Кондиционирование воздуха в жилых и общественных зданиях

Появление большого выбора кондиционеров воздуха позволяет удовлетворить потребность в обеспечении комфортных условий в помещениях в жаркое время года. Однако разнообразие типов кондиционеров вызывает некоторые трудности при их выборе. Получить исчерпывающую информацию о кондиционерах в  торгующих организациях не всегда удается. Только организации, специализирующие на торговле кондиционерами, имеют достаточно полную информацию.

Но, наряду с ними существует, и большое количество магазинов, где кондиционеры продаются вместе с бытовой техникой. В этих магазинах, как правило, отсутствуют грамотные специалисты позволяющие дать квалифицированную консультацию по выбору кондиционера. При консультации с продавцом необходимо учитывать его заинтересованность в продаже. Основной причиной подготовки этой публикации послужило желание предоставить покупателю достаточно полную информацию позволяющую сделать объективный выбор при покупке кондиционера.

Требования к условиям комфортности

Основной задачей кондиционеров воздуха является поддержания комфортных условий в помещении. Поэтому мы остановимся на некоторых характеристиках определяющих понятие комфортности.

Как известно для поддержания всех жизненных процессов температура тела у человека должна быть постоянной и составлять 36,6С . При этом надо учесть, что человек выделяет тепло, причем количество этого тепла меняется в зависимости от интенсивности его деятельности и может составлять от 80 до 400 Вт. Ощущение комфортности во многом и определено соотношением количества выработанного и отведенного тепла от организма. В случае, если количество отведенного тепла превышает выработанное организмом, то у человека возникает ощущение холода, а если отвод тепла будет слишком мал, то будет наблюдаться перегрев тела, что может привести даже к тепловому удару.

Основными параметрами, определяющими теплообмен человека с окружающей средой, являются температура и относительная влажность окружающего воздуха.

В отечественных нормативах существует такое понятие как оптимальные и допустимые параметры микроклимата. Зоной допустимых величин для температуры воздуха являются значения от 20 до 28С .

Относительную влажность рекомендуется поддерживать при этом от 50 до 60%. Причем надо иметь ввиду, что при снижении относительной влажности воздуха до 40% возможно повышение температуры до  29-31С

В некоторых зарубежных странах для оценки комфортности введен индекс дискомфорта, который учитывает как температуру, так и влажность окружающего воздуха. Чем выше значение этого индекса, тем больше людей будут ощущать дискомфорт в помещении. Значение индекса вычисляется следующим образом

Индекс дискомфорта = (температура сухого термометра + температура влажного термометра) х 0,72+40,6

Температура влажного термометра эта температура воздуха имеющего 100% относительной влажности.

Какими же особенностями характеризуется климатические условия в Ростове-на-Дону?

Период, в который у некоторых людей возникает ощущение отсутствия комфорта, распространяется почти на все летние месяцы. Период, когда до 50% людей испытывают себя некомфортно, составляет около 400 часов, а при максимальных температурах до 40  указанный индекс составляет 87,4, и люди испытывают невыносимый дискомфорт. Для таких климатических условий поддержания комфорта в жилых и общественных помещениях возможно только при использовании кондиционеров.

Принципы работы кондиционеров

Первые разработки, использующихся в настоящее время кондиционеров, были выполнены в США в период до 1960 года, однако их применение ограничивалось технологическими возможностями. Массовый выпуск кондиционеров был налажен только в последние 15-20 лет.

Кондиционеры воздуха могут быть подразделены на несколько категорий, в соответствии с их функционированием. Например, существует тип охладителя, который только понижает температуру воздуха, тип осушителя, понижающего влажность воздуха, тип теплового насоса, который обеспечивает функции охлаждения и нагревания в одном устройстве и т.д. В настоящее время кондиционеры установлены в 70-80% жилых домов промышленно развитых стран.

Для того, чтобы создать комфортабельную окружающую среду, кондиционеры оборудованы датчиками для отслеживания различных условий и контроллерами для обработки данных, которые они от датчиков получают. Если сравнивать с человеческим организмом, датчики кондиционера воздуха подобны органам чувств и нервной системе человека. Они устанавливаются в различных местах, таких как отверстия для забора воздуха, вдоль трубопровода, и т.д. В старые времена, функции контроллера выполняли, в основном, механические приспособления, но с 1964 года электронные контроллеры стали все более и более обыденными.

Приблизительно с 1982 года для большинства контроллеров стали использоваться микропроцессоры. Что касается современных кондиционеров воздуха, нет нужды говорить о том, что пользователю достаточно лишь нажать на одну кнопку и система сама автоматически выберет между охлаждением, осушением и нагреванием. Некоторые модели включают так называемую “нечеткую логику” для управления комнатной температурой и обеспечения оптимального комфорта, основанного на еще более близких к человеку ощущениях.

Охлаждение помещения

На каком же принципе происходит охлаждение в кондиционерах. Этот принцип можно проиллюстрировать на примерах знакомых большинству людей. Больному с высокой температурой на голову кладут мокрое полотенце и это снижает жар. Врач перед уколом протирает кожу спиртом и вы ощущаете прохладу. Таких примеров можно привести много. Они все основаны на том, что жидкость при испарении поглащает тепло и понижает температуру. Очевидно что снижение температуры зависит от состава жидкости, ведь жидкости имеют различные температуры кипения. Вода закипает при 100 а спирт при более низкой температуры. Для кондиционеров воздуха были созданы специальные жидкости хлорофторуглероды (фреоны) которые имеют точку кипения при отрицательных температурах. Эти жидкости обладают следующими свойствами: не имеют цвета и запаха, не ядовиты,не воспламеняются и тяжелее воздуха.

В кондиционерах воздуха используется еще одна ранее известная особенность жидкостей. Было замечено, что при подъеме на высокую гору температура кипения воды снижается с 100  до 80 , а иногда и ниже, т.е. температура кипения жидкости зависит от давления. Для эффективной работы кондиционера в теплообменнике (испарителе). необходимо понизить его давление.

Чтобы добиться этого, создается сопротивление возле выпускного отверстия конденсатора для ограничения объема выходящего фреона. Обычно это делается с помощью длинной тонкой трубки, которая называется капиллярной. После прохождения через капиллярную трубку у жидкого хладагента понижается давление перед его поступлением в испаритель. Во время перехода хладагента из жидкости в газ, он поглощает тепло из воздуха.

Именно такое поглощение скрытой теплоты через испарение является причиной охлаждения воздуха в комнате.

Для того, чтобы превратить газ хладагента, полученный с помощью испарения в теплообменнике, в жидкость, он сжимается с помощью компрессора. Это превращает его в горячую жидкость с высоким давлением и температурой 40-50 . В дальнейшем эта жидкость проходит через конденсатор, который размещается вне помещения. Специальный вентилятор подает на нее наружный воздух, чтобы удалить часть тепла.

В конденсаторе существует три секции, в которых хладагент превращается из газообразного состояния в жидкое. Удаляется тепло, которое образовалось в процессе сжатия. Часть газа переходит в жидкое состояние, в результате чего появляется смесь газа и жидкости. Супер-охлаждающая секция, где хладагент полностью становится жидким. В результате появляется теплый, сильно сжатый жидкий хладагент. Суммируя вышеизложенное, можно заключить, что следующие шаги повторяются непрерывно:

Сжатие  -  Конденсация  -  Разрежение  -  Испарение

Вышеприведенные четыре шага называются четырьмя основными элементами цикла охлаждения

Сжатие

Хладагент, который был переведен в газообразное состояние, всасывается и сжимается компрессором. Повышается давление и газообразный хладагент переходит в жидкое состояние, при этом его температура повышается до 70-80 . Кроме того компрессор обеспечивает циркуляцию .хладагента.

Конденсация

После выхода из компрессора горячий газ хладагента под высоким давлением попадает в теплообменник (конденсатор), где хладагент конденсируется и отдает тепло наружному воздуху  и температура его снижается до 43-46 .

Разряжение

После выхода из конденсатора, жидкий хладагент поступает в испаритель. Капиллярная трубка, расположенная между испарителемти конденсаторо обеспечивает перепад давления.

Испарение

После выхода из капиллярной трубки жидкий хладагент под действием разрежения испаряется поглощая тепло из воздуха помещения. Это приводит к падению температуры в комнате, что вызывает эффект охлаждения.

Расположение основных узлов кондиционера показано на рисунке.

Осушение внутреннего воздуха

Во время работы кондиционера происходит осушение внутреннего воздуха. Процесс выделения влаги из воздуха хорошо можно проиллюстрировать на бытовом примере. Если вы в летнее время наполните стакан холодным пивом, то на его поверхности появятся водяные капли (конденсат). Аналогичное этому явление имеет место в кондиционере воздуха. Испаритель подобен стакану пива. Когда воздух помещения проходит через холодный испаритель, влага, которую он содержит, конденсируется в виде воды.

В кондиционерах существует несколько режимов при которых влага удаляется из воздуха. В летнее жаркое время при охлаждении помещения на поверхности испарителя, через который проходит внутренний воздух, поддерживается температура 10-14С , что вполне достаточно для выпадения конденсата и влага, вне зависимости от нашего желания, удаляется из внутреннего воздуха. Этим достигается снижение относительной влажности до 50%, а иногда и ниже. Снижение относительной влажности в жаркое время года позволяет менее болезненно переносить высокую температуру.

Сложнее обстоит дело, когда температуры воздуха соответствуют комфортным условиям, а влажность превышает все допустимые значения и достигает 90% и более. Нередки такие значения относительной влажности для дождливой Ростовской осени. В этом случае в современных кондиционерах предусмотрен режим осушения воздуха. На первой стадии внутренний воздух проходит через испаритель где он охлаждается и отдает влагу, процесс аналогичный жаркому периоду. На второй стадии, чтобы избежать ненужного охлаждения помещения, он нагревается при помощи электрического нагревателя. В кондиционерах где такой режим не предусмотрен для возможно совместное использование кондиционера в режиме охлаждения с бытовым электрическим нагревателем.

Нагрев помещения

Ряд кондиционеров представленных к продаже в настоящее время обладают дополнительной возможностью обогрева помещения. Невольно возникает вопрос на каком принципе осуществляется обогрев?

Вы, вероятно, замечали, что в летнее время выходящий поток воздуха из наружного блока кондиционера теплый. Казалось бы, что простой заменой мест для наружного и внутреннего блоков, систему кондиционирования можно использовать для нагревания зимой. Однако, это не будет практичным. Поэтому вместо того, чтобы менять места расположения внутреннего и наружного блоков кондиционера, используется узел, который называется реверсивным клапаном на 4 направления, предназначенный для изменения направления потока хладагента (газа). Этот метод, который называется нагреванием с помощью теплового насоса, работает посредством забора тепла из наружного воздуха и выделения его внутри помещения. 

Как тепло может быть извлечено из холодного воздуха зимой.

Как показано на диаграмме, приведенной ниже, даже если только температура холодного воздуха составляет всего 70C, температура, при которой хладагент испаряется в теплообменнике наружного блока, еще ниже (от 0 до 30C). Эта разница температур (4 - 70C) делает возможным извлечение тепла из наружного воздуха и использование его для нагревания внутри помещения

Однако, чем ниже становится наружная температура, тем меньше разница температур, и тем сложнее извлекать тепло из наружного воздуха. Другими словами, нагревательная способность уменьшается при падении температуры наружного воздуха.

Когда наружная температура падает до 50C, температура испарения внешнего теплообменника снижается ниже нуля градусов. Это вызывает замерзание влаги, находящейся в воздухе, и образованию инея на теплообменнике расположенному снаружи. Если ничего не предпринимать для его устранения, все больше и больше инея будет накапливаться и в конце концов путь для потока воздуха через теплообменник будет закрыт. Это сделает невозможным извлечение тепла из наружного воздуха. Чтобы это предотвратить, необходимо удалять иней. Этого возможно добиться двумя способами:

А. За счет изменения направления движения хладагента (обратный цикл). При этом цикл нагревания переключается в режим охлаждения. Это заставляет теплый газ хладагента из компрессора течь через покрытый инеем наружный теплообменник. В этом случае в период размораживания отопление помещения прекращается.

Б. Этого же можно добиться и не прекращая нагрева помещения(нагревающие размораживание). В этом случае по мере того, как процесс нагревания продолжается, часть теплого газа хладагента с компрессора течет через наружный теплообменник.

В каталогах по кондиционерам, когда указывают на способность кондиционера работать на нагрев помещения (кондиционеры зима-лето), представляют значение его тепловой мощности. При определении этой величины производители кондиционеров учитывают необходимость размораживание наружных теплообменников. Измерения в этом случаи производятся при комнатной температуре в 200C и наружной температуре 20C. Полученные значения для трех циклов размораживания и нагревания усредняются.

Основной характеристикой для процесса нагревания является коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент позволяет определить, является ли производительность бытового кондиционера воздуха хорошей или плохой. Чем выше КПД, тем больше производительность.

КПД = производительность (кВт) / потребляемая мощность (кВт)

Например, КПД теплового насоса, который потребляет 1.0 кВт мощности для производства 3.6 кВт тепла составляет 3.6 кВт / 1.0 кВт = 3.6.

Из представленного примера видно, что эффективность работы кондиционера на нагрев помещения значительно выше чем электрические нагреватели. Ведь электрический нагреватель не может производители количество тепла большее своей мощности. Кондиционер за счет работы теплового насоса осуществляет перекачку тепла от холодного наружного воздуха к более теплому внутреннему.

В последующих публикациях читатели смогут познакомиться с особенностью выбора мощности и места установки кондиционера с учетом особенностей помещений

К списку