Инверторные тепловые насосы с двухроторным компрессором

Инверторные тепловые насосы типа «воздух-вода» с двухроторным компрессором — это устройства, предназначенные для кондиционирования квартир, офисов, коттеджей и т.п., а также для их горячего или холодного водоснабжения (в случае установки бака-энергонакопителя и дополнительной обвязки). Данные изделия эффективно нагревают или охлаждают воду, после чего с помощью встроенного или внешнего водяного насоса она подается к конечным устройствам системы центрального кондиционирования или используется для удовлетворения бытовых нужд.

Каждый инверторный тепловой насос типа «воздух-вода» (сплит-система) состоит из двух блоков — наружного и внутреннего. Первый из них устанавливается на наружной стене здания, второй — внутри кондиционируемого объекта (как правило, в подсобке, машинном отделении, подвале, санузле, на антресолях). Температура в помещении, в котором установлен внутренний блок, не должна опускаться ниже 0 °C, в противном случае это может привести к обмерзанию и повреждению агрегата и подключенных к нему труб водяного контура. По этим трубам нагретая или охлажденная вода подается к конечным устройствам системы вентиляции и кондиционирования воздуха (фанкойлам, приточным установкам и др.), а также к отопительным приборам (радиаторам, водяному теплому полу и т.п.).

Наружный и настенный внутренний блоки теплового насоса, выпускаемого компанией TICA

Использование агрегата вместе с водяным теплым полом является предпочтительным, поскольку обогрев помещений, оборудованных такой системой отопления, является максимально равномерным. К тому же существенно повышается эффективность теплопередачи, так как трубки с циркулирующим теплоносителем охватывают всю площадь пола в обслуживаемой комнате (офисе). Это особенно заметно при сравнении с обычными настенными кондиционерами, которые, несмотря на подачу широкой струи воздуха, не могут охватить ею сразу все пространство помещения.

Не менее важно то, что система отопления «инверторный тепловой насос + водяной теплый пол» осуществляет безветренный обогрев помещения. Благодаря равномерному рассеиванию тепла воздух над полом быстро прогревается и поднимается вверх, к потолку, постепенно перемешиваясь с более холодными слоями. В результате в помещении формируется температурный спектр, оптимальный с точки зрения физиологии человека: его ноги находятся в тепле, а голова — в относительно прохладном пространстве. С одной стороны, это позволяет предотвратить развитие ревматизма и артрита ног, с другой — способствует активизации умственной деятельности находящихся в комнате или офисе людей.

К тому же система «инверторный тепловой насос + теплый пол» дает возможность:

• избавиться от батарей, радиаторов и труб, портящих интерьер и занимающих полезную площадь;
• устранить проблему пыли, грязи и плесени, скапливающихся между ребрами батарей и радиаторов или в труднодоступных местах за ними;
• предотвратить вторичное загрязнение воздуха в помещении. Под действием мощной струи воздуха, выдуваемой стандартным настенным кондиционером, пыль и грязь могут хаотично перемещаться по всему пространству комнаты (офиса), забиваться в труднодоступные места и щели либо оседать на стенах. В случае использования системы отопления «водяной теплый пол» этого не происходит.

Система отопления «тепловой насос + водяной теплый пол»

Принцип действия инверторного теплового насоса типа «воздух-вода» с двухроторным компрессором

Как говорилось ранее, инверторный тепловой насос (сплит-система) состоит из наружного и внутреннего агрегатов. При эксплуатации в режиме обогрева первый из них с помощью осевого вентилятора забирает воздух из окружающей среды и направляет его на теплообменник — медный змеевик с алюминиевым оребрением, по трубкам которого циркулирует фреон R410a. Данный хладагент обладает высокой тепло- и холодопроизводительностью и отличается очень низкой температурой кипения. По этой причине тепла наружного воздуха достаточно, чтобы фреон закипел, даже несмотря на то что на улице может быть, например, -25 °C.

Теплопередача между воздушным потоком и фреоном осуществляется через поверхность медных трубок. Благодаря данному термодинамическому процессу фреон отбирает тепло у воздуха и закипает, переходя в газообразное агрегатное состояние. В таком виде он поступает в докипатель (предназначен для полного испарения хладагента и предотвращения влажного хода и заклинивания компрессора), а затем в порт всасывания двухроторного компрессора. В этом агрегате имеющий низкое давление хладагент сжимается, в результате чего его давление и температура значительно повышаются.

Затем газообразный хладагент поступает в противоточный кожухотрубный теплообменник внутреннего блока, представляющий собой стальной кожух с находящимися внутри него медными трубками. В них циркулирует фреон, а в межтрубном пространстве кожуха — вода, подаваемая к конечным устройствам системы кондиционирования, — фанкойлам, радиатором, водяному теплому полу. В результате теплопередачи через стенки медных трубок вода поглощает тепло из хладагента и за счет этого нагревается, как правило, на 3—7 градусов (в зависимости от пользовательских настроек), а затем с помощью водяного насоса нагнетается в фанкойлы и др.

В свою очередь, отдавший тепло фреон конденсируется, то есть постепенно переходит в жидкое агрегатное состояние. В таком виде он возвращается в холодильный контур наружного блока и посредством дросселирующего устройства, функции которого выполняет электронный терморегулирующий вентиль (ТРВ), задействованный в режиме обогрева, впрыскивается в теплообменник. В нем хладагент, как и в начале цикла, поглощает тепло из забираемого осевым вентилятором наружного воздуха и закипает. Затем он поступает в докипатель и компрессор, где снова сжимается. Во время работы теплового насоса описанный выше цикл повторяется непрерывно.

Схема работы инверторного теплового насоса с двухроторным компрессором в режиме обогрева

В режиме охлаждения направление движения фреона в холодильном контуре меняется на противоположное. Компрессор по-прежнему сжимает хладагент, вследствие чего его температура и давление возрастают. Затем он нагнетается в теплообменник (конденсатор) наружного блока, в котором через стенки медных трубок отдает свое тепло наружному воздуху. Эффективность теплопередачи повышается благодаря работающему на выдув осевому вентилятору. В конденсаторе фреон охлаждается и постепенно переходит в жидкое состояние. Данная смесь жидкости и газа пропускается через дросселирующее устройство — ТРВ, в результате чего ее давление и температура понижаются. После этого жидкий хладагент поступает в противоточный кожухотрубный теплообменник (испаритель) внутреннего блока, в котором через стенки медных трубок поглощает тепло из воды, возвращающейся от конечных устройств системы центрального кондиционирования — фанкойлов. В результате теплопередачи вода охлаждается (как правило, с 12 до 7 градусов, данные параметры устанавливаются пользователем) и с помощью водяного насоса нагнетается в трубопровод, подсоединенный к фанкойлам. Отбирая тепло у воды, фреон постепенно закипает и испаряется. Затем он поступает на вход докипателя, где окончательно переходит в газообразное состояние, и в порт всасывания компрессора. Далее цикл повторяется.

Наружный блок инверторного теплового насоса типа «воздух-вода» с двухроторным компрессором

Конструкция наружного блока инверторного теплового насоса типа «воздух-вода», выпускаемого компанией TICA, представлена на рисунке.

Схема наружного блока инверторного теплового насоса типа «воздух-вода», оснащенного двухроторным компрессором

(1 — верхняя панель; 2 — теплообменник; 3 — основная плата управления; 4 — экономайзер; 5 — газожидкостный сепаратор; 6 — задняя правая панель; 7 — электронный терморегулирующий вентиль, используемый при эксплуатации агрегата в режиме охлаждения; 8 — электронный терморегулирующий вентиль, задействованный в режиме обогрева; 9 — электронный терморегулирующий вентиль на линии всасывания газа; 10 — газовый обратный клапан; 11 — жидкостный обратный клапан; 12 — компрессор; 13 — клеммная колодка кабеля питания; 14 — передняя панель; 15 — решетка вентилятора; 16 — маслоотделитель; 17 — блок питания)

Основным компонентом блока является инверторный двухроторный компрессор, оснащенный докипателем. Агрегат имеет довольно простую конструкцию и небольшую в сравнении с компрессорами других типов себестоимость. По этой причине он устанавливается в бытовой и полупромышленной климатической технике. В настоящее время в тепловых насосах применяются в основном двухроторные агрегаты. Благодаря использованию второго ротора степень сжатия хладагента увеличивается не менее чем на 6%, но главное, повышаются надежность и износостойкость всего компрессора.

Для увеличения его производительности и снижения энергопотребления статор электропривода снабжен редкоземельными магнитами. В частности, используемые компанией TICA двухроторные компрессоры производства Mitsubishi Electric (Япония) оснащены постоянными магнитами из неодима — металла, обладающего высокой мощностью притяжения и огромной коэрцитивной силой, то есть стойкостью к размагничиванию (за десять лет их намагниченность снижается всего на 0,1—2 %). Благодаря этим магнитам скорость вращения коленчатого вала компрессора существенно возрастает, при этом для пуска и нормальной эксплуатации DC-двигателя не требуются большие токи.

Устойчивость коленвала инверторного компрессора обеспечивается благодаря верхнему и нижнему подшипникам. Во избежание деформации верхний подшипник приварен к корпусу компрессора Mitsubishi Electric. За счет этого также повышаются надежность и долговечность агрегата.

Газообразный фреон поступает в цилиндр компрессора и сжимается в нем благодаря вращению верхней и нижней шеек (роторов) коленчатого вала, расположенного эксцентрично по отношению к цилиндру. Сжатие газа происходит за счет постоянного изменения геометрической формы полостей, создаваемых цилиндром и вращающимися шейками коленвала.

Чтобы движущиеся компоненты компрессора не износились и не вышли из строя, что приведет к его поломке и вынужденной замене (такие агрегаты не подлежат ремонту), требуется смазка. Для этого применяется поливинилэфирное масло (PVE), полностью совместимое с фреоном R410A. В компрессорах Mitsubishi Electric используется оригинальное масло, а также запатентованная система его непрерывного возврата, включающая маслоотделитель — специальную камеру, находящуюся непосредственно над двигателем. С помощью маслораспределительной пластины, вращающейся со скоростью до 120 об/сек, она регулирует скорость циркуляции масла в системе и предотвращает его утечку. Через отверстия этой пластины масло проникает в цилиндр компрессора, где сжимается фреон, и перемешивается с ним. Затем смесь хладагента и масла через порт нагнетания направляется в трубки холодильного контура.

Компрессор Mitsubishi с докипателем

Для переохлаждения (Subcooling) фреона применяется пластинчатый экономайзер известного мирового производителя. С помощью соленоидного клапана в него впрыскивается небольшая часть циркулирующего в системе сконденсированного фреона, которая переохлаждает основную часть хладагента, проходящего через пластины экономайзера. Это дает возможность гарантированно обеспечить жидкую и исключить газообразную фракцию фреона, до того как он достигнет седла электронного терморегулирующего вентиля. Благодаря вышеописанной EVI-технологии, во-первых, увеличивается тепло- и холодопроизводительность теплового насоса (до 2—3% на каждый градус конденсации), а во-вторых, существенно расширяется диапазон его рабочих температур. В частности, инверторные тепловые насосы с двухроторным компрессором, выпускаемые компанией TICA, могут эксплуатироваться при температурах наружного воздуха: в режиме обогрева — от -25 до +25 °С, в режиме охлаждения — от -15 до +55 °С.

Теплообменник наружного блока представляет собой медный змеевик с алюминиевыми ребрами. Внутренние поверхности змеевика имеют насечки, увеличивающие площадь теплопередачи и повышающие ее эффективность. Ребра покрыты гидрофильным полимером, предотвращающим скопление грязи и воды между ними. Это позволяет уменьшить вероятность обмерзания теплообменника при низких температурах окружающей среды, а также избежать снижения эффективности теплообмена.

Теплообменник наружного блока

Электронные терморегулирующие вентили используются для точного регулирования объема хладагента в зависимости от нагрузки на инверторный тепловой насос типа «воздух-вода». ТРВ, задействованный в режиме охлаждения, рассчитан на 480 шагов, вентиль, используемый в режиме обогрева, — на 500 шагов. ТРВ на линии всасывания газа используется при размораживании теплообменника наружного блока. Периодичность размораживания определяется интеллектуальной системой управления, построенной на базе платы управления и встроенного в нее контроллера, и зависит от условий эксплуатации, в частности от температуры окружающего воздуха и времени наработки теплового насоса. Контроллер получает информацию от соответствующих датчиков. В зависимости от полученных сигналов он автоматически определяет, нужно ли запускать программу размораживания. Благодаря этому количество циклов размораживания и их длительность сокращаются вдвое, а пользователи не чувствуют никакого дискомфорта при переключении системы из одного режима работы в другой.

Электронный ТРВ

Газовый и жидкостный обратные клапаны предотвращают изменение направления фреонового потока. Они препятствуют перетеканию хладагента из трубки нагнетания в трубку всасывания во время остановок компрессора, а также влажному ходу и гидроудару при последующем запуске агрегата.

Осевой вентилятор предназначен для забора/выдува воздуха и повышения эффективности теплопередачи в теплообменнике наружного блока. Вентиляторы тепловых насосов, выпускаемых TICA, оснащены бесколлекторными DC-двигателями японской компании Shibaura — одного из лидеров рынка малых двигателей. Отличительной особенностью электропривода является отсутствие трения между ротором и щетками коллектора. Благодаря этому агрегат изнашивается в гораздо меньшей степени, нежели щеточный двигатель. Уровень шума при эксплуатации бесколлекторного DC-двигателя также существенно ниже.

Двигатель постоянного тока, изготовляемый компанией Shibaura

Интеллектуальная система управления, на аппаратном уровне представляющая собой материнскую плату с контроллером и подключенными к ней датчиками, координирует работу всех элементов наружного и внутреннего блоков инверторного теплового насоса типа «воздух-вода». Помимо того, она обеспечивает комплексную защиту компонентов агрегата. В устройствах, выпускаемых TICA, предусмотрены:

• защита от чрезмерно низкого/высокого напряжения;
• защита от перегрузки компрессора и привода вентилятора;
• защита от перегрева компрессора;
• защита от недостаточного количества воды, поступающей в теплообменник внутреннего блока;
• защита от слишком низкой/высокой температуры воды на выходе;
• защита от чрезмерно высокого/низкого давления на линии нагнетания/всасывания хладагента.

Интеллектуальная система управления способна не только эффективно регулировать работу комплектующих теплового насоса в зависимости от условий его эксплуатации, но и диагностировать и даже прогнозировать потенциальные проблемы, а также принимать меры, которые позволят не допустить простоя оборудования и его выхода из строя. Благодаря ей пользователь может смело руководствоваться принципом «установил и забыл» и не опасаться, что климатическая техника выйдет из строя. Если система управления не сможет самостоятельно решить выявленную проблему, она сообщит об этом пользователю, выдав соответствующий сигнал на проводной пульт управления, и при необходимости отключит тепловой насос во избежание его повреждения.

Внутренний блок инверторного теплового насоса типа «воздух-вода»

Схема внутреннего блока инверторного теплового насоса (сплит-системы) представлена на нижеприведенном рисунке.

Схема настенного внутреннего блока инверторного теплового насоса типа «воздух-вода», выпускаемого компанией TICA

(1 — расширительный бак; 2 — автоматический воздухоотводчик; 3 — кожухотрубный теплообменник; 4 — водяной насос (опционально); 5 — предохранительный клапан; 6 — патрубок для подсоединения дренажной трубы; 7 — патрубок для подсоединения трубы с жидким хладагентом; 8 — патрубок для подсоединения трубы с газообразным хладагентом; 9 — патрубок для подсоединения водозаборной трубы; 10 — патрубок для подсоединения водоотводной трубы; 11 — дренажный поддон; 12 — проводной пульт управления; 13 — реле протока; 14 — блок питания)

Одним из основных элементов блока является противоточный кожухотрубный теплообменник. Именно в нем теплоноситель нагревается или охлаждается, взаимодействуя через стенки медных трубок с фреоном R410A. Для повышения эффективности теплопередачи вода внутри кожуха движется противотоком по отношению к хладагенту. Кроме того, благодаря опорным перегородкам ее движение приобретает спиралевидный характер. В результате теплые слои воды перемешиваются с более холодными и на выходе из теплообменника их температура выравнивается.

Схема работы противоточного кожухотрубного теплообменника в режиме обогрева

Водяной насос используется для подачи нагретой или охлажденной воды к фанкойлам, радиаторам, приточной установке, теплому полу. По усмотрению заказчика изделия TICA оборудуются водяными насосами либо поставляются без них (на это указывает индекс N в наименовании модели). В первом случае внутренние блоки комплектуются экранированными насосами с регулируемым напором, выпускаемыми датской компанией Grundfos. Агрегаты оснащаются двигателями постоянного тока, плавно изменяющими свою частоту в зависимости от расхода воды, и отличаются высокой производительностью, длительным сроком службы и низким уровнем шума. Во втором случае клиент самостоятельно устанавливает водяной насос в соответствии с требованиями, указанными в инструкции по эксплуатации.

Для балансировки объема нагретой или охлажденной воды в системе предназначен расширительный бак. Он помогает устранить проблемы недостаточного или избыточного поступления воды от фанкойлов, радиаторов, теплого пола, а также поддерживать ее температуру на заданном уровне.

Реле протока отвечает за уровень воды, циркулирующей в водяном контуре. Если ее недостаточно, реле размыкается и подает соответствующий импульс плате управления, после чего та выдает аварийный сигнал и отключает оборудование.

Автоматический или ручной воздухоотводчик (выбирается по усмотрению заказчика) предотвращает появление в верхних точках водяного контура воздушных пробок, которые препятствуют нормальной циркуляции воды. Он снижает вероятность гидроудара и выхода инверторного теплового насоса из строя.

Предохранительный клапан предотвращает повреждение водопровода в случаях, когда фактическое давление воды превышает значение уставки.

Образующийся на стенках кожухотрубного теплообменника конденсат и излишняя вода, сливаемая расширительным баком, стекают в дренажный поддон и дренажную трубку.

Внутренний блок комплектуется проводным пультом управления с ЖК-дисплеем и чувствительными механическими кнопками. С его помощью пользователь задает различные режимы работы оборудования (подогрев пола, обогрев или охлаждение объекта с помощью фанкойлов, поддержание температуры теплого пола; три бесшумных режима; режим энергосбережения, интеллектуального либо мощного размораживания и др.) и следит за его состоянием. На дисплее отображаются: температура окружающей среды, температура в помещении, установленный режим работы, код ошибки (при возникновении неисправности). Для ограничения доступа сторонних лиц к настройкам теплового насоса предусмотрена авторизация посредством ввода имени и пароля.

На плате управления размещен интерфейс RS-485, предназначенный для подключения к тепловому насосу персонального компьютера или ноутбука. Это существенно облегчает диагностику и техническое обслуживание агрегата, а также работу с историей отказов, хранящейся в энергонезависимой памяти.

Инверторные тепловые насосы типа «воздух-вода» с двухроторным компрессором могут быть интегрированы в систему «умный дом», которая автоматически управляет осветительными приборами, работой жалюзи и другими бытовыми электроприборами. Также изделия могут быть подключены к автоматизированной системе управления зданием (BMS). Обмен данными осуществляется по протоколу Modbus.

Основные характеристики инверторных тепловых насосов типа «воздух-вода» с двухроторным компрессором

Вас также может заинтересовать:

Мини VRF

VRF-системы

Внутренние блоки

Чиллеры

Фанкойлы

Тепловые насосы

ККБ

Вент. установки

Модули AHU KIT