محصولات تهویه مطبوع بدون کانال که پیشگام مولتی اسپلیت و VRF محسوب می شوند، اولین بار در دهۀ 1950 در ژاپن به صورت سیستم های اسپلیت با واحدهای داخلی و واحدهای خارجی مجزا عرضه شدند. این محصولات بدون کانال به عنوان جایگزین های کارآمدتر و کم صداتر واحدهای پنجره ای طراحی شدند.
پیشرفتی که صورت گرفت این بود که سیستم های مینی اسپلیت (یک واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی) به محصولات مولتی اسپلیت تبدیل شدند به طوری که تعداد واحدهای داخلی متصل به یک واحد خارجی در اواخر دهه 1980 به 4 تا 8، در اوایل دهه 1990 به 16 واحد، و در سال 1999 به 32 واحد افزایش یافت.
سیستم های پمپ گرمایی مولتی اسپلیت، که در آنها از چند واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی استفاده می شود، از یک فناوری مناسب برای ساختمانهای مسکونی و تجاری سبک به سیستمهای با جریان متغیر مبرد یا VRF متحول شدهاند که می توانند تهویه مطبوع موثری را برای ساختمانهای تجاری بزرگ فراهم نمایند. سیستمهای VRFدر آسیا و اروپا از محبوبیت زیادی برخوردارند و با حمایت فزایندهای که از سوی سازندگان آمریکایی و آسیایی صورت می گیرد، کاربرد این فناوری در ساختمان های تجاری چند منطقه ای (مولتی زون) مورد توجه واقع شده است. در فناوری VRF از کنترل های هوشمند یکپارچه، محرک های سرعت متغیر (VSD)، لوله کشی مبرد، و بازیابی گرما برای تولید محصولاتی استفاده میشود که واجد ویژگی هایی از قبیل راندمان بالای انرژی انعطاف پذیری عملکرد، سهولت نصب، و کنترل منطقه هستند. در این قسمت به بررسی فناوری سیستم VRFپرداخته و مواردی همچون وضعیت بازار، ویژگی های فناوری، نحوه عملکرد، و کاربردهای آن را مورد بحث قرار می دهد.
وضعیت بازار سیستم های VRF
در فناوری VRF کنونی از موتورهای با مبدل جریان (کموتاتور) الکترونیکی (ECM)، کمپرسورهای اسکرال با محرک معکوس گر، کمپرسورهای چند تایی، پیکربندی های چند کاره، مداربندی پیچیده مبرد و روغن، برگشت ها، و کنترل هایی استفاده می شود که اجازه می دهند تا 64 واحد داخلی یا بیشتر به صورت متصل به یک واحد خارجی کار کنند.
محصولات بدون کانال و مولتی اسپلیت اغلب سیستم های ساخته شده در کارخانه در نظر گرفته می شوند که با محصولات سنتی یکپارچه رابت می کنند، ضمن این که بعضی از سازندگان VRF سیستم های VRF خود را به نحوی طراحی کردهاند که به عنوان جایگزین سیستم هایی از قبیل چیلرها نیز به کار می روند. در ایالات متحده میزان فروش کلی محصولات بدون کانال، مولتی اسپلیت ، و VRF در سال 2007 حدوداً 250000 واحد بود.
اما میزان فروش در ژاپن (جایی که ایده VRF شکل گرفت) و سایر قسمت های آسیا بالاتر بوده است. در اروپا که بسیاری از ساختمان های موجود فاقد تهویه مطبوع هستند، موقعیت های بهسازی نیز تقاضای بالایی را برای این محصولات ایجاد کرده است.
محصولات بدون کانال در اوایل دهه 1980 به بازار ایالات متحده وارد شدند اما نفوذ آنها در بازار بسیار کم بود که علت آن عدم پشتیبانی سازندگان ژاپنی و ناآشنایی با این فناوری بود. در آن زمان موضوع تحلیل لایه ازن نگرانی های زیادی ایجاد کرده بود و مسئله شارژ بالای مبرد سیستم های مولتی اسپلیت احتمالاً یک جنبه منفی برای این سیستم ها به شمار می آمد. اما از آن زمان، پیشرفت هایی که در زمینه مبردها، مدیریت شارژ مبرد، کنترل ها، و فناوری معکوسگر صورت گرفته اند، باعث شده اند که این سیستم ها تحول پیدا کنند. سازندگان آسیایی طی چند سال گذشته به طور مستقل یا با مشارکت سازندگان آمریکایی مجدداً به بازار ایالات متحده وارد شده اند تا به ترویج این فناوری کمک کنند. در سال 2007 حدوداً 10000 سیستم VRF در ایالات متحده به فروش رسید.
یکی از بارزترین علائم پذیرش بازار فناوری VRF این است که در بازسازی ساختمان دفتر مرکزی ASHRAE در آتلانتا از فناوری VRF مولتی اسپلیت شامل پمپ های گرمایی زون بندی شده با محرک معکوسگر سیستم بازیاب حرارت استفاده شده است.
چگونگی عملکرد سیستم های وی آر اف
سیستمهای مولتی اسپلیت متشکل از چند واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی میباشند. محصولات بدون کانال اساساً با سیستم های کانالی تفاوت دارند زیرا در آنها انتقال گرما به یا از فضا مستقیماً توسط چرخش مبرد در واحدهای داخلی (اواپراتور یا کندانسور) مستقر در داخل یا نزدیک فضای تحت تهویه مطبوع صورت می گیرد واحدهای داخلی وقتی که در وضعیت سرمایش هستند به عنوان اواپراتور و هنگامی که در وضعیت گرمایش هستند به عنوان کندانسور عمل می کنند. در مقابل، در سیستم های سنتی، انتقال گرما از مبرد به فضا توسط گردش هوا (در سیستمهای کانالی) یا آب (در چیلرها) در سراسر ساختمان انجام میشود.
سیستمهای VRF انواع پیشرفت های از سیستم های مولتی اسپلیت بدون کانال هستند که اجازه می دهند واحدهای داخلی بیشتری به هر واحد خارجی متصل شوند و امکانات اضافه ای از قبیل گرمایش و سرمایش همزمان و بازیابی گرما را نیز فراهم می کنند. سیستم های پمپ گرمایی مولتی اسپلیت گرمایش در تمام واحدهای داخلی، یا سرمایش در تمام واحدها را امکان پذیر می سازند؛ نه گرمایش و سرمایش همزمان. اما سیستم های VRF امکان گرمایش و سرمایش همزمان و همچنین بازیابی گرما جهت کاهش مصرف انرژی طی فصل گرمایش را فراهم می کنند. طی 15 سال گذشته، این فناوری در چندین زمینه متحول شده است که عبارتند از کمپرسورهای استاندارد به کمپرسورهای اسکرال با محرک معکوس گر و یا VRF محرک فرکانس متغیر تبدیل شده اند. بادزن های خارجی با محرک مستقیم به بادزن های با محرک معکوس گر و یا VRF تغییر یافته اند. موتورهای کویل داخلی با محرک مستقیم به موتورهای جریان مستقیم یا نوع ECM تبدیل شده اند. واحدهای داخلی ظرفیت متغییرسطوح تبادل حرارت بهتر با کویلهای چند بخشی بهبود کنترل ها و ادوات تشخیص و عیب یابیR-22 به R-410Aتبدیل شده است. مدیریت بهتر روغن و شارژ مبرد از سایر تحولات می توان به اضافه شدن واحدهای کانالی توکار و واحدهای کاستی سقفی به واحدهای سنتی دیواری اشاره کرد. لوله کشی مبرد با طول بیش از 1000 متر امکان پذیر می باشد و که در حدود 110 متر در حالت عمودی می باشد واحدهای خارجی نیز با اندازه های تا Btu/h 300000 موجودند.
عبارت VRF به توانایی سیستم در کنترل مقدار مبرد جاری به هریک از اواپراتورها اشاره می کند که این، استفاده از تعداد زیادی اواپراتور با ظرفیت ها و آرایش های متفاوت، کنترل انفرادی آسایش، گرمایش و سرمایش همزمان در زون های مختلف، و بازیابی گرما از یک زون برای زون دیگر را امکان پذیر می سازد. اکثر کندانسورهای VRF برای کنترل جریان مبرد به اواپراتورها از محرکهای فرکانس متغییر (VRF) استفاده می کنند. کنترل جریان مبرد منشأ بسیاری از مزایای سیستم های VRF است ضمن این که چالش فنی اصلی این سیستم ها نیز به شمار می رود. در اکثر موارد، هنگامی که کلیه زون های ساختمان طی یک دوره عملیاتی به سرمایش و یا همه آنها به گرمایش نیاز داشته باشند، می توان سیستم های دو لوله ای را به طور موثر در سیستم های پمپ گرمایی VRF مورد استفاده قرار داد. اما موقعی که طی یک دوره عملیاتی، بعضی از فضاهای ساختمان باید خنک و برخی دیگر باید گرم شوند، سیستم های سه لوله ای (یک لوله گرمایشی، یک لوله سرمایشی، و یک لوله برگشت) بهترین کارایی را خواهند داشت (این وضعیت اغلب در زمستان و در ساختمان های با اندازه متوسط تا بزرگ که دارای یک بخش مرکزی قابل توجه هستند، اتفاق می افتد).
البته یکی از سازندگان یک سیستم دو لوله ای عرضه کرده که می تواند گرمایش و سرمایش همزمان و همچنین بازیابی گرما را تأمین کند. بازیابی گرما را می توان با انتقال حرارت بین لوله هایی که مبرد را برای واحدهای سرمایشی و گرمایشی تأمین می کنند، انجام داد. یک راه، استفاده از مبدل های حرارتی است تا گرما را از واحدهایی که در وضعیت سرمایش هستند استخراج کرده و آن را به مبرد ورودی به زون تحت گرمایش انتقال دهند. محصول ارائه شده توسط یکی از سازندگان ابتدا مبرد را به واحدهایی که نیاز به گرمایش دارند ارسال می کند، اجازه می دهد که مبرد چگالیده شود، آن را در یک نقطه مرکزی جمع می کند و سپس آن را به اواپراتورهایی که سرمایش را انجام می دهند ارسال می کند. اکثر سازندگان دارای یک طرح اختصاصی برای لوله کشی و عملکرد سیستم بازیاب گرما هستند و برای این منظور از آرایشهای شیرگذاری، مبدل های حرارتی، کنترل ها، رسیورها، و جعبه های توزیع خاصی استفاده می کنند. تهویه را به چند طریق می توان با سیستم VRF یکپارچه نمود.
یک واحد داخلی اختصاصی VRF را می توان در یک آرایش کانالی جهت مطبوع کردن هوای تهویه مورد استفاده قرار داد. همچنین می توان یک سیستم تهویه و واحد مطبوع کننده مجزا را با استفاده از فناوری سنتی نصب کرده و عملکرد سیستم VRF را به هوای باز چرخشی منحصر نمود. بعضی از واحدهای VRF هم از این قابلیت برخوردارند که مقداری از هوای خارج را به دست گرفته و تأمین نمایند. آوردن هوای خارج به داخل اتاق و سپس مطبوع کردن آن با VRF توصیه نمی شود به استثنای آب و هواهای خشک که در آنها چگالش، مشکلات رطوبتی را ایجاد نخواهد کرد. از ونتیلاتورهای بازیاب گرما نیز می توان استفاده نمود تا بارهای سرمایی وارده بر واحدهای VRF را کاهش دهند. هر دو نوع سیستم های آب خنک و هوا خنک موجودند؛ همچنین سیستم هایی که با واحدهای ذخیره سازی یخ یکپارچه شده اند.
کارایی سیستم VRF
کارایی سیستم VRFمحققان ایتالیایی هزینه های نصب و راهبری سیستم VRF را در 14 ساختمان واقع در ایتالیای مرکزی/شمالی مورد مقایسه قرار دادهاند. در سال 1998، در هفت تا از این ساختمان ها سیستم چیلر/دیگ و در هفت ساختمان دیگر سیستم VRF که برای تأمین گرمایش در دمای تا Cº -20طراحی شده بود نصب شدند. سیستم های VRF در دوره مورد بررسی 35% انرژی کمتری مصرف کردند و 40% هزینه های نگهداری پایین تری داشتند. البته همانطور که توسط محققان عنوان شده، قیمت تجهیزات برای سیستم های VRF بالاتر از سیستم های مبتنی بر چیلر است اما این هزینه اضافی توسط هزینه های پایین تر نصب برای سیستم های VRF جبران می شود. اطلاعات به دست آمده از یکی دیگر از محققان نشان می دهد که سیستم های VRF می توانند 30% تا 40% انرژی مصرفی توسط یک سیستم سرمایش 200 تنی مبتنی بر چیلر را در یک ساختمان تجاری صرفه جویی کنند. همین اطلاعات حاکی از آن است که هزینه تجهیزات نصب شده در یک سیستم VRF حدوداً 8% بیشتر از یک چیلر آب خنک و 16% بیشتر از یک چیلر هوا خنک خواهد بود.
با ترکیب پیش بینی های مصرف انرژی و هزینه تجهیزات نصب شده برآورد می شود که دوره استهلاک هزینه سیستم VRF در مقایسه با یک چیلر هوا خنک تقریباً 5/1 سال و در مقایسه با یک چیلر آب خنک حدوداً 8 ماه باشد. یکی دیگر از تحقیقات، صرفه جویی 38 درصدی را در مقایسه با یک سیستم VAV پشت بامی نشان داد، البته در این تحقیق یک سیستم VRF جدید با سیستم VAV پشت بامی موجود مورد مقایسه گرفت. نتایج شبیه سازی برای آب و هوای برزیل، صرفه جویی 30 درصدی در تابستان و 60 درصدی در زمستان را نشان دادند. پیش بینی می شود که در ایالات متحده صرفه جوییها بین 5 تا 15 درصد خواهند بود.
طی یکی دیگر از تحقیقات مدلسازی که در آن سیستم VRF با نسخه ای از نرم افزار Energy Plus مورد شبیه سازی قرار گرفت، مشخص شد که در یک ساختمان اداری 10 طبقه در شانگهای، یک سیستم VRF بیش از 20% در مقایسه با یک سیستم متشکل از فن کویل و هوای تازه، در مصرف انرژی صرفه جویی می کند. هزینه های تجهیزات و نصب آنها وابستگی بالایی به نوع کاربرد، ساختار و طرح ساختمان دارند و این که آیا نصب در ساختمان جدید صورت می گیرد یا این که در ساختمان موجود و به منظور بهسازی انجام میشود. عدم آشنایی پیمانکاران آمریکایی با این فناوری، هزینه های سیستم VRF را افزایش خواهد داد. هزینه های کلی( هزینه تجهیزات و نصب آنها) برای سیستم های VRF احتمالاً 5% تا 20% بالاتر از سیستم های آب سرد با ظرفیت مشابه خواهند بود. بنا بر اظهار یکی از سازندگان، هزینه سیستم های VRF تقریباً 30% تا 50% بیشتر از سیستم های کانالی پکیج هم ظرفیت با SEER برابر 13 تا 14 و بیش از دو برابر واحدهای ترمینالی پکیج است. این اظهارات ممکن است جالب باشند اما به اندازه مقایسه VRF و چیلر، در صورتی که سازندگان VRF محصولات خود را به عنوان جایگزین چیلر طراحی کنند، اهمیت ندارند. هزینه و مصرف انرژی سیستم های VRF شدیداً وابسته به نوع کاربرد بوده و باید با تجزیه و تحلیل و انجام تست های آزمایشگاهی و میدانی دقیق بر روی سیستم های مولتی اسپلیت تعیین شوند.
بهترین کاربردهای سیستم های VRF
کاربردهای اولیه VRF در ساختمانهای تجاری در بر گیرنده تجهیزات کامپیوتری از قبیل مراکز داده جدید و وضعیت هایی است که به سرمایش موضعی نیاز باشد. بناهای تاریخی نیز از حداقل تغییرات و اصلاحات لازم برای افزودن یک سیستم VRF منتفع شده اند. وضعیت های بهسازی که مستلزم افزایش یا ارتقای تهویه مطبوع فضا باشند نیز کاربردهای خوبی برای سیستم های بدون کانال محسوب می شوند زیرا کانال کشی اضافی مورد نیاز برای تهویه را می توان با سیستم های VRF در مقایسه با سیستم های کانالی به حداقل رساند. سایر کاربردهای مناسب برای سیستم های VRF جاهایی هستند که تهویه مطبوع تفکیک شده و تأمین آسایش شخصی یک مزیت باشد. از قبیل ساختمان های اداری، پاساژها، هتل ها و متل ها، بیمارستان ها و آسایشگاه ها نیز کاندیداهای خوبی به شمار می روند زیرا سیستم VRF اجتناب از اختلاط هوا در زونها را آسان می سازد. در بانک ها نیز به لحاظ ایمنی استفاده از این سیستم مطلوب می باشد زیرا به خاطر کوچک تر شدن قطر شبکه کانال، مسیرهای مخفی ورود به بانک به حداقل می رسند. حتی در مدارس که اغلب به لحاظ اشغال بالا به 100% هوای خارج نیاز دارند نیز می توان از واحدهای VRF همراه با ونتیلاتورهای بازیاب گرما برای تأمین بار استفاده کرد. سیستمهای VRF همچنین در خانه های لوکس تک خانوار و نیز آپارتمان ها و ساختمان های مسکونی چند خانواری قابل استفاده اند.
