VRV Variable Refrigerant Volume

Transkript

1 VRV Variable Refrigerant Volume Siv.ing. Knut Megård, Friganor AS Innledning I Europa selges over VRV-systemer i året. I Norge er systemet foreløpig relativt lite utbredt, men interessen og utbredelsen av denne typen systemer er økende. Spesielt for eksisterende bygninger som skal rehabiliteres, er VRV-systemer ofte et svært spennende alternativ når man vil installere klimakjøling eller varmepumpe. Egenskapene til VRV gjør det til et optimalt produkt for eksisterende bygg. Målsetningen med denne artikkelen er å gi leseren en generell innføring i VRV. Oppbygning Systemet Et VRV-system er i prinsippet en stor multisplit aircondition eller varmepumpe. Systemet er meget fleksibelt og det kan tilpasses svært forskjellige individuelle krav til komfort og funksjonalitet. VRV-systemet er spesielt designet for å benyttes på blant annet hoteller, kontorbygninger og kjøpesenter. VRV er spesielt godt egnet ved rehabilitering av eksisterende bygg. I motsetning til ventilasjons- og isvannssystemer sirkulerer kuldemediet direkte fram til de mange innedelene i systemet. En enkelt utedel kan etter behov tilknyttes mange forskjellige typer av innedeler med forskjellige kapasiteter. Alle innedeler tilknyttes samme utedel via et felles rørsystem. For bygninger som krever større kapasitet enn hva én utedel kan levere, kan den totale kapasiteten fordeles over flere utedeler. Ofte vil andre årsaker enn kapasitet gjøre at det er naturlig å fordele kapasiteten over flere utedeler. Figur 1: Rørsystemet forgrenes etter behov. Utedel Utedelen er et luftkjølt kondenseringsaggregat, og det er utedelen som "produserer" kjølingen. Alle moderne VRV-systemer har frekvensstyrte kompressorer. Kompressoren regulerer slik at det alltid sirkulerer en riktig mengde kuldemedium i forhold til behovet. Det er tilgjengelig utedeler med kjølekapasitet fra ca 10 kw til ca 150 kw. Innedel I rom som skal kjøles monteres det en innedel. Innedelen suger inn luft fra rommet, kjøler så ned luften før den blåser tilbake ut i rommet. Innedelen inneholder en vifte, ekspansjonsventil, fordamper (varmeveksler) og termostat. Enkelt sagt vil termostaten styre reguleringsventilen for å opprettholde ønsket romtemperatur. Ønsket romtemperatur kan bestemmes av hver enkelt bruker. I store VRV-systemer kan det tilknyttes opp til 60 innedeler til samme utedel. Det finnes tilgjengelig svært mange ulike typer av innedeler med ulike kapasitetsstørrelser. Enkelte produsenter kan tilby opp til 13 forskjellige typer av innedeler med totalt 75 ulike modellstørrelser. Det er tilgjengelig innedeler med kjølekapasitet fra ca 1,5 kw til ca 25 kw. Rørsystemet Mellom utedel og innedeler monteres det et felles rørsystem. I disse rørene sirkulerer et kuldemedium, og i moderne VRV-systemer benyttes det kuldemedium R410A. 1

2 Tidligere kunne en variabel volumstrøm føre til problemer med tilbakeføring av olje. Dette problemet vil man ikke oppleve med et VRVsystem. I systemet er det integrert en egen modus for tilbakeføring av olje. Denne modusen bestemmes av total driftstid etter at systemet er satt i drift, eller av akkumulert driftstid for kompressor. I denne modusen vil alle ekspansjonsventiler ute i systemet åpnes, og systemets automatikk vil sørge for at all olje samles opp i utedelen. Figur 2: Rørlengder for store VRV-systemer. For store VRV-systemer kan maksimal rørlengde mellom utedel og én innedel være opp til 165 meter. Samtidig kan høydeforskjellen i systemet være opptil 50 meter. Samlet rørlengde i systemet kan være opp til 1000 meter. Til sammenligning vil samlet rørlengde og maksimal høydeforskjell for et vanlig multisplit-system være begrenset til henholdsvis ca 75 meter og ca 15 meter. Kjøleprinsipp Hver innedel er utstyrt med en ekspansjonsventil og termostat. Termostaten vil regulere ekspansjonsventilen for å opprettholde ønsket romtemperatur. Figur 4: Rørskjema for utedel Kondensvannavløp Når systemet opererer som et kjølesystem vil det felle ut vann fra innedelene, og vannet vil renne ned i en dryppanne i innedelen. Vannet må ledes til sluk, og enkelte typer av innedeler har innebygd kondensvannpumpe. Automatikk All driftsautomatikk er integrert i systemet, og er testet og vel utprøvd før produktet installeres hos kundene. Produsentene tilbyr en rekke løsninger for sentral overvåkning og styring, samt integrering i SD-anlegg. Figur 3: Rørskjema for innedel Elektrisk tilførsel Normalt sett krever systemet hovedspenning til utedelen (400V) og hovedspenning til hver enkelt innedel (230V). For bygg som ikke har 400V vil en trafo innebære en relativt lav merkostnad. 2

3 Kuldemedium Moderne VRV-systemer benytter kuldemedium R410A. Til tross for at det sirkulerer kuldemedium i alle rørene, vil totalmengden av kuldemedium i systemet være relativt liten. Et system med 20 innedeler med totalt 40 kw kjølekapasitet og 300 meter med rør, vil inneholde ca 30 kg kuldemedium. Til sammenligning vil et vanlig split-system med kjølekapasitet 3-6 kw inneholde ca 1-2 kg kuldemedium. Konsulter med Norsk Kuldenorm og Norsk Standard NS-EN 378 for å vurdere behovet for seksjonering og lekkasjevarsling. Det vil sjelden være nødvendig med spesielle tiltak for å opprettholde tilfredsstillende sikkerhet forbundet med en eventuell lekkasje. Leverandørene vil ha oversikt over hvilke anbefalinger og regler som gjelder. Ulike typer VRV-systemer Alle VRV-systemer er i utgangspunktet bygget for komfortkjøling. Det anbefales oftest derfor at VRVsystemer ikke benyttes til datarom og tekniske rom som krever kjøling hele året. Varmegjenvinning Et system med varmegjenvinning kan overføre varme fra rom som krever kjøling til rom som krever varme. Denne muligheten til å levere varme og kjøling samtidig gjør at dette systemet er svært spennende med hensyn på komfort og energieffektivitet. I et tilfelle hvor systemet er perfekt balansert og skal levere 50 % kjøling og 50 % varme, vil all varme som fjernes fra sonene som krever kjøling bli overført til de sonene som skal oppvarmes. Det åpenbare resultatet er maksimal energisparing og lave driftsutgifter. Kun kjøling Dette er et rent kjølesystem. Rørsystemet består av to rør (væske/gass) som forgrenes hensiktmessig til de enkelte rom som krever kjøling. I hvert av de ulike rommene monteres én eller flere innedeler med tilpasset kapasitet. I motsetning til et vanlig VRV-system må alle innedeler tilknyttes en varmegjenvinningsboks. Ut fra denne boksen består rørsystemet til innedel av to rør (væske/gass). Rørsystemet ut til utedel består av 3 rør (væske/gass/gass). Reversibel varmepumpe Systemet er i hovedtrekk identisk med et system for kun kjøling. Utedelen kan imidlertid reverseres slik at systemet kan operere som en luft/luft varmepumpe om vinteren. Figur 5: Prinsippskjema for varmegjenvinning. 3

4 I et tilfelle hvor systemet krever mer varme eller kjøling enn hva som kan gjenvinnes, vil utedelen generere den ekstra kapasiteten til systemet. I forhold til et vanlig VRV-system vil dette systemet gi en noe høyere installasjonskostnad og innkjøpskostnad. Vannkjølt system Systemene som er nevnt overfor er utstyrt med luftkjølte kondenseringsaggregater. Enkelte produsenter tilbyr også systemer med vannkjølte kondenseringsaggregater. Dimensjonering av systemet Dimensjoner Dimensjoner for utstyr og rørnett er svært små og gjør at VRV-systemer peker seg ut som svært interessante for eksisterende bygg. Dette fordi det er lett å finne føringsveier, det kreves små bygningsmessige inngrep og det vil kreve lite å skjule rørsystemet. I bygg med svært vanskelig tilgjengelighet ser man enkelte ganger at VRV er eneste gjennomførbare løsning. Dimensjoner på kuldemedierør er vesentlig mindre enn for et isvannsanlegg. Et anlegg på 30 kw vil kreve 2 x 50mm vannrør. Et VRV-system med tilsvarende kapasitet vil kreve et 19,1mm gassrør og et 9,5mm rør med væske. Vekten av et 50 mm vannrør er mer en dobbelt av et 19,1mm væskerør. Dette betyr at kravene til klamring, festemateriell og krav til kvaliteten på materialer man kan feste i er forskjellig. Dette kan i rehabiliteringsprosjekter ha betydning for installasjonstid og kostnader. Installasjon Montasjetid og omfanget av installasjonen vil normalt sett være til fordel for VRV-systemer. Dette fordi at montasjen er relativt enkel, det kreves små bygningsmessige arbeider og arbeidsmetoder samt montasjeveiledning er detaljert beskrevet av produsentene Leveringstider VRV-utstyr er serieprodusert hos produsentene. Det er derfor ofte kort leveringstid fra bestilling til levering. Retningslinjer og metoder for systemdesign er detaljert beskrevet av produsentene. Dette medfører at planleggingsarbeidet kan skje raskt og effektivt. Utprøvd løsning VRV-løsninger er å betrakte som standardløsninger, men har samtidig stor fleksibilitet for å tilpasse løsningen til de utfordringene som oppstår i ulike prosjekter. Det at løsningene er standardisert gir et VRV-system stor grad av trygghet i forhold til at man leverer riktig funksjonalitet og kvalitet. Man vet at denne typen systemer fra anerkjente produsenter har høy driftssikkerhet og kvalitet. System fra en produsent VRV-systemer er komplette løsninger. Retningslinjer for design, valg av utstyr, montering, bruk og service er spesifisert av produsenten. Produsenten leverer alle nødvendige komponenter. CE-merking opprettholdes ved å installere systemet i henhold til produsentens anvisninger. Kompetanse på systemet som helhet er tilgjengelig hos produsenten og hos leverandørene. Komplette delelister og reservedeler er tilgjengelig. Kunder har dermed en trygghet for at funksjon og kvalitet til anlegget kan opprettholdes gjennom hele levetiden. Støy Innedelene inneholder i hovedsak kun en vifte. Lyd genereres primært som følge av luft som presses gjennom innedelen. Generelt kan vi si at innedelene er bygget opp på tilsvarende måte som innedeler til tradisjonelle split-løsninger, og det gjør at lydnivået også er tilsvarende. Vedlikehold og driftssikkerhet Rutinemessig vedlikehold omfatter først og fremst rengjøring av luftfilteret på innedelene. Det anbefales i tillegg at en kvalifisert servicetekniker gjenomgår anlegget minst en gang i året. Denne servicen vil omfatte lekkasjesøking rundt alle rørtilkoblinger, driftssjekk og identifisering av mulige feil og mangler. Vedlikehold og driftssikkerhet er blant de sterke sidene til VRVproduktene. Styring, regulering og overvåkning Styrings- og overvåkningssystemer er et redskap til å optimalisere funksjonen av et VRV-system. Dette for å utnytte potensialet med hensyn til komfort, energisparing og drifts- og servicevennlighet. For mindre bygg og systemer vil det normalt være riktig og den beste løsningen å benytte et overvåkningssystem som er spesielt utviklet for VRV (kontrollpanel eller PC-basert system). For store bygg hvor et SD-system skal overvåke og styre en rekke forskjellige systemer i bygget, kan VRV-systemet kommunisere direkte med SDanlegget. Valg av kjølesystem Et VRV-system kan ofte være et interessant alternativ for kjøling når man tradisjonelt ville ha vurdert installasjon av et isvannsystem med fancoils. 4

5 Vannkjølt isvannsystem Et isvannsystem med vannkjølt kondensator plassert inne vil kreve pumper og tørrkjøler på kondensatorsiden. På isvannssiden kreves det ofte en isvannstank. Systemet krever blant annet luftanretninger, reguleringsventiler, ekspansjonsskar og vifteregulering på tørrkjøleren. Et slik system krever et teknisk rom og relativt mye plass. Luftkjølt isvannsystem Luftkjølte isvannsmaskiner kan i likhet med VRV plasseres ute på taket og krever ikke uten videre et teknisk rom. Det forutsettes at man frostsikrer vannkretsen tilstrekkelig, og oftest gjør man dette ved innblanding av glykol i vannet. Med 30 % etylenglykol reduseres kapasiteten til en fancoil med opp til ca 35 % i forhold til rent vann. Glykol gir økt vannmengde og trykkfall Innblanding av glykol gir lavere spesifikk varmekapasitet og høyere viskositet for væskeblandingen. Viskositeten har stor betydning for trykktapet i systemet, og jo høyere viskositet jo høyere blir trykktapet. For å kompensere for lavere spesifikk varmekapasitet vil man øke sirkulert væskemengde. Alt dette slår naturligvis negativt ut i forhold til effektforbruk. Fleksibilitet Ofte opplever man at et system i løpet av sin levetid må endres og bygges om da behovet endrer seg. Nye leietagere har andre behov enn den foregående. Noen innedeler må flyttes, andre må fjernes og nye må monteres. I et isvannsanlegg vil dette medføre at endringen i forutsetningene for anleggets funksjon kan føre til at ombygging kan være omfattende og kostbar. VRV-systemet er svært raskt og enkelt å gjøre endringer på. Systemet vil alltid være riktig "innregulert" såfremt at retningslinjene som gjelder (maks røravstander, høydeforskjeller og korrekte rørdimensjoner) fortsatt er intakt. Når bør man velge VRV VRV-systemer er ikke først og fremst et alternativ til tradisjonelle split- og multisplit-løsninger. VRVsystemer er en alternativ løsning når disse systemene ikke er teknisk gjennomførbare, eller ikke er ønsket av kunden. Dette kan være krav til begrenset antall utedeler, for lange rørstrekk og store høydeforskjeller i systemet. Generelt kan man si at VRV-systemer kan være et godt alternativ når man normalt vil vurdere en isvannsløsning. Det er primært sett i rehabiliteringsprosjekter det vil være mest aktuelt å benytte seg av et VRV-system. For nybygg vil mange av de nevnte fordelene til VRV ikke lengre være av så stor betydning. Her vil det ofte være mer fordelmessig å integrere kjølingen og oppvarmingen i blant annet ventilasjonsystemet. Installasjonskostnad Kostnaden for et VRV-system vil variere fra prosjekt til prosjekt. Det avhenger av i hvilken grad prosjektet "setter pris på" egenskapene til VRVsystemet. Enkelte ganger vil det være rimeligere å installere enn et isvannsystem, og enkelte ganger dyrere. Er valget mellom å installere et nytt isvannsystem eller et VRV-system, vil utstyrkostnaden for et VRV-system ofte være i størrelsesorden 50 % dyrere enn et system med luftkjølt kjølemaskin med fancoils. Montasjekostnaden for et VRV-system vil derimot være betydelig lavere enn for et isvannsystem, da et VRV-system er mye enklere å installere enn et isvannsystem. Systemet krever små bygningsmessige inngrep og installasjonstiden er relativt kort. Et isvannsystem kan medføre en omfattende og tidkrevende ombygging. For gårdseiere er kort installasjonstid og lave kostnader meget viktig. Er det valgt et isvannsystem må leietakeren ofte ut av bygget, og gårdseieren kan dermed gå glipp av leieinntekter under rehabiliteringsperioden. Dette problemet vil man normalt sett ikke oppleve med et VRV-system. Leietakeren vil for oftest kunne bli værende i hele rehabiliteringsperioden. For å kunne vurdere den totale installasjonskostnaden må man ta hensyn til faktorer som blant annet utstyrspris, montasjekostnad, krav til installasjonstid, bygningsmessige inngrep, tilgjengelig plass til utstyr og eventuelle tap av leieinntekter, Hva som er den beste løsningen må man vurdere i hvert enkelt prosjekt. Energieffektivitet Energiforbruket som er relatert til kjøling og oppvarming av et hotell eller et kontorbygg, utgjør en betydelig del av det totale energiforbruket i løpet av året. Bruk av et VRV-system vil kunne gi et betydelig lavere energiforbruk, som vist i Figur 3. Varmefaktor: COP = Varmekapasitet/Energiforbruk Kuldefaktor: EER = Kjølekapasitet/Energiforbruk Høy effektivitet ved dimensjonerende forhold 5

6 Et VRV-system har ofte ved dimensjonerende forhold en kuldefaktor (EER) på over 3 i kjøling og varmefaktor (COP) på over 3,5 som varmepumpe. Dette er gjort mulig spesielt takket være bruk av R- 410A som arbeidsmedium. reduseres betraktelig i forhold til tradisjonelle systemer. Høy effektivitet ved dellast Når VRV-systemet med R-410A opererer ved 50 % av full kapasitet, vil systemet kunne oppnå EER på over 5 og COP på over 3,6. Dette skjer på grunn av avansert inverterteknologi for å regulere kompressorkapasiteten og viftemotorene, samtidig som sirkulert mengde kuldemedium gjennom hver innedel alltid er tilpasset det faktiske behovet. Inverter er betegnelsen for en frekvensregulert kompressor, og vil regulere rotasjonshastigheten til kompressoren. Dette gjør at avgitt kapasitet blir bedre tilpasset det reelle kjøle- eller varmebehovet. Energieffektiviteten ved dellast er av avgjørende betydning for å oppnå lavest mulig energiforbruk i løpet av sesongen. Dette skyldes at anlegget vil ha de fleste driftstimer ved dellast. Figur 6: Energivirkningsgrad ved 50 % last. Et anlegg for komfortkjøling er normalt dimensjonert for å holde riktig temperatur i kontorbygget på de varmeste sommerdager. Vi har ikke så mange slike sommerdager, men vi har mange dager hvor kontorene har behov for kun moderat mengde kjøling. Systemet må da operere med redusert kapasitet. Tilsvarende forhold vil vi oppleve under vinterhalvåret når systemet er i drift som varmepumpe. I et hotell vil det variere sterkt hvor mange rom som til enhver tid er i bruk i løpet av dagen, uken og året. Et optimalt system bør være tilpasset for å alltid levere den mengde kjøling og varme som det til enhver tid er behov for ikke mer, ikke mindre. Et VRV-system vil kunne sørge for dette, og systemet vil det meste av tiden operere ved dellast. Årlige driftskostnader kan dermed 6