفئة، وتنشط بناءً على ظروف محيطة محددة مسبقًا.

دورة الضغط المرحلية. النهج البديل لتحقيق مخرجات درجات حرارة أعلى في ظروف محيطة أقل هو استخدام الضغط المركب مع الموفرات المتوسطة (الشكل 12).

في بعض المناخات، قد لا تزال هناك حاجة إلى التدفئة التكميلية لتلبية أحمال التدفئة القصوى للمنطقة.

إقرأ أيضاَ | مكونات وعناصر وحدات تكييف الهواء المنفصلة ذات تدفق المبرد المتغير  “VRF EQUIPMENT”

2016 ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment (SI)

المراجع

air-conditioning and heat equipment. ANSI/AHRI Standard 1230- AHRI. 2010. Performance rating of variable refrigerant flow (VRF) multisplit

Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute, Arlington,VA.
ASHRAE. 2010. Safety code for mechanical refrigeration. ANSI/ASHRAE Standard 15-2010.
ASHRAE. 2013. Designation and safety classification of refrigerants. ANSI/
ASHRAE Standard 34-2013.
ASHRAE. 2010. Ventilation for acceptable indoor air quality. ANSI/
ASHRAE Standard 62.1-2010.
ASHRAE. 2013. Energy standard for buildings except low-rise residential
buildings. ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1-2013.
OE. Annual. Uniform test method for measuring the energy consumption
of central air conditioners. Code of Federal Regulations 10CFR430,
Appendix M. U.S. Department of Energy, Washington, D.C.
ICC. 2015. International Energy Conservation Code®. International Code
Council, Washington, D.C.
ISO. 2014. Refrigerating systems and heat pumps—Safety and environmental
requirements. Standard 5149-2014. International Organization for
Standardization, Geneva.