Systeme mit variablem Kältemittelfluss (VRF) variieren den Kältemittelfluss zu den Innengeräten je nach Bedarf. Diese Fähigkeit, die Kältemittelmenge zu steuern, die Gebläsekonvektoren zugeführt wird, die sich im gesamten Gebäude befinden, macht die VRF-Technologie ideal für Anwendungen mit unterschiedlichen Lasten oder wo eine Zoneneinteilung erforderlich ist.
VRF-Systeme sind entweder als Wärmepumpensysteme oder als Wärmerückgewinnungssysteme für Anwendungen erhältlich, bei denen gleichzeitiges Heizen und Kühlen erforderlich ist. VRF-Systeme bieten nicht nur überlegenen Komfort, sondern auch Designflexibilität, Energieeinsparungen und eine kostengünstige Installation.
VRF-TECHNOLOGIE
In einem VRF-System können mehrere Innen-Gebläsekonvektoren an eine Außeneinheit angeschlossen werden. Das Außengerät hat einen oder mehrere Kompressoren, die durch einen Wechselrichter angetrieben werden, sodass ihre Geschwindigkeit durch Änderung der Frequenz der Stromversorgung des Kompressors variiert werden kann. Wenn sich die Kompressordrehzahl ändert, ändert sich auch die vom Kompressor gelieferte Kältemittelmenge.
Jede Innen-Fan-Coil-Einheit hat ihr eigenes Messgerät, das von der Inneneinheit selbst oder von der Außeneinheit gesteuert wird. Da jedes Innengerät einen Bedarf an das Außengerät sendet, liefert das Außengerät die Menge an Kältemittel, die benötigt wird, um die individuellen Anforderungen jedes Innengeräts zu erfüllen (Abb. oben).
Diese Merkmale machen das VRF-System ideal geeignet für alle Anwendungen, die Teillastanforderungen basierend auf Nutzung oder Gebäudeausrichtung haben, sowie Anwendungen, die eine Zoneneinteilung erfordern.
VORTEILE EINES VRF-SYSTEMS
Kontrolle bedeutet Komfort
Der Schlüssel zur Bereitstellung von Komfort liegt in der Bereitstellung von Wärme oder Kälte, wann und wo sie benötigt wird, ohne Schwankungen der Raumtemperatur.
In herkömmlichen Systemen ist der Kompressor entweder ein- oder ausgeschaltet, sodass selbst Räume mit individueller Steuerung Schwankungen der Raumtemperatur ausgesetzt sind, wenn der Kompressor stoppt und dann wieder startet, um die Thermostateinstellung beizubehalten (Abb. unten).
Da in einem VRF-System die Drehzahl des Kompressors variiert werden kann, schaltet der Kompressor nicht ein und aus, sondern arbeitet kontinuierlich für längere Zeiträume (Abb. unten). Der erforderliche Kältemittelfluss wird dem Gebläsekonvektor des Innengeräts zugeführt, und sobald der Sollwert erreicht ist, wird der Kältemittelfluss angepasst, um die Raumtemperatur gleichmäßig und ohne Schwankungen aufrechtzuerhalten.
Zusätzlich zu den unterschiedlichen Sollwerten können die Lüftergeschwindigkeiten und Lamellenpositionen des Innengeräts geändert werden, um zusätzlichen Komfort im Raum zu bieten.
Designflexibilität
Einer der Hauptvorteile eines VRF-Systems ist die Flexibilität, die durch die Vielfalt des Produktangebots geboten wird. Es sind mehrere Typen und Größen von Gebläsekonvektoren für jede Anwendung erhältlich.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für ein Zonenlayout für ein VRF-System, das Außengeräte, 4-Wege-Gebläsekonvektoren vom Kassettentyp und Hochwand-Gebläsekonvektoren kombiniert, um komfortable Bedingungen für unterschiedliche Nutzungen von 15 verschiedenen Räumen innerhalb desselben Gebäudes zu schaffen.
Denken Sie bei der Auswahl eines VRF-Systems daran, dass nicht alle Systeme die gleichen Rohrleitungskapazitäten haben. Systeme mit erweiterten Rohrleitungsfunktionen maximieren die Anwendungsflexibilität der VRF-Technologie. Wichtige Überlegungen bei der Überprüfung der Rohrleitungskapazitäten sind:
- 1) der maximal zulässige Höhenunterschied zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Innengerät in einem einzelnen System und
- 2) der zulässige Abstand vom Außengerät zum am weitesten entfernten Gebläsekonvektor im System
Kostengünstige Installation
Je nach Anwendung kann die Installation eines VRF-Systems eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Systemen sein, die Kanäle oder große Rohrgrößen sowie Pumpen und Boiler im Fall von Kaltwassersystemen erfordern.
Außengeräte haben ein geringes Gewicht und einen geringen Platzbedarf. Das bedeutet, dass sie in einen Lastenaufzug passen, sodass zum Anheben auf eine Dachinstallation kein Kran erforderlich ist. In einigen Fällen können Einsparungen bei den Gesamtbaukosten erzielt werden, da durch die leichte Einheit eine zusätzliche Stützkonstruktion im Dach nicht erforderlich ist.
Energiesparen
Alle VRF-Systeme bieten Energieeinsparungen, indem sie die Kompressordrehzahl variieren und die Leistung des Systems so genau wie möglich an die Last anpassen. Darüber hinaus erfahren VRF-Systeme nicht die gleichen Energieverluste wie Systeme, die klimatisierte Luft durch Rohrleitungen bewegen.
Unterschiede im Design der verfügbaren Außengeräte beeinflussen jedoch den erreichten Wirkungsgrad.
VRF-SYSTEME IM VERGLEICH
Die heute auf dem Markt erhältlichen VRF-Systeme unterscheiden sich nach Anzahl und Art der Kompressoren.
Die 3 Arten von Einheiten, die hier verglichen werden, sind:
- Einfacher Kompressor mit variabler Geschwindigkeit
- Kompressor mit variabler Geschwindigkeit plus Kompressor mit fester Geschwindigkeit
- Mehrere Kompressoren mit variabler Drehzahl
Einfacher Kompressor mit variabler Geschwindigkeit
In diesem System mit einem einzigen Scroll-Kompressor mit großer Kapazität startet und läuft derselbe Kompressor, wenn Bedarf besteht, und es ist keine Redundanz verfügbar, wenn der Kompressor ausfällt.
Kompressor mit variabler Drehzahl plus Kompressor mit fester Drehzahl
In diesem Zwei-Kompressor-System startet der Inverter-angetriebene Kompressor immer und fährt hoch, bis er seine maximale Kapazität erreicht, zu welcher Zeit der Kompressor mit fester Drehzahl startet und der Inverter-angetriebene Kompressor herunterfährt. Dieses System bietet Backup-Fähigkeit.
Mehrere Kompressoren mit variabler Drehzahl
Außengeräte mit mehreren Inverter-angetriebenen Twin-Scroll-Verdichtern, wie in Abb. unten gezeigt, bieten die umfassendsten Vorteile, die mit einem VRF-System erreichbar sind.
Das System mit 3 Inverter-betriebenen Kompressoren bietet auch eine größere Backup-Fähigkeit. Wenn einer der Kompressoren ausfällt, arbeitet das System mit 67 % seiner ursprünglichen Kapazität weiter, und der Komfort im klimatisierten Raum bleibt erhalten, bis der defekte Kompressor ersetzt werden kann.
Die Startsequenz der Kompressoren wird gedreht, wodurch ihre Betriebszeit angeglichen und dadurch ein übermäßiger Betrieb eines einzelnen Kompressors minimiert wird.
Mehrere wechselrichterbetriebene Kompressoren ermöglichen der Einheit eine bessere Teillastleistung, ohne dass ein Heißgas-Bypass verwendet werden muss. Unter Niedriglastbedingungen hat das System den Vorteil, dass es nur so viele Kompressoren mit beliebiger Drehzahl laufen lässt, um die erforderliche Kapazität zu erreichen, um die Last zu befriedigen und den Komfort im klimatisierten Raum aufrechtzuerhalten.
Figure below compares the operating status of outdoor units as changes occur in the air-conditioning loads. With multiple inverter-driven compressors, a better match can be made between the load in the space and the output of the compressor; the system does not waste energy generating extra capacity and at the same time provides greater comfort by eliminating room temperature fluctuations.
Doppelrotationskompressor vs. Scrollkompressor
As noted above, the two types of compressors used in VRF outdoor units (Fig. below) provide different levels of efficiency.
Figure below compares the efficiency of a twin rotary compressor with the efficiency of a scroll compressor. The dotted line represents the scroll compressor, which has a poor efficiency at low and high speeds. In contrast is the solid line representing the twin rotary compressor, which has excellent efficiency at all speeds.
The design features of a typical rotary compressor create an advantage over the typical scroll compressor by requiring less oil to be pumped from the compressor to the refrigerant system. Reducing the amount of oil moving through the refrigerant system contributes to the efficiency of the twin rotary compressor system. Most of the oil circulated by the rotary compressor can be further isolated to the system’s outdoor unit.
Dies bedeutet, dass die Dosiervorrichtung, sobald eine Zone erfüllt ist, vollständig geschlossen werden kann – nicht teilweise offen gelassen werden, um die Ölrückführung zu erleichtern, wie es bei Scroll-Verdichtersystemen erforderlich ist. Das Schließen des Messgeräts verhindert, dass Kältemittel durch das Gerät zirkuliert, und vermeidet eine Unterkühlung oder Überhitzung des Raums. Das Ergebnis ist mehr Komfort sowie eine höhere Effizienz.
ÜBERLEGUNGEN ZUM ENTWURF
Raumaufteilung
Das Design eines VRF-Systems beginnt mit dem Verständnis des Raumlayouts. Die Ausrichtung des Gebäudes und die Jahreszeiten, in denen Spitzenlasten auftreten, müssen berücksichtigt werden. Die Art der Last (Heizen oder Kühlen) und die Verteilung der Lasten auf Zonen hängt von der beabsichtigten Nutzung des Raums ab. Diese Faktoren wiederum bestimmen, ob ein Wärmepumpensystem oder ein Wärmerückgewinnungssystem die effizienteste Wahl ist.
Die Abbildung unten zeigt eine typische Raumaufteilung mit Zonen, die als Heiz- oder Kühlbedarf angegeben sind, und der Last, die sich in Größe und Typ der gezeigten Innengeräte widerspiegelt.
Art des Systems – Wärmerückgewinnung oder Wärmepumpe?
Sowohl Wärmepumpen- als auch Wärmerückgewinnungssysteme sorgen für Heizung und Kühlung. Ein Wärmepumpensystem heizt oder kühlt je nach Bedarf.
Ein Wärmerückgewinnungssystem ist ideal, wenn gleichzeitiges Heizen und Kühlen erforderlich ist. Die größte Effizienz wird erzielt, wenn die Heiz- und Kühllasten gleich sind, indem die Energiemenge maximiert wird, die unter Verwendung des Kältemittels von einer Zone zur anderen übertragen werden kann, wie in Abb. unten gezeigt.
Die folgende Abbildung zeigt ein Gebäudelayout mit 6 Zonen. Eine Möglichkeit, die Designanforderungen dieses Gebäudes zu erfüllen, wäre die Installation von 3 Wärmepumpensystemen, wie unten gezeigt:
System 1 – Zonen A, C und D, die ähnliche Profile für Heiz- und Kühlanforderungen haben
System 2 – Zonen E und F, die ähnliche Profile für Heiz- und Kühlanforderungen haben
System 3 – Zone B, die nur gekühlt werden muss
Alternativ könnte ein größeres Wärmerückgewinnungssystem installiert werden.
Um die beste Designwahl zu bestimmen, sollten eine Effizienzanalyse und ein Kostenvergleich der beiden Optionen durchgeführt werden. Darüber hinaus sollte die Folge einer größeren Kältemittelmenge, die durch das größere System zirkuliert, berücksichtigt werden, da die Kältemittelmenge im System Auswirkungen auf die Erfüllung der Anforderungen von ASHRAE 15 hat.
Größe der Einheiten
Die Größe der ausgewählten Einheiten muss hinsichtlich der Auswirkung auf das Design des Systems berücksichtigt werden; Kleinere Einheiten bieten Flexibilität bei der Zoneneinteilung und erfordern weniger Rohrleitungen und weniger Kältemittel pro System.
Rohrleitungskonfiguration
Die Flexibilität der verfügbaren Rohrleitungsoptionen sollte berücksichtigt werden. Ein System, das mehr Optionen zum Kombinieren von Y-förmigen Anschlüssen und Verteilern bietet, könnte die Menge der verwendeten Rohrleitungen und des Kältemittels minimieren und somit die Gesamtkosten der Arbeit senken.
FAZIT
Ein VRF-System bietet eine flexible Installation und energiesparenden Kühl- und Heizkomfort und sollte als Alternative zu herkömmlichen Systemen für Anwendungen in Betracht gezogen werden, bei denen ein Zonen- oder Teillastbetrieb erforderlich ist.
Carrier Corporation Syrakus, New York
