مقایسه علمی و فنی سیستم‌های تهویه مطبوع VRF و داکت اسپلیت

افزایش چشمگیر مصرف انرژی در بخش ساختمان‌ که طبق آمار آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) حدود ۴۰ درصد از کل انرژی مصرفی جهانی را شامل می‌شود، ضرورت به‌کارگیری سیستم‌های سرمایش و گرمایش با بازدهی بالا را ایجاب می‌کند. در این میان، دو سیستم  Variable Refrigerant Flow (VRF)  و سیستم داکت اسپلیت (Ducted Split System) به‌دلیل قابلیت‌هایشان در تأمین آسایش و کاهش مصرف انرژی، توجه مهندسان و طراحان را به‌خود جلب کرده‌اند. این مقاله با هدف ارائه یک تحلیل علمی و فنی تطبیقی، به بررسی عملکرد، هزینه‌ها و کارایی این دو سیستم جدید می‌پردازد.

دمـاتجهیـز؛ راهنمای تخصصی انتخاب و خرید تجهیزات تهویه و تاسیسات (از سال ۱۳۸۳)

معرفی سیستم‌ها

در ایران، به‌ویژه در مناطقی که دارای هوای گرم در تابستانها هستند مانند شهرهای اصفهان،تهران،کرمان،مشهد،اهواز، یزد و... انتخاب صحیح سیستم سرمایشی می‌تواند تأثیر مستقیمی بر کاهش هزینه انرژی و آسایش ساکنان داشته باشد.

در این میان، دو تکنولوژی پرکاربرد یعنی سیستم داکت اسپلیت و سیستم VRF در ساختمان‌های مسکونی، تجاری، اداری، هتل ها و... مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند. هر یک از این سیستم‌ها ویژگی‌های خاصی در طراحی، کنترل دما، مصرف انرژی و هزینه دارند که در ادامه به‌صورت علمی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

معرفی تخصصی سیستم داکت اسپلیت (Ducted Split System) 

سیستم داکت اسپلیت یک زیرمجموعه از سیستم‌های انبساط مستقیم (DX - Direct Expansion) است که برای تهویه مطبوع مستقل (سرمایش و گرمایش) در ساختمان‌های مسکونی، اداری و تجاری کوچک تا متوسط کاربرد دارد. این سیستم بر اساس یک مدار تبرید تراکمی (Vapor Compression Refrigeration Cycle) بسته کار می‌کند.

ساختار و نحوه عملکرد داکت اسپلیت:

ساختار داکت اسپلیت شامل دو بخش اصلی و مستقل است که با لوله مبرد به یکدیگر متصل می‌شوند:

الف. یونیت داخلی (هندلر یونیت یا هواساز سقفی)

این بخش داخل سقف کاذب نصب شده و شامل اواپراتور (مبدل حرارتی) و فن سانتریفیوژ قوی است. فن هوای برگشتی (Return Air) از فضا را از روی کویل اواپراتور عبور می‌دهد (جایی که مبرد مایع و در تابستان گرما را جذب کرده)، آن را خنک می‌کند و سپس توسط سیستم کانال‌کشی داخل واحد (Ductwork) در چندین فضا توزیع می‌نماید.

ب. یونیت خارجی (کندانسینگ یونیت)

این واحد که شامل کمپرسور (معمولاً روتاری یا اسکرال) و کندانسور (مبدل حرارتی) است، وظیفه متراکم کردن گاز مبرد و دفع حرارت جذب‌شده از فضای داخلی به محیط بیرون را بر عهده دارد.

سیکل گرمایش

در حالت گرمایش نیز اولا می تواند، با استفاده از یک شیر چهارطرفه (Reversing Valve)، عملکرد دو واحد معکوس شده و یونیت خارجی نقش اواپراتور و یونیت داخلی نقش کندانسور را ایفا می‌کند ولی در بیشتر موارد با نصب کویل آب گرم که از پکیج گرمایشی داخل واحد و یا آبگرم موتورخانه تغذیه می کند، هوای گرم را برای واحد مربوطه در فصل زمستان تامین می نماید.

مزایا و ویژگی‌های فنی داکت اسپلیت نسبت به سیستم VRF:

ظرفیت متناسب: ایده‌آل برای بارهای حرارتی و برودتی پروژه‌های کوچک تا متوسط که در آنها نیاز به کنترل دمایی منطقه‌ای   (Zone Control) پیچیده وجود ندارد.

• تهویه مطبوع متمرکز چند زون (Centralized Multi-Zone Conditioning): این سیستم با توزیع هوا از طریق کانال‌ها، هوای مطبوع را به چندین اتاق/ناحیه از یک منبع مرکزی (یونیت داخلی) تأمین می‌کند و نیاز به چندین دستگاه مجزا در داخل اتاق‌ها را مرتفع می‌سازد.
• سادگی و سهولت نصب (Simplicity and Installation Cost): ساختار دوگانه و عدم نیاز به تجهیزات پیچیده توزیع آب (مانند چیلر و بویلر)، هزینه اولیه نصب را پایین نگه می‌دارد.
• تعمیر و نگهداری آسان (Maintenance Simplicity): به دلیل دسترسی نسبتاً آسان به فن هوادهی و فیلترها در یونیت داخلی و سادگی اجزا پنل بیرونی (کندانسور) و فراوانی قطعات و اجزا آنها تعمیر و نگهداری داکت اسپلیت ساده تر است.

 محدودیت‌های تخصصی سیستم داکت اسپلیت:

• عدم کنترل مستقل دمای هر فضا (No Independent Zone Control): این مهم‌ترین محدودیت است. تمامی فضاها (زون‌ها) که به یک داکت اسپلیت متصل هستند، دمای یکسانی را دریافت می‌کنند، زیرا فقط یک ترموستات مرکزی (معمولاً در راهرو یا اتاق اصلی) دمای کل فضا را مدیریت می‌کند.

• نکته: برای رفع نسبی این مشکل، می‌توان از دمپرهای موتوری (Motorized Dampers) در کانال‌ها استفاده کرد، اما این راهکار پیچیدگی و هزینه نصب را افزایش می‌دهد.

• مصرف برق داکت اسپلیت ها (حتی نوع اینورتردار)به دلیل تامین سرمایش همزمان در همه فضاهای واحد و عدم نصب ترموستاتجهت تنظیم دما در هر اتاق، خود به خود بالا خواهد بود.
• راندمان در شرایط بار جزئی (Part-Load Efficiency): سیستم‌های داکت اسپلیت قدیمی (غیر اینورتر) در شرایطی که نیاز سرمایشی کم است (بار جزئی)، با خاموش و روشن شدن مکرر (On/Off)، دچار کاهش راندمان انرژی می‌شوند. داکت اسپلیت‌های اینورتر این محدودیت را با تنظیم سرعت کمپرسور و فن تا حد زیادی برطرف کرده‌اند.
• اشغال فضای سقف کاذب (Ceiling Space Requirement): نصب یونیت داخلی و کانال‌کشی‌ها نیازمند فضای نسبتاً بزرگی در سقف کاذب است که می‌تواند ارتفاع مفید اتاق را کاهش دهد و محدودیت‌های معماری ایجاد کند.

معرفی تخصصی سیستم VRF

سیستم اسپلیت مرکزی VRF (جریان متغیر مبرد) یک فناوری پیشرفته در زمینه  تهویه مطبوع (HVAC) است که اساساً بر مبنای توانایی تغییر حجم مبرد ارسال‌شده به یونیت‌های داخلی، بر اساس بار برودتی و حرارتی لحظه‌ای هر منطقه، کار می‌کند. این مدل عملکردی تفاوت اساسی با سیستم‌های قدیمی DX (Direct Expansion) نظیر اسپلیت‌ها و مینی‌اسپلیت‌های معمولی دارد.

دمـاتجهیـز؛ اولین مرجع تخصصی انتخاب و قیمت تجهیزات تهویه و تاسیسات (از سال ۱۳۸۳)

 فناوری جریان متغیر مبرد (Variable Refrigerant Flow) در سیستم های VRF:

نقطه کانونی VRF، استفاده از تکنولوژی اینورتر (Inverter Technology) در کمپرسور یونیت خارجی است. این کمپرسورها برخلاف کمپرسورهای معمولی (On/Off) که تنها در دو حالت خاموش یا حداکثر توان کار می‌کنند، می‌توانند سرعت چرخش خود را به‌صورت پیوسته و متناسب با نیاز سرمایش یا گرمایش لحظه‌ای ساختمان تغییر دهند.

مزیت اصلی: این کار باعث می‌شود که سیستم بتواند به‌جای خاموش و روشن شدن‌های مکرر، صرفاً جریان مبرد (فلو) را در حلقه‌های (Loops) یا خطوط (Lines) اختصاصی بر اساس تنظیم دمایی و فرمان ترموستات نصب شده در هر اتاق به هر یونیت داخلی تنظیم کند. این تنظیم دقیق، امکان کنترل دمایی دقیق و دستیابی به شرایط آسایش بالا را در هر زون فراهم می‌کند.

معماری چندگانه یونیت‌ها (Multi-Zone Architecture)

در سیستم VRF، معماری اتصال به شکل زیر است:

• یونیت‌های داخلی: تنوع بالایی دارند (کاستی، کانالی، دیواری و...) و هر کدام به‌صورت جداگانه از طریق یک لوله کشی مشترک اما با شیرهای انبساط الکترونیکی (EEV - Electronic Expansion Valve) مجزا، به یونیت خارجی متصل می‌شوند. EEV عنصری کلیدی است که جریان دقیق مبرد مورد نیاز هر یونیت را براساس دمای تعیین شده ترموستات در هر یک از اتاق ها، کنترل می‌کند.
• یونیت خارجی (Outdoor Unit): شامل یک یا مجموعه‌ای از کمپرسورهای اینورتر و مبدل حرارتی است. قدرت بالای یونیت‌های خارجی VRF، امکان اتصال تعداد بسیار زیادی یونیت داخلی (Indoor Units) (گاهی تا ۶۴ یونیت یا بیشتر) به یک پنل خارجی را فراهم می‌کند.

کنترل دیجیتالی و بهینه‌سازی انرژی (Digital Control & Energy Optimization)

تخصصی‌ترین بخش سیستم VRF، نحوه مدیریت جریان مبرد است که منجر به بهینه‌سازی مصرف انرژی می‌شود:

• کنترل ناحیه‌ای (Zonal Control): سیستم VRF می‌تواند به طور مستقل دمای هر اتاق یا ناحیه (Zone) را کنترل کند. به‌عنوان مثال، در یک دفتر کار، اتاق جنوبی که در معرض تابش شدید خورشید است، می‌تواند به‌طور همزمان و مستقل از اتاق شمالی که نیاز به سرمایش ندارد یا حتی به گرمایش دارد، به صورت متفاوت عمل کند.
• سیستم‌های بازیافت حرارت (Heat Recovery VRF): تخصصی‌ترین نوعVRF ، سیستم‌های VRF سه‌لوله‌ای 3-Pipe VRF هستند که می‌توانند به‌صورت هم‌زمان در نقاط مختلف ساختمان، سرمایش و گرمایش ارائه دهند. این سیستم، گرمای جذب‌شده از نواحی در حال سرمایش را به مبرد منتقل کرده و آن را برای گرمایش به نواحی نیازمند حرارت ارسال می‌کند (بازیافت انرژی)، که بالاترین سطح بهره‌وری انرژی را در سیستم های پیشرفته VRF ارائه می‌دهد.
• بار جزئی (Part-Load Operation): در اغلب ساعات شبانه‌روز، یک ساختمان نیاز به حداکثر توان سرمایشی/گرمایشی (بار کامل) ندارد. VRF با تنظیم دقیق سرعت کمپرسور برای مطابقت با بار جزئی غالب، از حداکثر ظرفیت تنها در مواقع ضروری استفاده می‌کند. این عملکرد در بارهای جزئی، منجر به بازده انرژی فصلی (SEER/HSPF) بسیار بالایی می‌شود.

مزیت تخصصی سیستم VRF:

در نهایت، تخصص VRF در ارائه "فقط مقدار مبرد مورد نیاز، در زمان مورد نیاز، به جایی که مورد نیاز است" خلاصه می‌شود. این دقت در تزریق مبرد، منجر به کاهش چشمگیر مصرف برق، افزایش آسایش کاربر و انعطاف‌پذیری فوق‌العاده در طراحی ساختمان‌های تجاری و بزرگ می‌شود.

محدودیت‌های سیستم VRF:

• هزینه اولیه و طراحی بالا
• نیاز به نصب دقیق و تخصصی
• هزینه بالاتر در تعمیرات احتمالی

مقایسه عددی و تحلیلی

در جدول زیر، مقادیر میانگین به‌دست‌آمده از داده‌های میدانی و پروژه‌های مشابه بین‌المللی ارائه شده است.

تحلیل فنی و اقتصادی

همان طور که مشاهده می کنید، تحلیل فنی و اقتصادی سیستم‌های VRF و داکت اسپلیت بر اساس معیارهای ارائه ‌شده در جدول فوق، تفاوت‌های آنها در عملکرد، بهره‌وری بلندمدت و هزینه اولیه را آشکار می‌سازد.

تحلیل انرژی

ضریب عملکرد یا COP بیانگر نسبت سرمایش خروجی به توان مصرفی الکتریکی است. در سیستم VRF به‌دلیل کنترل متغیر جریان مبرد، COP بالاتر بوده و در بارهای جزئی تا ۳۰٪ صرفه‌جویی انرژی نسبت به داکت اسپلیت حاصل می‌شود.

این ویژگی در مناطق با نوسان بار حرارتی (مثلاً اداراتی که بخشی از روز در بار جزئی کار می‌کنند) اهمیت ویژه دارد.

تحلیل هزینه

اگرچه هزینه اولیه VRF حدود ۵۰٪ بیشتر از داکت اسپلیت است، اما در صورت استفاده مداوم و بلندمدت (بیش از ۷ سال)، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کنترل هوشمند دما باعث می‌شود دوره بازگشت سرمایه (Payback Period) بین ۵ تا ۸ سال باشد.

در مقابل، داکت اسپلیت برای پروژه‌هایی با بودجه محدود یا زمان بهره‌برداری کوتاه، انتخاب اقتصادی‌تری محسوب می‌شود.

نگهداری و پایداری

نگهداری سیستم VRF نیازمند نیروی فنی آموزش‌دیده است، چراکه کنترل الکترونیکی دقیق، سنسورهای متعدد و مدار مبرد پیچیده دارد. اما در داکت اسپلیت، سرویس دوره‌ای ساده‌تر بوده و در اکثر موارد با شست‌وشوی فیلتر و کویل انجام می‌شود.

تأثیر بر شبکه برق

VRF به‌دلیل عملکرد متغیر کمپرسورهای اینورتر، از ایجاد پیک‌های ناگهانی در مصرف برق جلوگیری می‌کند. در حالی‌که داکت اسپلیت هنگام روشن و خاموش شدن کمپرسور، پیک بار لحظه‌ای بالاتری دارد. این موضوع در پروژه‌های بزرگ تجاری بر تعادل شبکه برق اثرگذار است.

دمـاتجهیـز؛ بهترین قیمت ها و برندهای معتبر تجهیزات تهویه و تاسیسات (از سال ۱۳۸۳)

 تحلیل زیست‌محیطی

یکی از نکات مهم در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع، بررسی اثرات زیست‌محیطی مبردها است.

سیستم‌های VRF از مبرد  R410A یا  R32 استفاده می‌کنند که دارای پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) نسبتاً بالا هستند. در سال‌های اخیر، تولیدکنندگان بزرگ به سمت مبردهای با GWP پایین‌تر (مانند R454B) حرکت کرده‌اند.

داکت اسپلیت‌ها نیز بر اساس مدل از همین مبردها بهره می‌برند، اما به‌دلیل تعداد کمتر لوله‌های مبرد، احتمال نشت در آن‌ها پایین‌تر است.

در مجموع، اگر نصب سیستم VRF با استانداردهای دقیق انجام شود، تأثیر زیست‌محیطی آن قابل کنترل است.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

تحلیل فنی و اقتصادی انجام‌شده در این مقاله نشان می‌دهد که هیچ‌کدام از دو سیستم VRF و داکت اسپلیت، به‌طور مطلق برتر نیستند و انتخاب نهایی باید بر اساس نوع ساختمان، ظرفیت مورد نیاز، شرایط اقلیمی و بودجه پروژه انجام شود.

نتیجه‌گیری اصلی:

• VRFدر ساختمان‌های لوکس و بزرگ اداری، تجاری، هتل‌ها و مراکز چندمنظوره با بار جزئی متغیر، گزینه‌ای بهینه با عملکرد بالا و کنترل پیشرفته است.
• داکت اسپلیت در ساختمان‌های مسکونی متوسط، فروشگاه‌ها و فضاهایی که نیاز به کنترل ساده دارند، انتخابی اقتصادی و قابل‌اعتماد محسوب می‌شود.
• از دید زیست‌محیطی، هر دو سیستم در صورت انتخاب مبرد مناسب و طراحی صحیح می‌توانند با استانداردهای جدید انرژی هماهنگ شوند.

در آخر، توصیه می‌شود در مراحل طراحی، علاوه بر محاسبه بار سرمایشی، تحلیل چرخه عمر (Life Cycle Cost  Analysis) نیز انجام گیرد تا انتخاب نهایی نه‌تنها از نظر فنی بلکه از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی نیز بهینه باشد.