Надежность VRF систем кондиционирования воздуха

С. В. Брух. Пермский государственный технический университет.

Требования к надежности систем кондиционирования воздуха без сомнений являются приоритетными. Действительно, зачем нужен красивый, бесшумный, дешевый, компактный и т.д. кондиционер, если он в один «прекрасный» день ломается и начинает играть сомнительную роль украшения помещения. Как правило, все поломки происходят в период пиковых нагрузок, когда температура наружного воздуха максимальна, поэтому физиологическая и психологическая нагрузки на пользователей системы кондиционирования в период ремонта многократно увеличиваются.

Надежность систем кондиционирования напрямую зависит от степени обеспеченности (или необеспеченности) параметров внутреннего микроклимата кондиционируемых помещений, которая нормируется и зависит от класса СКВ [2].

Таблица 1 Нормируемая степень обеспеченности параметров внутреннего воздуха

Класс СКВ Необеспеченность (вероятность отказа) при односменной работе, час/год. Необеспеченность (вероятность отказа) при круглосуточной работе, час/год. Первый 70 (0,03) 100 (0,01) Второй 175 (0,08) 250 (0,03) Третий 315 (0,15) 450 (0,05)

Отсюда общую вероятность безотказной работы СКВ можно определить по формуле (безразмерные величины):

 (1)

где:

w₀ — общая вероятность отказа в данный период времени;

w_н.п. — вероятность учета параметров наружного воздуха;

w_в.п. — вероятность учета параметров внутреннего воздуха;

w_э.с. — вероятность безотказной работы сетей электроснабжения;

w_надеж. - вероятность безотказной работы (надежность) конструкции систем кондиционирования.

Как видно из формулы (1), общая вероятность безотказной работы зависит от многих факторов, в том числе и от надежности конструкции систем кондиционирования. Кроме того, каждый фактор снижает общую вероятность безотказной работы системы кондиционирования. Чтобы рассчитать требуемую величину надежности конструкции систем кондиционирования, необходимо определить значения всех других переменных формулы (1).

Общая вероятность безотказной работы системы кондиционирования w_б.р. определяется исходя из таблицы 1 и формулы (1).

Таблица 2 Общая вероятность безотказной работы системы кондиционирования воздуха

Класс СКВ При односменной работе При круглосуточной работе Первый 0,97 0,99 Второй 0,92 0,97 Третий 0,85 0,95

Как правило, мультизональные системы кондиционирования являются комфортными и используются в течение одной смены. Следовательно, относятся ко второму классу кондиционирования с общей вероятностью безотказной работы 0,92. Хотя данная цифра безразмерная и несколько отвлеченная, практически она означает следующее: любая система комфортного кондиционирования может не работать по каким либо причинам практически 22 рабочих дня в течение одного года (сезона)! По субъективному мнению автора, это очень много, но вполне допустимо по российским нормативным документам [2].

Вероятность учета параметров наружного воздуха w_н.п. для систем кондиционирования зависит от класса СКВ и периода года (таблица 3).

Таблица 3 Расчетные параметры наружного воздуха и вероятность их учета (wн.п.)для систем кондиционирования [2, 3]

Класс СКВ Теплый период Холодный период Первый Б (0,98) Б (0,97) Второй Б - 2˚С (0,97) Б (0,97) Третий А (0,95) Б (0,97)

Соответственно для VRF систем кондиционирования вероятность учета параметров наружного воздуха равна 0,97.

Вероятность учета параметров внутреннего воздуха w_в.п. для систем кондиционирования зависит от назначения системы кондиционирования и не нормируется. Технологические системы кондиционирования и системы кондиционирования больших помещений (спортивные залы, кинотеатры и т.д.) как правило, требуют детерминированного подхода к выбору расчетных параметров внутреннего воздуха. В отличие от технологических СКВ, параметры внутреннего воздуха многозональных систем кондиционирования в большей степени зависят от субъективных характеристик потребителей, поэтому к ним применим вероятностный подход [4]. В данном случае, для систем кондиционирования с переменным расходом хладагента, примем вероятность учета параметров внутреннего воздуха равной 0,98.

Вероятность безотказной работы сетей электроснабжения w_э.с. достаточно высока. По надежности системы электроснабжения подразделяются на три категории [5].

Таблица 4 Вероятность безотказной работы сетей электроснабжения

Категории Время устранения неисправности, час. Вероятность безотказной работы Первая 0 1 Вторая 1 0,9999 Третья 24 0,9973

Системы технологического кондиционирования помещений серверных, источников бесперебойного питания, автоматических телефонных станций и т.д. относятся к электроприемникам  первой категории. Системы комфортного кондиционирования принадлежат ко второй и третьей категории электроснабжения с вероятностью безотказной работы 0,9999 – 0,9973.

Зная значения всех переменных величин, входящих в формулу (1), можно определить минимальную величину вероятности безотказной работы (надежности) конструкции систем кондиционирования.

(2)

В свою очередь надежность конструкции системы кондиционирования зависит от надежности входящих в нее элементов:

(2)

где:

w_к — надежность компрессоров;

w_в — надежность вентиляторов;

w_кл — надежность клапанов;

w_то — надежность теплообменников;

w_с.тр. — надежность соединительных трубопроводов;

w_э.у. — надежность систем электронного управления.

Наибольшую нагрузку в любом оборудовании испытывают движущиеся элементы, поэтому на надежность конструкции кондиционера в первую очередь влияют надежности компрессоров, вентиляторов и клапанов. Без сомнения, «сердцем» кондиционера является компрессор, потребляющий более 95 % электроэнергии всего кондиционера и несущий на себе такую же часть нагрузки. От качества и надежности данного элемента в первую очередь зависит качество кондиционера. Кроме того, стоимость замены вышедшего из строя компрессора занимает до 50 % от стоимости всего кондиционера.

Для производителей VRF систем характерен различный подход к компоновке компрессорного узла наружных блоков. На сегодняшний день существует одно компрессорная, двух компрессорная и трех компрессорная схемы компоновки наружного блока стандартной производительности 10 НР.

Однокомпрессорная схема компоновки наружного блока

Одно компрессорная схема компоновки наружного блока мощностью 10 Нр (28 кВт) применяется в кондиционерах MITSUBISHI ELECTRIC серия CITY MULTI. Регулирование производительности наружного блока в зависимости от нагрузки производится путем изменения частоты вращения одного инверторного компрессора. При поломке компрессора система теряет 100 % своей производительности.

Двухкомпрессорная схема компоновки наружного блока

Двух компрессорная схема компоновки наружного блока мощностью 10 Нр (28 кВт) применяется в кондиционерах DAIKIN (VRV-K), MITSUBISHI HEAVY Industries (KX),   HITACHI (SET FREE). Причем применяется один компрессор инверторный с переменной производительностью, а другой компрессор с постоянной производительностью. В данном случае регулирование производительности наружного блока в зависимости от нагрузки внутренних производится следующим образом.

Как правило, мощность инверторного компрессора составляет 50 % от всей мощности наружного блока. Поэтому при нагрузке до 50 % работает один инверторный компрессор. Когда нагрузка увеличивается например до 60 % и мощности инверторного компрессора не хватает, включается компрессор постоянной производительности и частично инверторный (50 % + 10 %). При необходимости работы наружного блока на производительность 100 % включаются на полную мощность два компрессора (50 % + 50 %). Поломка инвертерного компрессора ведет к потере 100 %  производительности. При поломке компрессора постоянной производительности система продолжает работать на одном инверторном компрессоре.

Трех компрессорная схема компоновки наружного блока

Трех компрессорная схема компоновки наружного блока мощностью 10 Нр (28 кВт) применяется в кондиционерах FUJITSU GENERAL (VRF). В отличие от предыдущих схем, в которых всегда присутствовал один компрессор с переменной производительностью, в данной схеме все три компрессора используются с постоянной производительностью. Регулирование мощности наружного блока в зависимости от нагрузки внутренних производится следующим образом.

За счет комбинирования трех компрессоров различной мощности № 1, 2, 3 достигается шестиступенчатая регулировка производительности. Причем 100 % нагрузка наружного блока соответствует работе двух больших компрессоров 2 и 3. Компрессор 1 при выходе системы на мощность 28 кВт является резервным. Сглаживание ступеней регулирования достигается за счет технологии аккумуляции мощности наружного блока и за счет инерционности системы кондиционирования. При поломке любого компрессора система продолжает работать на оставшихся двух. При поломке любых двух компрессоров система продолжает работать на оставшемся одном.

Надежность одно- двух- и трех компрессорной схемы систем кондиционирования оценить на первый взгляд достаточно сложно. К тому же большое влияние на оценку оказывает критерии надежности, которые могут быть выбраны. Поэтому сейчас рассмотрим надежность работы систем при трех критериях надежности – условие обеспечения 100 %, 75 % и 50 % мощности наружного блока. Для наглядности примем одинаковое значение надежности каждого компрессора, равное 0,99.

Критерий 1.
Обеспечение 100 % мощности наружного блока.

Однокомпрессорная схема (100%).

Так как рассматривается один элемент в системе, то надежность компрессорной системы равна надежности этого элемента.

w = w₁ = 0,99.

Двухкомпрессорная схема (50%+50%).

Выход системы из строя будет наблюдаться при поломке любого из двух компрессоров. Надежность системы:

w = w₁ • w₂ = 0,99² = 0,9801.

Трехкомпрессорная схема (57%+43%+18%).

Так как третий компрессор является резервным, то выход системы из строя будет наблюдаться при поломке компрессора № 1 или № 2. Надежность системы:

w = w₁ • w₂ = 0,99² = 0,9801.

Критерий 2.
Обеспечение 75 % мощности наружного блока.

Однокомпрессорная схема (100%).

Поломка одного компрессора. Надежность системы:

w = w₁ = 0,99.

Двухкомпрессорная схема (50%+50%).

Выход системы из строя будет наблюдаться при поломке любого из двух компрессоров. Надежность системы:

w = w₁ • w₂ = 0,99² = 0,9801.

Трехкомпрессорная схема (57%+43%+18%).

Нормальная работа системы будет наблюдаться при работе всех трех компрессоров, при выходе из строя компрессора № 2, при выходе из строя компрессора № 3.

w = w₁ • w₂ • w₃ + w₁ • (1 – w₂) • w₃ + w₁ • w₂ • (1 – w₃) = 0,99² = 0,989901.

Критерий 3.
Обеспечение 50 % мощности наружного блока.

Однокомпрессорная схема (100%).

Поломка одного компрессора. Надежность системы:

w = w₁ = 0,99.

Двухкомпрессорная схема (50%+50%).

Поломка инверторного компрессора

w = w₁ = 0,99.

Трехкомпрессорная схема (57%+43%+18%).

Нормальная работа системы будет наблюдаться при работе всех трех компрессоров, при выходе из строя компрессора № 2, при выходе из строя компрессора № 3, при выходе из строя компрессора № 1, при одновременном выходе из строя компрессоров № 2 и № 3:

w = w₁ • w₂ • w₃ + w₁ • (1 – w₂) • w₃ +

+ w₁ • w₂ • (1 – w₃) + (1 – w₁) • w₂ • w₃ +

+ w₁ • (1 – w₂) • (1 – w₃) = 0,999801.

Если расчетные значения отобразить в виде графика, то получим следующее:

Рисунок 4. Надежность одно-, двух- и трехкомпрессорной схемы в зависимости от требуемой нагрузки наружного блока

Наиболее интересен участок нагрузки от 0 % до 61 % для трех компрессорных систем. Чтобы трех компрессорная система потеряла работоспособность на данном участке, необходим одновременный выход из строя двух компрессоров. Вероятность такого события практически равна нулю, поэтому надежность трех компрессорных систем при неполной нагрузке очень велика. Данное свойство практически означает, например, что даже при поломке одного самого большого компрессора мы можем обеспечить61 % нагрузки на систему VRF в виде наиболее значимых помещений: кабинеты руководства, залы совещаний и т.д.

На участке от 61 % до 75 % нагрузки надежность трех компрессорных систем равна одно компрессорным системам.

На участке от 75 % до 100 % нагрузки лидирующее положение по надежности занимают одно компрессорные системы.

Список литературы.

1. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
2. СНиП 2.04.05-91* Отопление, вентиляция и кондиционирование.
3. СНиП 23-01-99* Строительная климатология.
4. Брух С.В. Вероятностный метод выбора расчетной температуры внутреннего воздуха при проектировании многозональных систем кондиционирования. Арктический СНИП. № 1, 2003.
5. ПУЭ. Глава 1.2. Электроснабжение и электрические сети (Издание седьмое).