Компания Mitsubishi Electric успешно завершила полевые испытания систем серии ZUBADAN. На японском языке это обозначает «суперобогрев». Известно, что производительность тепловых насосов, использующих для обогрева помещений низкопотенциальное тепло наружного воздуха, уменьшается при снижении температуры наружного воздуха. И это снижение весьма значительное: при температуре -20°С тепло-производительность на 40 % меньше номинального значения, указанного в спецификациях приборов и измеренного при температуре +7°С. Именно по этой причине воздушные тепловые насосы не рассматривают в нашей стране как полноценный нагревательный прибор. Отношение к ним может коренным образом измениться с появлением кондиционеров серии ZUBADAN.

Обратите внимание на рисунок 1. Графики иллюстрируют изменение теплопроизводительности системы в зависимости от температуры наружного воздуха. Для серии ZUBADAN производительность системы практически не уменьшается до температуры -15°С, сохраняя номинальное значение. И только при более низкой температуре теплопроизводитель-ность начинает уменьшаться, но даже при этом сохраняется явное преимущество над моделями передовой инверторной серии Mr. SLIM POWER INVERTER. На графике хорошо видно, что при температуре наружного воздуха -20°С кондиционер серии ZUBADAN типоразмера 4НР (номинальная теплопроиз-водительность около 11 кВт) выделяет на 1 кВт больше тепла в помещение, чем кондиционер серии POWER INVERTER типоразмера 5НР (номинальная теплопроизводительность около 14 кВт). Еще более показательно сравнение моделей одинаковой номинальной производительности (синяя прямая на графике).

Рис. 1. Сравнение теплопроизводительности систем серий ZUBADAN и POWER INVERTER

Достигнуты столь выдающиеся результаты благодаря использованию спирального компрессора специальной модификации и технологии двухфазного впрыска хладагента. Гидравлический контур имеет сложную структуру: он оснащен тремя расширительными вентилями с электрическим приводом, которые обеспечивают двухступенчатое дросселирование хладагента и оптимизацию процесса впрыска хладагента в компрессор. Управляющая программа наружного блока регулирует частоту вращения инверторного компрессора, вентилятора наружного теплообменника и степень открытия расширительных вентилей с помощью приводных шаговых электродвигателей. Таким образом, прибор имеет множество степеней свободы и может точно подстроиться под специальные условия эксплуатации. Завод-изготовитель подтверждает работоспособность системы в режиме обогрева при температурах наружного воздуха до -25°С. Но заложенные в основу работы системы методы позволяют функционировать при существенно более низких температурах. Поэтому вполне вероятно, что указанное значение не является строгим ограничением.

Управление режимом оттаивания

Результаты полевых испытаний в г. Асахикава (остров Хоккайдо, Япония)

На рисунке 2 приведен фрагмент записи результатов тестирования полупромышленного кондиционера Mr. SLIM серии ZUBADAN на северном японском острове Хоккайдо. В момент начала записи (16:00) температура наружного воздуха составляла -10°С, при этом температура воздуха на выходе внутреннего блока была около +50°С. Ночью похолодало, температура наружного воздуха понизилась ниже -20°С, при этом температура воздуха, выходящего из внутреннего блока, уменьшилась до +45°С. Важно отметить, что режим оттаивания наружного теплообменника (неизбежный для тепловых насосов) включается 1 раз в 2,5 часа, и его продолжительность составляет всего 3 минуты. В режиме оттаивания температура воздуха на выходе внутреннего блока соответствует комнатной температуре.

В обычных системах средняя теплопроизводитель-ность оказывается на 5 — 10 % меньше номинального значения, которое дается без учета режима оттаивания. В системах серии ZUBADAN оттаивание несущественно уменьшает среднюю те-плопроизводительность. На графике видно, что даже ночью при минимальной температуре снаружи — кондиционер поддерживает в помещении температуру 22 — 23°С. Другим важным параметром теплового насоса является время выхода на номинальную производительность после первого включения или после окончания очередного режима оттаивания. Чем меньше инерционность и короче переходный процесс, тем выше средняя теплопроизводительность системы и меньше отклонение температуры в помещении от целевого значения. На рисунке 3 показано сравнение системы ZUBADAN с обычной инверторной системой. Температура воздуха, выходящего из внутреннего блока системы ZUBADAN, достигает значения +45°С вдвое быстрее (10 минут), чем ин-верторная система (19 минут). А после выхода на стабильный режим температура воздуха на выходе системы ZUBADAN достигнет значения +50°С (при температуре наружного воздуха +2°С).

Рис. 3. Время выхода систем на номинальную теплопроизво-дительность

Как это работает Традиционным решением задачи увеличения теплопроизводительности системы при низких температурах наружного воздуха является впрыск газообразного хладагента в компрессор. Для этого между конденсатором и испарителем в точке промежуточного давления устанавливается сепаратор «жидкость-газ», верхний вывод которого соединяется со штуцером впрыска в компрессор. В результате количество газообразного хладагента, циркулирующего через конденсатор, увеличивается, и растет теплопроизводительность системы. Однако такие системы отличаются нестабильной работой. Объем впрыска колеблется в зависимости от давления в сепараторе и производительности компрессора, а уровень заполнения отделителя меняется в очень широких пределах: от минимального уровня до полного заполнения жидким хладагентом.

Рис. 4. Схема гидравлического контура системы ZUBADAN

В системах ZUBA-DAN применяется метод парожидкостной ин-жекции. В режиме обогрева давление жидкого хладагента, выходящего из конденсатора, роль которого выполняет теплообменник внутреннего блока, немного уменьшается с помощью расширительного вентиля LEV B. Парожидкостная смесь (точка 3 на рисунке 4) поступает в ресивер «Power Receiver». Внутри ресивера проходит линия всасывания, и осуществляется обмен теплотой с газообразным хладагентом низкого давления. За счет этого температура смеси снова понижается (точка 4 на рисунке 4), и жидкость поступает на выход ресивера.

Далее некоторое количество жидкого хладагента ответвляется через расширительны й вентиль LEV C в цепь инжекции. Часть жидкости испаряется, а температура образующейся смеси понижается. За счет этого охлаждается основной поток жидкого хладагента, проходящий через теплообменник HIC (точка 5 на рисунке 4). После дросселирования с помощью расширительного вентиля LEV A (точка 6 на рисунке 4) смесь жидкого хладагента и образовавшегося в процессе понижения давления пара поступает в испаритель, то есть теплообменник наружного блока. За счет низкой температуры испарения тепло передается от наружного воздуха к хладагенту, и жидкая фаза в смеси полностью испаряется (точка 7 на рисунке 4). Проходя через трубу низкого давления в ресивере «Power Receiver», перегрев газообразного хладагента увеличивается, и он поступает в компрессор. Кроме того, этот ресивер сглаживает колебания промежуточного давления при флуктуациях внешней тепловой нагрузки, а также гарантирует подачу на расширительный вентиль цепи инжекции только жидкого хладагента, что стабилизирует работу этой цепи. 

Часть жидкого хладагента, ответвленная от основного потока в цепь инжекции, превращается в парожидкостную смесь среднего давления. При этом температура смеси понижается, и она подается через специальный штуцер инжекции в компрессор. В верхней неподвижной спирали компрессора предусмотрены отверстия для впрыска хладагента на промежуточном этапе сжатия (рисунок 5).

Рис. 5. Структура компрессора с каналом инжекции

Расширительный вентиль LEV B задает величину переохлаждения хладагента в конденсаторе. Вентиль LEV A определяет перегрев в испарителе, а LEV C поддерживает температуру перегретого пара на выходе компрессора около 90°С. Это происходит за счет того, что, попадая через цепи инжекции в замкнутую область между спиралями компрессора, двухфазная смесь перемешивается с газообразным горячим хладагентом, и жидкость из смеси полностью испаряется. Температура газа понижается. Регулируя состав парожидкостной смеси, можно контролировать температуру нагнетания компрессора. Далее мы увидим, что это позволяет не только избежать перегрева компрессора, но и оптимизировать теплопроизводительность конденсатора. Эффект от инжекции газообразного хладагента заключается в следующем. Поток хладагента через компрессор складывается из хладагента, поступающего через линию всасывания, и хладагента, проходящего через цепь инжекции. При низкой температуре наружного воздуха инжекция увеличивает общий расход. В результате больше горячего пара поступает в конденсатор (теплообменник внутреннего блока), и его тепловая мощность увеличивается.

Кроме того, инжекция газа увеличивает эффективность всего холодильного контура. Дело в том, что обычно на вход испарителя после дросселирующего устройства поступает парожид-костная смесь. При этом входящий газ бесполезно проходит по испарителю, практически не внося вклад в холодопроиз-водительность. Далее он поступает в компрессор, который затрачивает энергию на его сжатие совместно с газом, образовавшимся в испарителе. При инжекции газа в компрессор газообразный хладагент отбирается в цепь инжекции при промежуточном давлении. И компрессор затрачивает меньшую энергию на сжатие этого газа, потому что сжатие до давления конденсации происходит от уровня промежуточного давления, а не от давления испарения. Данный эффект проявляется как в режиме обогрева, так и в режиме охлаждения.

Рассмотрим подробнее взаимосвязь между расходом хладагента, проходящего через цепь инжекции, и тепловой мощностью конденсатора. С одной стороны, с увеличением количества инжектируемого газа расход хладагента через конденсатор увеличивается, но при этом температура перегрева паров на входе в конденсатор уменьшается. На рисунке 6 показано распределение температуры вдоль поверхности теплообменника при одинаковой температуре конденсации, но при разной температуре входящего газа. Существенные различия наблюдаются на участке, где хладагент находится в состоянии перегретого газа. Конечно, теплообмен на горизонтальном участке конденсации доминирует, но и участок перегретого газа нельзя сбрасывать со счетов, поскольку он вносит 20–30 % в теплопроизводительность конденсатора.

Рис. 6. Распределение температуры конденсатора

Наличие двух соизмеримых и противоположно направленных факторов приводит к тому, что теплопроизводительность системы достигает максимума при строго определенном расходе инжектируемого газа. Таким образом, алгоритм управления цепью инжекции может быть оптимизирован с целью достижения максимальной теплопроизводительности, например, при пуске системы в холодном помещении. Но на некоторых этапах работы теплового насоса требуется не столько производительность, сколько экономичная работа. Например, после прогрева помещения максимальная мощность больше не требуется, и предпочтительнее энергоэффективная работа системы. Поэтому на данном этапе расход инжектируемого хладагента уменьшается, что влечет за собой повышение температуры на входе конденсатора и уменьшение его производительности. Но в этом случае ограничение расхода в цепи инжекции сокращает количество газа, которое сжимает компрессор. Потребляемая мощность уменьшается, а энергоэффективность увеличивается.

Рис. 7. Теплопроизводительность системы ZUBADAN

 Рисунок 7 иллюстрирует зависимость производительности и экономичности системы от инжекции. В зависимости от условий эксплуатации система автоматически выбирает параметр оптимизации, что обеспечивает комфортный обогрев помещения и сокращение эксплуатационных расходов. Есть еще один режим, в котором важна максимальная производительность системы, — это режим оттаивания наружного теплообменника (испарителя). В процессе работы в режиме обогрева на нем образуется иней, который ухудшает процесс испарения хладагента и теплообмен с наружным воздухом. Для оттаивания система переключается с помощью 4-хходового клапана в режим охлаждения. При этом из внутреннего блока перестает выходить теплый воздух, и обогрев помещение приостанавливается. Поэтому желательно сократить продолжительность этого «технологического» режима.

Для этого одновременно с переключением 4-хходового клапана устанавливается приоритет максимальной производительности системы. Расширительный клапан LEV C в цепи инжекции открывается, увеличивая расход парожидкостной смеси. Основные следствия увеличения инжекции в режиме оттаивания аналогичны выводам, приведенным выше для режима обогрева. Производительность наружного теплообменника становится максимальной, и он быстро очищается от инея и льда. За время оттаивания температура в помещении не успевает ощутимо понизиться. Кроме того, после окончания режима оттаивания система снова включается с приоритетом теплопроизводительности и только после достижения целевой температуры выходит на экономичный режим. Таким образом, оттаивание наружного теплообменника происходит интенсивно, и система быстро возвращается к нормальному обогреву.

А можно ли увеличить интервал между оттаиваниями, то есть замедлить процесс образования инея и льда на теплообменнике? В системах ZUBADAN применяются две технологии. Первая — это гидрофильное покрытие ребер теплообменников. Оно позволяет избежать образования «мостиков» льда между соседними ребрами и последующей полной блокировки теплообменника. Вторая технология заложена в алгоритмы управления — интервал между режимами оттаивания изменяется в зависимости от температуры наружного теплообменника (температуры испарения) и температуры наружного воздуха. Предусмотрены «короткий» и «длинный» циклы оттаивания, сочетание которых позволяет оптимизировать процесс удаления инея с теплообменника наружного блока. За последние два года системы ZUBADAN успешно прошли полевые испытания в северных районах Японии и в странах Скандинавии. И, наконец, в конце осени 2007 года компания Mitsubishi Electric приступила к серийному производству данного оборудования для европейского рынка, и в том числе для России.